在今天早上你到達(dá)辦公室的那一刻為止，你可能在沒有意識(shí)到的情況下已經(jīng)使用了4次射頻標(biāo)簽（RFID），分別是：在你插入車鑰匙、關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)防盜鎖止系統(tǒng)電路之時(shí);在你開車經(jīng)過無人收費(fèi)站自動(dòng)付費(fèi)之時(shí);在你使用手機(jī)支付早上的熱牛奶咖啡之時(shí);在你利用身份證件登記進(jìn)入辦公室之時(shí)。RFID也許還沒有廣泛普及，但正在逐漸取得成功。

　　第一批由射頻輸入供電的無源應(yīng)答器可以追溯到20世紀(jì)70年代初，當(dāng)時(shí)就像今天大多數(shù)各式各樣的RFID應(yīng)用情景一樣。正是有了今天半導(dǎo)體技術(shù)的可喜進(jìn)步，才使得RFID真正開始騰飛。

　　在商業(yè)市場中，RFID提供了史無前例的機(jī)會(huì)，通過提供非常細(xì)致的數(shù)據(jù)以及使支付和記錄保留等服務(wù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可以提高產(chǎn)能并改善用戶體驗(yàn)。RFID被廣泛 用于各種應(yīng)用，如牲畜身份識(shí)別、零售庫存管理、病歷管理、電子不停車收費(fèi)、電子護(hù)照，以及更近一些的手機(jī)，它們將是特定RFID技術(shù)的重要推手。

　　RFID標(biāo)簽（RFID的身份部分）的市場正在快速增長，并有望得到加速發(fā)展。例如IDTechEx公司就預(yù)測，2021年無源RFID標(biāo)簽數(shù)量將從2011年的不到30億個(gè)增長到約2500億個(gè)。

　　從工程角度看，RFID不是一種單一技術(shù)，它隨頻率改變而有所變化。其可以采用許多種載波頻率，但其中三種占主導(dǎo)地位（見表1）。低頻（LF）使用 125kHz至135kHz頻段，高頻（HF）工作在13.56MHz。UHF（超高頻）主要在865MHz至955MHz頻段中使用，雖然它也可能包含 2.4GHz頻段。

表1：RFID頻段及應(yīng)用

　　大多數(shù)RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作主要集中在讀取器系統(tǒng)。半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)和制造的應(yīng)答器（標(biāo)簽）的應(yīng)用和特性將主要決定讀取器的設(shè)計(jì)。一般來說，有兩種類型的標(biāo)簽可以用來與讀取器通信：含嵌入式電池的有源標(biāo)簽，和無電池的無源標(biāo)簽。無源標(biāo)簽更加常見，本文將只討論無源標(biāo)簽。

　　電磁耦合在決定無源標(biāo)簽的讀取范圍方面發(fā)揮著重要的作用。LF和HF RFID系統(tǒng)使用電感耦合。能量通過共享磁場從讀取器線圈傳送到應(yīng)答器（標(biāo)簽）線圈。

　　LF和HF系統(tǒng)中的讀取器天線會(huì)在一個(gè)被稱為近場的電磁區(qū)域中創(chuàng)建一個(gè)強(qiáng)大磁場，范圍距天線最多約一個(gè)波長。這個(gè)磁場的強(qiáng)度足以喚醒標(biāo)簽，并給它提供將身份數(shù)據(jù)傳送給讀取器所需的電源。電感耦合還可以使用相同的能量傳送機(jī)制用來寫標(biāo)簽（圖1）。

圖1：用于LF和HF系統(tǒng)（包括NFC在內(nèi)）的電感耦合發(fā)生在近場區(qū)域內(nèi)。

　　UHF RFID系統(tǒng)工作在距天線約兩個(gè)波長到無限遠(yuǎn)的“遠(yuǎn)場”，可以實(shí)現(xiàn)比LF和HF系統(tǒng)更大的讀取范圍。標(biāo)簽天線利用一種被稱為后向散射耦合的技術(shù)接收讀取器天線的電磁能量，RFID芯片再使用這個(gè)能量改變天線上的負(fù)載，并反射回包含身份信息的改變信號(hào)。

　　在 實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)簽是為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的，在頻率、內(nèi)存容量、支持的標(biāo)準(zhǔn)和天線設(shè)計(jì)方面都有變化。德州儀器（TI）公司的Tag-it HF-I Plus應(yīng)答器在微小的矩形外形中提供了2kb的內(nèi)存，適合用于產(chǎn)品鑒定、資產(chǎn)管理和供應(yīng)鏈管理。它是一種工作在13.56MHz頻率的HF標(biāo)簽。

　　在內(nèi)存規(guī)模的另一端，恩智浦（NXP）公司的HITag μ應(yīng)答器集成了128kb的內(nèi)存。這是一種LF標(biāo)簽，適合用于牲畜識(shí)別、洗衣自動(dòng)化以及啤酒桶和煤氣罐的物流運(yùn)輸。

　　設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　特定RFID系統(tǒng)讀取器的特性很大程度上取決于具體應(yīng)用，雖然有一些目標(biāo)跨越應(yīng)用界限。就像在大多數(shù)工程項(xiàng)目中成本很重要，這通常意味著盡量減少材料清單，盡量提高標(biāo)簽制造商提供的附加價(jià)值，如開發(fā)工具、參考設(shè)計(jì)和軟件。

　　機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)該堅(jiān)固耐用，并提供防破壞保護(hù)功能。還要注意系統(tǒng)所在地政府的頻率分配。系統(tǒng)很容易部署和操作也很重要，因?yàn)樽罱K用戶不是技術(shù)人員。

