第2章 RFID实验系统硬件原理
本章以北京泰格瑞德科技有限公司的JX200系列WSN RFID物联网教学实验系统为例，我们来对读写器的硬件结构进深入学习。
北京泰格瑞德科技有限公司RFID教学实验产品的特点如表2.1所示。
表2.1 实验产品特点
北京泰格瑞德科技有限公司的RFID教学实验产品能提取、展现出RFID系统中整个的射频信号，包括编码信号、载波信号、调制信号、调制载波信号、功率放大信号、电子标签返回的信号、FSK解调信号、ASK解调信号。这种RFID教学实验产品就像一个透视镜，能非常直观地让我们看清楚RFID系统中的射频信号，使我们对RFID不再陌生。
北京泰格瑞德科技有限公司的RFID教学实验产品，把RFID国际标准下的ISO 18000-3相关指令拿出来一一进行了解析，这种RFID教学实验产品就像一个指令分析仪，把指令包按照功能作用一一拆开进行解析，并且提供大量的实验。通过平台执行指令，直观地告诉使用者不同地方的指令内容的作用。使用者可以直观、形象地感受RFID国际标准指令执行的情况，掌握这些指令的作用和使用方法。
北京泰格瑞德科技有限公司的RFID教学实验产品可以帮助使用者不仅使用API接口函数实现RFID应用系统的设计开发，而且还培养使用者从底层通过直接命令控制读写器，模拟实现实际系统的功能，模拟整个系统的开发流程，实现整个应用系统的功能。
这个实际应用系统的模拟平台，同时提供了应用系统的全部源代码，让使用者能非常迅速地掌握应用系统开发的能力，达到如下目标：
（1）通过实验观测RFID的内部硬件构造，学生能更加有效地学习RFID系统设计技术；
（2）学生可以进行实验并理解诸如防碰撞算法和125K ID、ISO/IEC 15693、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 18000-6和ZIGBEE IEEE 802.15.4等国际标准协议；
（3）通过所提供的应用程序接口（API）可以进行RFID应用设计，该套设备可以培养学生在不同领域内应用RFID系统的能力；
（4）了解无线传感网的功能并掌握数据通信接口；
（5）掌握物联网技术的应用方法。
2.1 HF读写器电路原理框图
整体框图如图2.1所示
射频部分原理框图如图2.2所示。
图2.1 HF读写器电路原理框图
图2.2 射频部分原理框图
射频部分实际电路如图2.3所示。
图2.3 射频部分实际电路图
其中：1是载波信号产生模块；2是调制载波模块；3是调制后的初级射频信号；4是末级射频信号；5是标签返回ASK信号整型、初级放大部分；6是标签返回FSK信号整型、初级放大部分；7是标签返回ASK信号末级放大部分；8是标签返回FSK信号末级放大部分。
UHF读写器射频原理结构如图2.4所示。
图2.4 UHF读写器射频原理结构图
2.2 阅读器与标签之间的数据处理过程
系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码后送到后台主系统进行相关处理。
阅读器通过接收标签发出的无线电波接收读取数据。最常见的是被动射频系统，当解读器遇到RFID标签时，发出电磁波，周围形成电磁场，标签从电磁场中获得能量激活标签中的微芯片电路，芯片转换电磁波，然后发送给解读器，解读器把它转换成相关数据。控制计算器就可以处理这些数据从而进行管理控制。在主动射频系统中，标签中装有电池，能在有效范围内主动发出电磁波。
阅读器与标签之间的电磁耦合方式如图2.5所示。
图2.5 阅读器与标签之间的电磁耦合方式
发射磁场的一小部分磁力线穿过距读写器天线线圈一定距离的应答器天线线圈，通过感应在应答器天线线圈上产生一个电压，将其整流后可作为数据载体的能量来源。阅读器天线线圈和电容Cr以及应答器天线线圈和电容C1分别构成振荡回路，如果两者谐振，则应答器线圈两端的电压达到最大，同时应答器天线上负载的通断促使读写器天线上的电压产生变化，实现远距离应答器对天线电压的ASK调制，从而将应答器数据传输到读写器。同样的方法可以实现读写器到应答器数据的传输。
阅读器与标签之间的电磁反向散射耦合方式如图2.6所示：
图2.6 阅读器与标签之间的电磁反向散射耦合方式
由于电磁波能够被超过波长一半大小的物体反射，因此这些短波范围内的RFID系统均采用反向散射技术。读写器发射天线的功率P1经过一部分自由衰减到达应答器，到达应答器的功率P1’一部分被天线吸收，作为应答器的能量供应，另一部分被应答器天线反射，返回的功率为P2。天线的反射性能会受到连接到天线的负载变化的影响。只要与天线并联的附加负载电阻RL的通断与要传输的数据流一致，就可实现应答器反射功率P2的ASK调制。