讀寫器

讀寫器即射頻標籤讀寫設備，是射頻識別系統的兩個重要組成部分（標籤與讀寫器）之一。射頻標籤讀寫設備根據具體實現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），攜帶型讀出器（Portable Readout Device），AEI設備（ Automatic Equipment Identification Device）等。通常情況下，射頻標籤讀寫設備應根據射頻標籤的讀寫要求以及應用需求情況來設計。隨著射頻識別技術的發展，射頻標籤讀寫設備也形成了一些典型的系統實現模式，本章的重點也在於介紹這種讀寫器的實現原理。從最基本的原理角度出發，射頻標籤讀寫設備一般均遵循如圖所示的基本模式。

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實現與電子標籤的通訊：最常見的就是對標籤進行讀數，這項功能需要有一個可靠的軟體演演算法確保安全性、可靠性等。除了進行讀數以外，有時還需要對標籤進行寫入，這樣就可以對標籤批量生產，由用戶按照自己需要對標籤進行寫入。

②給標籤供能：在標籤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籤；閱讀器射頻場所能達到的範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應用要求來考慮的，而輸出功率在不同國家和地區，都有不同的規定。

③實現與計算機網路的通訊：這一功能也很重要，讀寫器能夠利用一些介面實現與上位機的通訊，並能夠給上位機提供一些必要的信息。

④實現多標籤識別：讀寫器能夠正確的識別其工作範圍內的多個標籤。

⑤實現移動目標識別：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實現錯誤信息提示：對於在識別過程中產生的一些錯誤，讀寫器可以發出一些提示。

⑦對於有源標籤，讀寫器能夠讀出有源標籤的電池信息：如電池的總電量、剩餘電量等。

典型的讀寫器終端一般由天線、射頻介面模塊和邏輯控制模塊三部分構成，其結構圖如下所示：

讀寫器的天線是發射和接收射頻載波信號的設備，它主要負責將讀寫器中的電流信號轉換成射頻載波信號併發送給電子標籤，或者接收標籤發送過來的射頻載波信號並將其轉化為電流信號，讀寫器的天線可以外置也可以內置，天線的設計對閱讀器的工作性能來說非常重要，對於無源標籤來說，它的工作能量全部由閱讀器的天線提供。

讀寫器的射頻介面模塊主要包括發射器、射頻接收器、時鐘發生器和電壓調節器等。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鍵部位，主要負責射頻信號的發射及接收。其中的調製電路負責將需要發送給電子標籤的信號加以調製，然後再發送；解調電路負責將解調標籤送過來的信號並進行放大；時鐘發生器負責產生系統的正常工作時鐘。

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出指令，射頻介面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、存儲單元和應用介面驅動電路等。微控制器可以完成信號的編解碼、數據的加解密以及執行防碰撞演演算法；存儲單元負責存儲一些程序和數據；應用介面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射和接收兩部分。讀寫器的發射電路部分主要由混頻器(Mixer)、數模轉換器(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)。·發射部分的工作過程如下：

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

（2）功率分配器把要發射的信號分成兩部分，一部分發送到接收電路，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，然後經過可變增益放大器（VGA）和射頻濾波器以後，傳至功率放大器；

（4）閱讀器根據實際情況，自動調節發射信號的增益，然後經過射頻功率放大器進行放大，最後再經過環行器傳送到閱讀器天線準備發射。這裡環行器的作用就是將閱讀器天線接收到的信號與發送的信號隔離開來，避免出現同頻干擾。

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

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

（2）自發射線路的未調製載波作為接收線路的本振信號產生兩路參考信號，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，然後分別經過各自的運算放大器和低通濾波器以後，返回到閱讀器的信號處理單元進行相關處理。

一般讀寫器的I/O介面形式主要有：

①RS-232串列介面：計算機普遍適用的標準串列介面，能夠進行雙向的數據信息傳遞。它的優勢在於通用、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串列介面：也是一類標準串列通信介面，數據傳遞運用差分模式，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乙太網介面：閱讀器可以通過該介面直接進入網路。

④USB介面：也是一類標準串列通信介面，傳輸距離較短，傳輸速度較高。

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

在一般情況下，電子標籤處於等待或休眠狀態，當電子標籤進入讀寫器的作用範圍被激活以後，便從休眠狀態轉為接收狀態，接受讀寫器發出的命令，進行相應的處理，並將結果返回給讀寫器。

這類只有接收到讀寫器特殊命令才發送數據的電子標籤被稱為RTF方式；

與此相反，進入讀寫器的能量場即主動發送數據的電子標籤被稱為TTF方式。

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。

讀寫器從介面上來看主要有：串口讀寫器、並口讀寫器、USB讀寫器、PCMCIA卡讀寫器和IEEE 1394讀寫器。前兩種讀寫器由於介面速度慢或者安裝不方便已經基本被淘汰了，USB讀寫器是目前市場上最流行的讀寫器。

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。

通過空間通道實現讀寫器向射頻標籤發送命令

讀寫設備與射頻標籤之間必然通過空間通道實現讀寫器向射頻標籤發送命令，射頻標籤接收讀寫器的命令后做出必要的響應，由此實現射頻識別。此外，在射頻識別應用系統中，一般情況下，通過讀寫器實現的對射頻標籤數據的無接觸收集或讀寫器向射頻標籤中寫入的標籤信息均要回送到應用系統中或來自應用系統，這就形成了射頻標籤讀寫設備與應用系統程序之間的介面API（Application Program Interface）。