　　近場通信

　　功耗也非常重要，尤其是在電池供電的應(yīng)用，例如帶嵌入式近場通信（NFC）功能的智能手機(jī)中。雖然NFC是RFID技術(shù)的一個(gè)子集，但具有一些獨(dú)特的增強(qiáng)性能：

　　更短距離——NFC的工作距離特別短（《10cm），因此可以防止一些偶然或未授權(quán)的鏈路活動(dòng)。加密則確保了更高的安全性。

　　直觀的鏈接過程——NFC對最終用戶要求極低。舉例來說，具有NFC功能的智能手機(jī)只需彼此或與NFC讀取器靠近或掃過一下就能啟動(dòng)會(huì)話。

　　能夠與無源的RFID產(chǎn)品進(jìn)行通信——NFC在自我供電設(shè)備之間的工作方式是傳統(tǒng)的方式。它也支持與非接觸式智能卡或RF應(yīng)答器等無源設(shè)備的通信。

　　與藍(lán)牙和Wi-Fi的協(xié)作——除了與RFID技術(shù)是補(bǔ)充關(guān)系外，NFC還具有與使用藍(lán)牙和Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進(jìn)行通信的內(nèi)置功能。因此，NFC在現(xiàn)有技術(shù)之間提供了多協(xié)議橋接。

　　據(jù)IMS Research公司預(yù)測，NFC應(yīng)用將快速增長，而手機(jī)是背后的主要驅(qū)動(dòng)力。隨著制造商在手機(jī)產(chǎn)品中將無線通信與支付技術(shù)作為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，具有NFC 功能的手機(jī)數(shù)量從2012年到2017年將增加10倍，達(dá)到12億部。主要的NFC應(yīng)用包括：

　　* 娛樂門票、乘坐出租車或任何銷售點(diǎn)（POS）應(yīng)用的支付;商店代金券也可以存儲(chǔ)在NFC手機(jī)中。

　　* 使用NFC智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)安防大樓的身份驗(yàn)證和門禁控制;還有電腦登錄、上鎖/解鎖車門等。

　　* 在智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和平板電腦等NFC產(chǎn)品之間進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送。

　　* 與藍(lán)牙或Wi-Fi建立通信鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

　　* 提供對數(shù)字信息的訪問，因?yàn)镹FC設(shè)備將能夠從智能海報(bào)到NFC手機(jī)等產(chǎn)品讀取日程表;從智能海報(bào)下載地圖;在你的手機(jī)上記錄你停車的地方。

　　NFC技術(shù)基礎(chǔ)

　　NFC 工作在13.56MHz頻率范圍，數(shù)據(jù)傳送速率從106kbit/s到424kbit/s。為了盡量提高其有用性，該技術(shù)后向兼容基于ISO/IEC 14443A和ISO/IEC 14443B的智能卡協(xié)議，以及索尼的FeliCa卡（JIS X 6319-4）。

　　為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)NFC設(shè)備之間的信息交換，業(yè)界開發(fā)了一種新的協(xié)議，并在ECMA-340和ISO/IEC 18092標(biāo)準(zhǔn)中對其進(jìn)行了定義。NFC論壇開發(fā)了相關(guān)的規(guī)范，用于確保NFC產(chǎn)品的互操作性。

　　NFC 有三種工作模式。在卡片模擬模式（無源模式）時(shí)，NFC設(shè)備像現(xiàn)有符合某個(gè)傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡一樣工作。在讀/寫模式（有源模式）時(shí)，NFC設(shè)備是有源 的，并讀取或?qū)懭雮鹘y(tǒng)的無源RFID標(biāo)簽。在點(diǎn)對點(diǎn)模式中，兩個(gè)NFC設(shè)備交換信息。發(fā)起設(shè)備（輪詢設(shè)備）的功耗比讀/寫模式低，因?yàn)槟繕?biāo)（監(jiān)聽設(shè)備）使 用自己的電源。

　　三種傳統(tǒng)模式中每種都有自己的傳送技術(shù)：NFC-A（后向兼容ISO/IEC 14443A）;NFC-B（后向兼容ISO/IEC 14443B）;NFC-F（后向兼容JIS X 6319-4）。為了支持傳統(tǒng)技術(shù)，NFC設(shè)備必須輪詢監(jiān)聽設(shè)備（標(biāo)簽）以確定使用哪種協(xié)議：NFC-A，NFC-B，或NFC-F（圖2）。

圖2：為了支持傳統(tǒng)技術(shù)，NFC設(shè)備必須使用這個(gè)輪詢順序輪詢監(jiān)聽設(shè)備（標(biāo)簽）以確定使用哪種協(xié)議（NFC-A、NFC-B或NFC-F）。

　　控制器芯片

　　在NFC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制器芯片扮演著重要角色。判斷使用哪種通信模式只是開始。在其它的典型MCU任務(wù)中，控制器必須監(jiān)控收發(fā)器、電源管理和主機(jī)接口。NFC特定接口包括安全訪問模塊（SAM）接口、用戶身份模塊（SIM）接口和非接觸技術(shù)（CLESS）接口。

　　小結(jié)

　　雖然RFID應(yīng)用通常不是高性能、高速設(shè)計(jì)，但由于不同標(biāo)準(zhǔn)、頻率選擇和最重要的應(yīng)用需求，系統(tǒng)級(jí)存在大量的復(fù)雜性。每個(gè)新的設(shè)計(jì)都會(huì)帶來有關(guān)安全、范圍、 信號(hào)方向、環(huán)境條件、功耗、內(nèi)存要求和接口設(shè)計(jì)方面的決策。然而，一旦系統(tǒng)架構(gòu)考慮成熟，主要由半導(dǎo)體公司推出的眾多設(shè)計(jì)工具和開發(fā)套件，就能為我們的項(xiàng) 目提供一條通達(dá)成功的清晰路徑。