讀寫器讀寫器簡介

讀寫器即射頻標簽讀寫設(shè)備，是射頻識別系統(tǒng)的兩個重要組成部分（標簽與讀寫器）之一。射頻標簽讀寫設(shè)備根據(jù)具體實現(xiàn)功能也有一些其他較為流行的別稱，如：閱讀器（Reader），查詢器（Interrogator），通信器（Communicator），掃描器（Scanner），讀寫器（Reader and Writer），編程器（Programmer），讀出裝置（Reading Device），便攜式讀出器（Portable Readout Device），AEI設(shè)備（ Automatic Equipment Identification Device）等。 通常情況下，射頻標簽讀寫設(shè)備應(yīng)根據(jù)射頻標簽的讀寫要求以及應(yīng)用需求情況來設(shè)計。隨著射頻識別技術(shù)的發(fā)展，射頻標簽讀寫設(shè)備也形成了一些典型的系統(tǒng)實現(xiàn)模式，本章的重點也在于介紹這種讀寫器的實現(xiàn)原理。 從最基本的原理角度出發(fā)，射頻標簽讀寫設(shè)備一般均遵循如圖《讀寫器》所示的基本模式。

一般讀寫器的I/O接口形式主要有：

①RS-232串行接口：計算機普遍適用的標準串行接口，能夠進行雙向的數(shù)據(jù)信息傳遞。它的優(yōu)勢在于通用、標準，缺點是傳輸距離不會達到很遠，傳輸速度也不會很快。

②RS-485串行接口：也是一類標準串行通信接口，數(shù)據(jù)傳遞運用差分模式，抵抗干擾能力較強，傳輸距離比RS-232傳輸距離較遠，傳輸速度與RS-232差不多。

③以太網(wǎng)接口：閱讀器可以通過該接口直接進入網(wǎng)絡(luò)。

④USB接口：也是一類標準串行通信接口，傳輸距離較短，傳輸速度較高。

讀寫器主要有兩種工作方式，一種是讀寫器先發(fā)言方式（Reader Talks First，RTF），另一種是標簽先發(fā)言方式（Tag Talks First，TTF ）。

在一般情況下，電子標簽處于等待或休眠狀態(tài)，當電子標簽進入讀寫器的作用范圍被激活以后，便從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，接受讀寫器發(fā)出的命令，進行相應(yīng)的處理，并將結(jié)果返回給讀寫器。

這類只有接收到讀寫器特殊命令才發(fā)送數(shù)據(jù)的電子標簽被稱為RTF方式；

與此相反，進入讀寫器的能量場即主動發(fā)送數(shù)據(jù)的電子標簽被稱為TTF方式。

讀寫器之所以非常重要，這是由它的功能所決定的，它的主要功能有以下幾點：

①實現(xiàn)與電子標簽的通訊：最常見的就是對標簽進行讀數(shù)，這項功能需要有一個可靠的軟件算法確保安全性、可靠性等。除了進行讀數(shù)以外，有時還需要對標簽進行寫入，這樣就可以對標簽批量生產(chǎn)，由用戶按照自己需要對標簽進行寫入。

②給標簽供能:在標簽是被動式或者半被動式的情況下，需要讀寫器提供能量來激活射頻場周圍的電子標簽；閱讀器射頻場所能達到的范圍主要由天線的大小以及閱讀器的輸出功率決定的。天線的大小主要是根據(jù)應(yīng)用要求來考慮的，而輸出功率在不同國家和地區(qū)，都有不同的規(guī)定。

③實現(xiàn)與計算機網(wǎng)絡(luò)的通訊：這一功能也很重要，讀寫器能夠利用一些接口實現(xiàn)與上位機的通訊，并能夠給上位機提供一些必要的信息。

④實現(xiàn)多標簽識別：讀寫器能夠正確的識別其工作范圍內(nèi)的多個標簽。

⑤實現(xiàn)移動目標識別：讀寫器不但可以識別靜止不動的物體，也可以識別移動的物體。

⑥實現(xiàn)錯誤信息提示：對于在識別過程中產(chǎn)生的一些錯誤，讀寫器可以發(fā)出一些提示。

⑦對于有源標簽，讀寫器能夠讀出有源標簽的電池信息：如電池的總電量、剩余電量等。

典型的讀寫器終端一般由天線、射頻接口模塊和邏輯控制模塊三部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如下所示：