一般情況下，要求讀寫器能夠接收來自應用系統的命令，並且根據應用系統的命令或約定的協議作出相應的響應（回送收集到的標籤數據等）。

射頻模塊（射頻通道）與基帶模塊

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

射頻模塊實現的任務主要有兩項，第一項是實現將讀寫器欲發往射頻標籤的命令調製（裝載）到射頻信號（也稱為讀寫器/射頻標籤的射頻工作頻率）上，經由發射天線發送出去。發送出去的射頻信號（可能包含有傳向標籤的命令信息）經過空間傳送（照射）到射頻標籤上，射頻標籤對照射其上的射頻信號作出響應，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即是實現將射頻標籤反射回讀寫器的回波信號進行必要的加工處理，並從中解調（卸載）提取出射頻標籤回送的數據。

基帶模塊實現的任務也包含兩項，第一項是將讀寫器智能單元（通常為計算機單元CPU或MPU）發出的命令加工（編碼）為便於調製（裝載）到射頻信號上的編碼調製信號。第二項任務即是對經過射頻模塊解調處理的標籤的回送數據信號進行必要的處理（包含解碼），並將處理后的結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，從實現角度來說，通常採用嵌入式MPU，並通過編製相應的MPU控制程序對收發信號實現智能處理以及與應用程序之間的介面API。射頻模塊與基帶模塊的介面為調製（裝載）/解調（卸載），在系統實現中，通常射頻模塊包括調製/解調部分，並且也包括解調之後對回波信號的必要加工處理（如放大、整形）等。射頻模塊的收發分離是採用單天線系統時射頻模塊必須處理好的一個關鍵問題

從信息傳遞的基本原理來說，射頻識別技術在低頻段基於變壓器耦合模型(初級與次級之間的能量及信號傳遞)，在高頻段基於雷達探測目標的空間耦合模型 (雷達發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·斯托克曼發表的“利用反射功率的通信”奠定了射頻識別射頻識別技術的理論基礎。

射頻識別技術的發展可按十年期劃分如下：

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

1950-1960年：早期射頻識別技術的探索階段，主要處於實驗室實驗研究。

1960-1970年：射頻識別技術的理論得到了發展，開始了一些應用嘗試。

1970-1980年：射頻識別技術與產品研發處於一個大發展時期，各種射頻識別技術測試得到加速。出現了一些最早的射頻識別應用。

1980-1990年：射頻識別技術及產品進入商業應用階段，各種規模應用開始出現。

1990-2000年：射頻識別技術標準化問題日趨得到重視，射頻識別產品得到廣泛採用，射頻識別產品逐漸成為人們生活中的一部分。

2000年後：標準化問題日趨為人們所重視，射頻識別產品種類更加豐富，有源電子標籤、無源電子標籤及半無源電子標籤均得到發展，電子標籤成本不斷降低，規模應用行業擴大。

至今，射頻識別技術的理論得到豐富和完善。單晶元電子標籤、多電子標籤識讀、無線可讀可寫、無源電子標籤的遠距離識別、適應高速移動物體的射頻識別技術與產品正在成為現實並走嚮應用。

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問題時產生的從系統的角度來解決物品自動識別問題的靈感，由此導致了供應鏈中物品自動識別概念的一次革命，並最終在1999年10月1日正式創建Auto-ID Center這一非盈利性的開發組織。Auto-ID Center誕生后，迅速提出了產品電子代碼EPC(Electronic Product Code)的概念以及物聯網的概念與構架，並積極推進有關概念的基礎研究與實驗工作。可以說，EPC與物聯網的概念將射頻識別技術的應用推到了極致，對射頻識別技術的發展與應用的推廣起到了極大的推動作用。

射頻識別技術的發展，一方面受到應用需求的驅動，另一方面射頻識別技術的成功應用反過來又將極大地促進應用需求的擴展。從技術角度說，射頻識別技術的發展體現在若干關鍵技術的突破。從應用角度來說，射頻識別技術的發展目的在於不斷滿足日益增漲的應用需求。

射頻識別技術的發展得益於多項技術的綜合發展。所涉及的關鍵技術大致包括：晶元技術、天線技術、無線收發技術、數據變換與編碼技術、電磁傳播特性。

隨著技術的不斷進步，射頻識別產品的種類將越來越豐富，應用也越來越廣泛。可以預計，在未來的幾年中，射頻識別技術將持續保持高速發展的勢頭。射頻識別技術的發展將會在電子標籤(射頻標籤)、閱讀器、系統種類等方面取得新進展。

在電子標籤方面，電子標籤晶元所需的功耗更低，技術更趨成熟。其作用距離將更遠，無線可讀寫性能也將更加完善，並且能夠適合高速移動物品識別，識別速度也將更加快，具有快速多標籤讀寫功能。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、無線數據傳輸、離線工作等功能將被更多的應用。同時，多種數據介面包括RS232，RS422/485，USB，紅外，乙太網口也將得到應用。而讀寫器將實現多制式多頻段兼容，能夠兼容讀寫多種標籤類型和多個頻段標籤。讀寫器會朝著小型化、攜帶型、嵌入式、模塊化方向發展，成本將更加低廉，應用範圍更加廣泛。在系統方面，低頻近距離系統將具有更高的智能、安全特性；高頻遠距離系統性能將更加完善，成本更低。而2.45GHz和5.8GHz系統將更加完善。同時，無晶元系統將逐漸得到應用。

總而言之，射頻識別技術未來的發展中，在結合其它高新技術，比如GPS、生物識別等技術，由單一識別向多功能識別方向發展的同時，將結合現代通信及計算機技術，實現跨地區、跨行業應用。