基于RFID技术的考试管理系统设计与实现(3)

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⑥对读写器和标签之问的身份进行验证。

3.天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换成电磁波的装置。在ＲＦＤ系统中读写器必须要通过天线来发射能量，形成电磁场，通过电磁场来对电子标签进行识别。

2.2.2 电子标签

电子标签是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签，其内置的射频天线用于和读写器进行通信。系统工作时，读写器发出查询（能量）信号,电在标签（无源）收到查询（能量）信号后将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作，另一部分能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后反射回读写器。电子标签是射频识别系统真正的数据载体。电子标签的内部结构如图2-3所示:

功率放大 静电保护 上变频和带通滤波器 ASK反响调制 时钟产生 电源产生电路 稳压电路 复位电路 编解码电路微处理器 EEPROM 包络产生 检波电路 图2-3电子标签的内部结构图

其内部各模块功能如下所述：

①天线：用来接收由读写器送过来的信号，并把所要求的数据送回给读写器； ②电压调节器：把由标签读写器送过来的射频讯号转换成DC电源，并经大电容储存能量，再经稳压电路以提供稳定的电源；

③调制器：逻辑控制电路所送出的数据经调制电路调制后加载到天线送给读写器； ④解调器：把载波去除取出真正的调制信号；

⑤逻辑控制单元：用来译码读写器所送过来的信号，并依其要求回送数据给读写器： ⑥存储单元：包括EEPROM与ROM，作为系统运行及存放识别数据的位置。

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按照不同的方式，电子标签有以下几种分类：

1.按供电方式分为有源电子标签和无源电子标签。有源是指电子标签内有电池提供电源，其作用距离较远，但寿命有限，体积较大，成本高，且不适合在恶劣环境下工作；无源电子标签内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电，其作用距离相对有源电子标签短,但寿命长且对工作环境要求不高。

2.按载波频率分为低频电子标签、中频电子标签和高频电子标签。低频电子标签主要有125kHz和134.2kHz两种，中频电子标签频率主要为13.56MHz高频电子标签主要为 433MHz,915MHz,2.45GHz,5.8GHz等．低频系统主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校园电子标签、动物监管、货物跟踪等。中频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统；高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，在火车监控、高速公路收费等系统中应用。

3.按调制方式的不同可分为主动式和被动式。主动式电子标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器；被动式电子标签使用调制散射方式发射数据，它必须利用读写器的载波来调制自己的信号，该类技术适合用在门禁或交通应用中，因为读写器可以确保只激活一定范围之内的电子标签。在有障碍物的情况下，用调制散射方式，读写器的能量必须来回穿过障碍物两次。而主动方式的电子标签发射的信号仅穿过障碍物一次，因此主动方式工作的电子标签主要用于有障碍物的应用中，距离更远（可达30米）。

4.按作用距离可分为密藕合电子标签（作用距离小于1厘米）、近藕合电子标签（作用距离小于15厘米），疏藕合电子标签（作用距离约1米）和远距离电子标签（作用距离从1米到10米，甚至更远）．

5.按芯片分为只读电子标签、读写电子标签。只读标签的特点是一次写入，多次读出，只读标签可以由标签制造者写入标签的标识信息，也可以由使用者按照需要写入相应的编码信息，只读标签价格相对低廉，通常被应用于追踪低价值商品的场合。与只读标签相比，可读写电子标签附带有可编程存储器，可以多次读出、多次写入数据，由于可反复更新其中数据，可读写电子标签被广泛应用于需要存储过程状态信息的场合，如不停车收费、物流运作等应用中，读写器可以根据后台系统的指令实时更新标签中的数据。无论是只读标签还是可读写标签，其中的标签Ｄ号是出厂时就设定好的，永不可修改的。

2.3 RFID系统工作原理

RFID系统的基本工作原理是：由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子标签进入发射天线有效工作区域时产生感应电流，从而获得能量被激活，使电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去；读写器的接收天线接收到从标签（射

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频卡）发送来的调制信号，经天线调节器传送到读写器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关处理。主机系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，识别该标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制读写器完成不同的读写操作。

2.4 非接触式射频卡系统涉及的主要技术

非接触式射频卡系统是一个典型的跨学科的专业领域，一个多技术融合的系统。主要涉及以下技术。

2.4.1 射频通信技术

非接触式射频卡系统是一个典型的射频识别系统，它采用的是射频通信技术，射频通信细节有：数据的调制和解调、能量的传输和通信协议。 2.4.1.1 数据的调制和解调

读写器和射频卡之间采用半双工通信方式，以一定频率的电磁波为媒介进行通信。由于基带数字信号不可以直接进行传输，那么在读写器和射频卡之间进行通信时，必须对该基带信号进行调制和解调处理。由于射频卡系统是一个数字通信系统，因此一般采用数字调制的方法进行调制。数字调制是用载波信号参量的离散状态来表征所传输的数字信息，在解调时只需对载波信号的受调参量进行检测和判决．数字调制信号因此称为键控信号．由于载波信号是正弦波信号，其三个参量幅度、频率和相位都能携带信息，相应有调幅、调频和调相三种基本形式。在射频卡中常采用调幅形式。在读写器发送给射频卡数据的过程中，采用100％或10％的幅度调制。在射频卡返回给读写器数据的过程中，采用负载调制方式。负载调制是幅度调制的一种形式，它是通过改变天线的负载，从而改变天线两端信号幅度。 2.4.1.2 能量的传输