讀寫器天線

讀寫器的天線是發(fā)射和接收射頻載波信號的設(shè)備， 它主要負責將讀寫器中的電流信號轉(zhuǎn)換成射頻載波信號并發(fā)送給電子標簽，或者接收標簽發(fā)送過來的射頻載波信號并將其轉(zhuǎn)化為電流信號，讀寫器的天線可以外置也可以內(nèi)置，天線的設(shè)計對閱讀器的工作性能來說非常重要，對于無源標簽來說，它的工作能量全部由閱讀器的天線提供。

讀寫器射頻接口模塊

讀寫器的射頻接口模塊主要包括發(fā)射器、射頻接收器、時鐘發(fā)生器和電壓調(diào)節(jié)器等。該模塊是讀寫器的射頻前端，同時也是影響讀寫器成本的關(guān)鍵部位，主要負責射頻信號的發(fā)射及接收。 其中的調(diào)制電路負責將需要發(fā)送給電子標簽的信號加以調(diào)制，然后再發(fā)送； 解調(diào)電路負責將解調(diào)標簽送過來的信號并進行放大； 時鐘發(fā)生器負責產(chǎn)生系統(tǒng)的正常工作時鐘。

讀寫器邏輯控制模塊

讀寫器的邏輯控制模塊是整個讀寫器工作的控制中心、智能單元，是讀寫器的“大腦”， 讀寫器在工作時由邏輯控制模塊發(fā)出指令，射頻接口模塊按照不同的指令做出不同的操作。 它主要包括微控制器、存儲單元和應(yīng)用接口驅(qū)動電路等。 微控制器可以完成信號的編解碼、數(shù)據(jù)的加解密以及執(zhí)行防碰撞算法； 存儲單元負責存儲一些程序和數(shù)據(jù)； 應(yīng)用接口負責與上位機進行輸入或輸出的通信。

下面以UHF頻段讀寫器為例，詳細介紹一下讀寫器的射頻模塊是如何工作的。射頻模塊又可以分為發(fā)射和接收兩部分。 讀寫器的發(fā)射電路部分主要由混頻器(Mixer)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、衰減器(Attenuator)、可變增益放大器(VGA)、功率分配器 (Power Splitter)、射頻濾波器(Filter)、以及射頻功率放大器(PA)。·發(fā)射部分的工作過程如下：

（1）閱讀器控制壓控振蕩器，產(chǎn)生出頻率為860-96OMHZ的載波信號，然后把這個信號傳送給功分器；

（2）功率分配器把要發(fā)射的信號分成兩部分，一部分發(fā)送到接收電路，作為接收信號進行混頻時的信號源，另外一路則先經(jīng)過衰減器再送到Mixer；

（3）通過混頻，使閱讀器的基帶信號控制傳送過來的載波信號的幅度相位變化，然后經(jīng)過可變增益放大器（VGA）和射頻濾波器以后，傳至功率放大器；

（4）閱讀器根據(jù)實際情況，自動調(diào)節(jié)發(fā)射信號的增益，然后經(jīng)過射頻功率放大器進行放大，最后再經(jīng)過環(huán)行器傳送到閱讀器天線準備發(fā)射。這里環(huán)行器的作用就是將閱讀器天線接收到的信號與發(fā)送的信號隔離開來，避免出現(xiàn)同頻干擾。

讀寫器的接收部分主要包括功率分配器、混頻器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及射頻濾波器，接收部分的工作流程是：

（1）由標簽通過反向散射傳遞過來的信號通常功率比較小，它會首先進入環(huán)行器，以便與閱讀器發(fā)射的載波信號分離，避免出現(xiàn)同頻干擾。在通過射頻濾波器后，進入到功率分配器，從這里出來的信號又分成了兩路；

（2）自發(fā)射線路的未調(diào)制載波作為接收線路的本振信號產(chǎn)生兩路參考信號，兩路參考信號相位差是90°；

（3）兩路參考信號與從第一步功分器分離出來的兩路信號進行混頻，生成兩路基帶信號，然后分別經(jīng)過各自的運算放大器和低通濾波器以后，返回到閱讀器的信號處理單元進行相關(guān)處理。

通過空間信道實現(xiàn)讀寫器向射頻標簽發(fā)送命令

讀寫設(shè)備與射頻標簽之間必然通過空間信道實現(xiàn)讀寫器向射頻標簽發(fā)送命令，射頻標簽接收讀寫器的命令后做出必要的響應(yīng)，由此實現(xiàn)射頻識別。此外，在射頻識別應(yīng)用系統(tǒng)中，一般情況下，通過讀寫器實現(xiàn)的對射頻標簽數(shù)據(jù)的無接觸收集或讀寫器向射頻標簽中寫入的標簽信息均要回送到應(yīng)用系統(tǒng)中或來自應(yīng)用系統(tǒng)，這就形成了射頻標簽讀寫設(shè)備與應(yīng)用系統(tǒng)程序之間的接口API（Application Program Interface）。

