随着RFID走热，设计机会将会激增

今天早上在去办公室的路上，您可能已在不知不觉中用了四次RFID：不用拿出车钥匙就发动了汽车;走ETC专用车道时自动支付过路费;手机挥一下就买好了今天的早点;用胸牌通过了办公室门禁。RFID也许还没有广泛普及，但正在逐渐取得成功。

第一个由传入射频驱动的无源应答器可以追溯到20世纪70年代初，当今许多RFID应用的设想也是如此。正是有了半导体技术的进步(更不用说摩尔定律)，才使得RFID真正开始腾飞。

对于企业而言，RFID提供了前所未有的机会，可通过提供非常细致的数据以及自动实现支付和记录保存等服务，来提高生产率并改善客户体验。RFID广泛用于各种应用，如牲畜识别、零售库存管理、病历管理、电子收费、电子护照以及最近在手机方面的应用，将成为特定RFID技术的关键推手。

RFID标签市场(RFID的ID部分)正在快速增长，并有望加速发展。例如，据IDTechEx预测，无源RFID标签的数量将从2011年的不到30亿个增加到2021年的大约2500亿个。

从工程的角度来看，RFID并不是单一的技术，因频率的不同而分为不同类型。可能用到的载频有许多种，但有三个占主导地位：工作频率为125至135 KHz的LF;工作频率为13.56 MHz的HF;以及主要在865至955 MHz频段使用的UHF(2.4 GHz频段也可包含在UHF中。) 表1总结了三大RFID频段的应用和读取距离。

表1：RFID频段和应用

大多数RFID系统设计工作都集中在读卡器系统上;读卡器的设计主要由应用以及半导体公司设计和制造的应答器(标签)特性决定。从广义上讲，可以使用两种类型的标签与读卡器进行通信：具有嵌入式电池的有源标签和没有电池的无源标签。无源标签更为常见，所以本文将只讨论该类型。

耦合技术

电磁耦合在决定无源标签的读取距离方面起着主导作用。LF和HF RFID系统使用电感耦合：能量通过共享磁场从读卡器线圈传输到应答器(标签)线圈。

LF和HF系统中的读卡器天线在称为“近场”的电磁区域(距离天线最多一个波长)内产生强磁场。这个磁场的强度足以唤醒标签并为其提供将身份数据传输到读卡器所需的能量。电感耦合也可使用相同的能量传输机制写入标签。图1说明了电感耦合的概念。

图1：LF和HF系统(包括NFC)的电感耦合发生在近场区域

UHF RFID系统工作在距天线约两个波长到无限远的“远场”，可以实现比LF和HF系统更大的读取距离。标签天线使用一种称为反向散射耦合的技术接收读卡器天线的电磁能量，而RFID芯片使用这种能量来改变天线上的负载并反射回包含身份信息的更改信号。

实际上，标签是为特定应用而设计的，在频率、内存容量、支持的标准和天线设计方面各不相同。Texas Instruments的Tag-itTM HF-I Plus应答器 (595-RI-I03-112A-03) 在微型矩形形状中提供2Kb内存，适用于产品认证、资产管理和供应链管理， 这是一种工作频率为13.56 MHz的HF标签。而NXP的HITag® μ应答器 (771-HTMS1101FTBAF1) 集成了128Kb的内存， 这是一种适用于牲畜识别、洗衣自动化以及啤酒桶和气瓶物流的LF标签。

设计目标

特定的RFID系统读卡器功能很大程度上取决于应用，有一些跨应用功能。与大多数工程项目一样，成本是非常重要的因素，这通常意味着尽量减少材料清单，尽量提高标签制造商提供的附加价值，如开发工具、参考设计和软件。机械设计应坚固耐用，并提供防破坏保护。还应考虑系统部署地区的政府频率分配。系统还一定要非常易于部署和操作，因为最终用户并不是技术人员。