射频卡在工作时，本身没有电源，因此需要从读写器发送的电磁波中提取能量，在射频卡接受数据期间，它一方面从接受到的信号中解调出数据信息，另一方面从接受到的信号中提取能量。当射频卡返回数据时，射频卡的数据是通过负载调制的方式，使射频卡的天线上的信号幅度发生变化，这样藕合到读写器的天线上的信号幅度也就发生相应的变化，从而使读写器得到射频卡返回的信息，同时射频卡将读写器上的电磁波信号藕合过来，提供射频卡工作所需的能量。

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2.4.1.3 通信协议

RFID系统至少由一个读写器和一个射频卡组成．为了使系统具有高性能价格比，通常在整个系统中加入相关通信协议，使一个读写器可以同时和多个射频卡通信。

传输协议

能量传送的方式一般是以固定频率的连续波或脉冲波（如跳频方式）为载体。依据系统应用目的的不同，其能量传送的方式不同。目前使用最多的是跳频方式的脉冲波如公路车辆识别系统，而在铁路车辆识别系统中常采用连续波。工作频率是RFID系统的基本参数，频率的选取要遵循某些规范的限制。选取较高的工作频率具有一定的优势。为了系统的可兼容性，信息的编码方式应符合某些规范。我国铁路车辆识别系统采用了ISO10374集装箱识别的编码方式。信息的结构常常包括帧头、固定信息、用户信息、校验信息等。信息的长度决定于编码方式和具体识别的信息内容，传送速度则取决于信息的长度和码元速率。

信道编码技术

在读写器与射频卡进行射频通信的过程中，存在许多干扰数据通信的因素,其中最主要的两个因素是信道噪声和多卡操作（即有多张卡在读写器的天线感应范围内）引起的数据干扰．因此，需要采用信道编码和访问控制技术，以保证读写器和射频卡之间数据传输的完整、可靠和快速。为了提高系统的抗嗓声能力，就需要采用信道编码技术，对可能或已经出现的差错进行控制，信道编码是使不带规律性或规律性不强的原始数字信号变换为带上规律性或加强了规律性的数字信号，信道译码器则利用这些规律性来鉴别是否发生错误，进而纠正错误。根据码的用途可将其分为检错码和纠错码。常用的检错码包括奇偶校验码和循环冗余校验码响。

2.4.2 防冲突技术

以前使用的多数射频卡系统中，一次只能读写一张卡，卡与卡之间要保持一定距离，确保一次只能有一个卡在读写区域内。读写距离长则射频卡之间的距离也要大，应用起来很不方便。现在的射频卡具有防碰撞的功能，这对于RFID来说十分重要。所谓碰撞，即冲突，是指多个射频卡进入识别区域时信号互相干扰的情况。具有防碰撞性能的系统可以同时识别进入识别距离的所有射频卡，它的并行工作方式大大提高系统的效率．防冲突有硬件方式和软件方式。考虑到成本而速度又允许，一般采用软件防冲突。

2.4.3 电磁兼容技术

电磁兼容是设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容就是干扰与抗干扰一对矛盾而又并存的事物。电

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磁兼容技术是一门迅速发展的交叉学科，涉及电子、计算机、通信、航空航天，铁路交通、电力、军事，以及人民生活的各个方面。在当今信息社会中，随着电子技术、计算机技术的发展，一个系统中采用的电气及电子设备数量大幅度增加，而且电子设备的频带日益加宽，功率逐渐增大，灵敏度提高，连接各种设备的电缆网络也越来越复杂，因此，电磁兼容问题曰显重要。

实现电磁兼容的最好办法是将所有的数字及模拟电路均视为对高频信号响应的电路，用高频设计方法来处理电缆屏蔽、ＰＣＢ布线和共模滤波。采用整块地平面和电源面也很重要，对模拟电路也该如此，这样做有利于限制高频共模环路。大多数的瞬态干扰均属高频，并产生很强的辐射能型。

2.5 RFID与其他自动识别技术

自动识别技术近些年来的发展可以称得上是日新月异，它已成为集计算机－一光、机电、通信技术为一体的高新技术学科。目前，常见的自动识别技术包括了条形码技术、射频识别技术、磁卡识别技术、生物统计识别技术等。

2.5.1 条形码技术

条形码是在1949年首先提出的。它算得上是最古老最成熟的一种识别技术,它也是自动识别技术中应用最广泛和最成功的技术。由于条形码成本较低，有完善的标准体系，已在全球散播，所以已经被普遍接受。条形码是由宽度不同、反射率不同的条和空，按照一定的编码规则（码制）编制成的，用以表达一组数字或字母符号信息的图形标识符。即条形码是一组粗细不同，按照一定的规则安捧间距的平行线条图形。它的基本工作原理为：由光源发出的光线经过光学系统照射到条形码符号上面，被反射回来的光经过光学系统成像在光电转换器上，使之产生电信号，信号经过电路放大后产生模拟电压，它与照射到条形码符号上被反射回来的光成正比，再经过滤波、整形,形成与模拟信号对应的方波信号，经译码器解释为计算机可以直接接受的数字信号。

然而，随着数据采集环境逐渐变得苛刻，同时数据质量的要求逐渐提高，条形码本身所具有的一些缺点也逐渐开始限制其应用范围．例如：只能近距离读取静态物体：对于移动中的物体不能进行识别。条形码存储容量较小：一张条形码只能存储十几位字符的信息，所以只能识别生产者和产品，并不能辨认具体的商品，贴在所有同一种产品包装上的条形码都一样，无法辨认哪些产品先过期；读取速度慢：读取一次需要２秒以上的时间，对于产品数量较为集中的库存，数据采集无疑是件非常繁重的任务；不可以批量读取，条形码一次只能读取～个条形码信息；环境适应性低：当条形码受损或被弄脏后，扫描仪就无法辨认目标。

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