一般情況下，要求讀寫器能夠接收來自應(yīng)用系統(tǒng)的命令，并且根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的命令或約定的協(xié)議作出相應(yīng)的響應(yīng)（回送收集到的標簽數(shù)據(jù)等）。

射頻模塊（射頻通道）與基帶模塊

讀寫器本身從電路實現(xiàn)角度來說，又可劃分為兩大部分，即：射頻模塊（射頻通道）與基帶模塊。

射頻模塊實現(xiàn)的任務(wù)主要有兩項，第一項是實現(xiàn)將讀寫器欲發(fā)往射頻標簽的命令調(diào)制（裝載）到射頻信號（也稱為讀寫器/射頻標簽的射頻工作頻率）上，經(jīng)由發(fā)射天線發(fā)送出去。發(fā)送出去的射頻信號（可能包含有傳向標簽的命令信息）經(jīng)過空間傳送（照射）到射頻標簽上，射頻標簽對照射其上的射頻信號作出響應(yīng)，形成返回讀寫器天線的反射回波信號。射頻模塊的第二項任務(wù)即是實現(xiàn)將射頻標簽反射回讀寫器的回波信號進行必要的加工處理，并從中解調(diào)（卸載）提取出射頻標簽回送的數(shù)據(jù)。

基帶模塊實現(xiàn)的任務(wù)也包含兩項，第一項是將讀寫器智能單元（通常為計算機單元CPU或MPU）發(fā)出的命令加工（編碼）為便于調(diào)制（裝載）到射頻信號上的編碼調(diào)制信號。第二項任務(wù)即是對經(jīng)過射頻模塊解調(diào)處理的標簽的回送數(shù)據(jù)信號進行必要的處理（包含解碼），并將處理后的結(jié)果送入讀寫器智能單元。

一般情況下，讀寫器的智能單元也劃歸基帶模塊部分。智能單元從原理上來說，是讀寫器的控制核心，從實現(xiàn)角度來說，通常采用嵌入式MPU，并通過編制相應(yīng)的MPU控制程序?qū)κ瞻l(fā)信號實現(xiàn)智能處理以及與應(yīng)用程序之間的接口API。 射頻模塊與基帶模塊的接口為調(diào)制（裝載）/解調(diào)（卸載），在系統(tǒng)實現(xiàn)中，通常射頻模塊包括調(diào)制/解調(diào)部分，并且也包括解調(diào)之后對回波信號的必要加工處理（如放大、整形）等。射頻模塊的收發(fā)分離是采用單天線系統(tǒng)時射頻模塊必須處理好的一個關(guān)鍵問題

讀寫器從接觸方式分

讀寫器分為接觸式讀寫器，非接觸式讀寫器，單界面讀寫器和雙界面讀寫器以及多卡座接觸式讀寫器。

讀寫器從接口分

讀寫器從接口上來看主要有：串口讀寫器、并口讀寫器、USB讀寫器、PCMCIA卡讀寫器和IEEE 1394讀寫器。前兩種讀寫器由于接口速度慢或者安裝不方便已經(jīng)基本被淘汰了，USB讀寫器是目前市場上最流行的讀寫器。

讀寫器從頻率分

從射頻頻率上分：低頻閱讀器、高頻閱讀器、超高頻讀寫器、雙頻讀寫器、433MHz有源讀寫器、微波有源讀寫器等。

從信息傳遞的基本原理來說，射頻識別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型(初級與次級之間的能量及信號傳遞)，在高頻段基于雷達探測目標的空間耦合模型 (雷達發(fā)射電磁波信號碰到目標后攜帶目標信息返回雷達接收機)。1948年哈里·斯托克曼發(fā)表的“利用反射功率的通信”奠定了射頻識別射頻識別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

射頻識別技術(shù)的發(fā)展可按十年期劃分如下：

1940-1950年：雷達的改進和應(yīng)用催生了射頻識別技術(shù)，1948年奠定了射頻識別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

1950-1960年：早期射頻識別技術(shù)的探索階段，主要處于實驗室實驗研究。

1960-1970年：射頻識別技術(shù)的理論得到了發(fā)展，開始了一些應(yīng)用嘗試。

1970-1980年：射頻識別技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)處于一個大發(fā)展時期，各種射頻識別技術(shù)測試得到加速。出現(xiàn)了一些最早的射頻識別應(yīng)用。