近场通信

功耗同样十分关键，尤其是电池供电应用，例如具有嵌入式近场通信 (NFC) 功能的智能手机。虽然NFC是RFID技术的一个子集，但其具有一些独特的增强功能：

(1)更短的距离：NFC极短(<10厘米)的工作范围可防止链路意外或未经授权激活。加密可确保更高的安全性。

(2)直观的链接程序：NFC不需要最终用户费多大的精力。例如，对于具有NFC功能的智能手机，只需彼此或与NFC读卡器靠近或扫过一下即可启动对话。

(3)与无源RFID产品通信的能力：NFC在自供电设备之间以传统方式工作，还支持与无源设备(如非接触式智能卡或RF应答器)进行通信。

(4)与蓝牙和Wi-Fi的协作：除了与RFID技术的互补关系外，NFC还具有与使用蓝牙和Wi-Fi无线网络的设备进行通信的内置功能。因此，NFC提供了现有技术之间的多协议桥梁。

IMS Research公司预测，NFC应用将快速增长，而手机是背后的主要驱动力。随着制造商在其产品中采用无线通信和支付技术作为事实上的标准，支持NFC的手机在2012年至2017年间将增长10倍，达到12亿部。今年的出货量预计将增长至2.68亿部，比2012年的1.2亿部增长123%。主要的NFC应用包括：

(1)娱乐门票、出租车或任何POS应用的支付。商店代金券也可以存储在NFC手机上。

(2)使用NFC智能手机进行安全楼宇的身份验证和门禁控制;还有PC登录、车门上锁/解锁等。

(3)NFC单元(例如智能手机、数码相机和平板电脑)之间的点对点数据传输。

(4)通过蓝牙或Wi-Fi建立通信链路实现数据传输。

(5)对数字信息的访问：NFC设备将能够从智能海报下载地图;将日程表从智能海报读取到NFC手机;在手机上记录停车位置。

NFC技术基础

NFC在13.56 MHz频率范围内运行，数据传输速率为106至424Kbps。为了最大限度地发挥其实用性，这项技术向后兼容基于ISO/IEC 14443 A和ISO/IEC 14443 B的智能卡协议，还兼容Sony FeliCaTM卡 (JIS X 6319-4)。

为了在两台NFC设备之间交换信息，制定了一种新的协议，并在ECMA-340和ISO/IEC 18092标准中对其进行了定义。NFC论坛制定了确保NFC产品互操作性的规范。NFC具有三种操作模式：

(1)卡模拟模式(无源模式)：NFC设备的行为类似于符合传统标准之一的现有非接触式卡;

(2)读写器模式(有源模式)：NFC设备处于有源状态，读取或写入到传统的无源RFID标签;

(3)点对点模式：两台NFC设备交换信息。与读写器模式相比，发起设备(轮询设备)需要的功率更小，因为目标(监听设备)使用自己的电源。

三种传统模式都有自己的传输技术：NFC-A(向后兼容ISO/IEC 14443 A)、NFC-B(向后兼容ISO/IEC 14443 B)和NFC-F(向后兼容JIS X 6319-4)。

为了支持传统技术，NFC设备必须轮询监听设备(标签)以确定使用哪种协议(NFC-A、NFC-B和NFC-F)。图2说明了轮询序列的主要流程。

定NFC通信协议

在NFC系统设计中，控制器芯片起着核心作用。决定使用哪种通信模式仅仅是开始。除了其他典型的MCU任务外，它必须监视和控制收发器、电源管理和主机接口。NFC特定接口包括安全访问模块 (SAM) 接口、用户身份模块 (SIM) 接口和非接触式技术 (CLESS) 接口。

NXP的PN544 (771-PN5441A2EC20501) 是一款具有嵌入式80C51内核的全功能NFC控制器，适合集成到手机中。在读卡器端，应用包括移动支付设备、交通和活动票务以及对象交换(例如，电子名片和数字版权)。Texas Instruments的TRF7970ARHBT (595-TRF7970ARHBT) 支持相同的应用范围。

结论

尽管RFID应用通常不是高性能、高速的设计，但由于不同的标准、频率选项以及(最重要的)应用要求，在系统层面存在极大的复杂性。每个新设计都会带来有关安全性、距离、信号方向性、环境条件、功耗、内存要求和接口设计的决策。然而，一旦系统架构经过仔细考虑，主要由半导体公司提供的众多设计工具和开发套件，将为项目提供一条通往成功的清晰途径。