1980-1990年：射頻識別技術(shù)及產(chǎn)品進入商業(yè)應(yīng)用階段，各種規(guī)模應(yīng)用開始出現(xiàn)。

1990-2000年：射頻識別技術(shù)標準化問題日趨得到重視，射頻識別產(chǎn)品得到廣泛采用，射頻識別產(chǎn)品逐漸成為人們生活中的一部分。

2000年后：標準化問題日趨為人們所重視，射頻識別產(chǎn)品種類更加豐富，有源電子標簽、無源電子標簽及半無源電子標簽均得到發(fā)展，電子標簽成本不斷降低，規(guī)模應(yīng)用行業(yè)擴大。

至今，射頻識別技術(shù)的理論得到豐富和完善。單芯片電子標簽、多電子標簽識讀、無線可讀可寫、無源電子標簽的遠距離識別、適應(yīng)高速移動物體的射頻識別技術(shù)與產(chǎn)品正在成為現(xiàn)實并走向應(yīng)用。

特別值得一提的是，在1998年美國麻省理工學院的David Brock博士和Sanjay Sarma教授在喝咖啡聊天時，談及物品自動識別技術(shù)問題時產(chǎn)生的從系統(tǒng)的角度來解決物品自動識別問題的靈感，由此導致了供應(yīng)鏈中物品自動識別概念的一次革命，并最終在1999年10月1日正式創(chuàng)建Auto-ID Center這一非盈利性的開發(fā)組織。Auto-ID Center誕生后，迅速提出了產(chǎn)品電子代碼EPC(Electronic Product Code)的概念以及物聯(lián)網(wǎng)的概念與構(gòu)架，并積極推進有關(guān)概念的基礎(chǔ)研究與實驗工作?？梢哉f，EPC與物聯(lián)網(wǎng)的概念將射頻識別技術(shù)的應(yīng)用推到了極致，對射頻識別技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用的推廣起到了極大的推動作用。

射頻識別技術(shù)的發(fā)展，一方面受到應(yīng)用需求的驅(qū)動，另一方面射頻識別技術(shù)的成功應(yīng)用反過來又將極大地促進應(yīng)用需求的擴展。從技術(shù)角度說，射頻識別技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在若干關(guān)鍵技術(shù)的突破。從應(yīng)用角度來說，射頻識別技術(shù)的發(fā)展目的在于不斷滿足日益增漲的應(yīng)用需求。

射頻識別技術(shù)的發(fā)展得益于多項技術(shù)的綜合發(fā)展。所涉及的關(guān)鍵技術(shù)大致包括：芯片技術(shù)、天線技術(shù)、無線收發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)變換與編碼技術(shù)、電磁傳播特性。

隨著技術(shù)的不斷進步，射頻識別產(chǎn)品的種類將越來越豐富，應(yīng)用也越來越廣泛。可以預(yù)計，在未來的幾年中，射頻識別技術(shù)將持續(xù)保持高速發(fā)展的勢頭。射頻識別技術(shù)的發(fā)展將會在電子標簽(射頻標簽)、閱讀器、系統(tǒng)種類等方面取得新進展。

在電子標簽方面，電子標簽芯片所需的功耗更低，技術(shù)更趨成熟。其作用距離將更遠，無線可讀寫性能也將更加完善，并且能夠適合高速移動物品識別，識別速度也將更加快，具有快速多標簽讀寫功能。與此同時，在強場強下的自保護功能也會更加完善、智能性更強，成本更低。在讀寫器方面，多功能讀寫器，包括與條碼識別集成、無線數(shù)據(jù)傳輸、脫機工作等功能將被更多的應(yīng)用。同時，多種數(shù)據(jù)接口包括RS232，RS422/485，USB，紅外，以太網(wǎng)口也將得到應(yīng)用。而讀寫器將實現(xiàn)多制式多頻段兼容，能夠兼容讀寫多種標簽類型和多個頻段標簽。讀寫器會朝著小型化、便攜式、嵌入式、模塊化方向發(fā)展，成本將更加低廉，應(yīng)用范圍更加廣泛。在系統(tǒng)方面，低頻近距離系統(tǒng)將具有更高的智能、安全特性；高頻遠距離系統(tǒng)性能將更加完善，成本更低。而2.45GHz和5.8GHz系統(tǒng)將更加完善。同時，無芯片系統(tǒng)將逐漸得到應(yīng)用。

總而言之，射頻識別技術(shù)未來的發(fā)展中，在結(jié)合其它高新技術(shù)，比如GPS、生物識別等技術(shù)，由單一識別向多功能識別方向發(fā)展的同時，將結(jié)合現(xiàn)代通信及計算機技術(shù)，實現(xiàn)跨地區(qū)、跨行業(yè)應(yīng)用。2100433B