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1、121 国外相关研究状况 RFID迅速发展的推动因素主要有两个。第一是RFID芯片的生产开始形成规模，产品成本大幅下降。在不久的将来一个包括RFID芯片的电子标签极端最低成本可以达到12美分，甚至更低。第二，大宗零售业开始接受和应用RFID技术，RFID正不断赢得众多大型用户的注意。目前国际市场的需求主要来自于零售商。RFID的迅速发展，使得其标准的制定也日臻完善。目前国际上比较完善的RFID标准有三个：ISO、欧美的EPC global以及日本的Ubiquitous ID Center。而这三个组织对RFID技术应用规范都有各自的目标与发展规划。ISO 14443和ISO 15693标准在1
2、995年开始操作，其完成则是在2000年之后，二者皆以13.56MHz交变信号为载波频率。ISO 15693读写距离较远，而ISO 14443读写距离稍近，但应用较广泛。美国运通卡（American Express）、万事达卡（Master Card）和维萨卡（Visa）公司在无线交易时均已采用了ISO 14443标准。反碰撞算法技术是RFID的核心技术之一，这也是和接触式IC卡的主要区别。基于标准中对防碰撞算法的规定，目前存在的防碰撞算法大致可分为三种：空分多路法（SDMA），是在分离的空间范围内进行多目标识别的技术；频分多路法（FDMA），是把多个不同载波频率作为多个传输通路供多个标签使用
3、的技术；时分多路法（TDMA），把整个可供使用的通路容量按时间分片分配给多个用户。ISO 14443和ISO 15693标准对防碰撞机制做出了规定。ISO 15693采用轮寻机制、分时查询的方式完成防冲撞机制。随后推出的ISO 14443标准解决了ISO 15693标准的数据传输速度慢，无法处理大量加密数据的缺点，并在 ISO 14443-3分别规定了TYPE A和TYPE B的防冲撞机制。二者防冲撞机制的原理不同，前者是基于位碰撞检测协议，而TYPE B利用通信系列命令序列完成防冲撞。其中A型卡的反碰撞机理如下：当一个A型卡到达了读写器的作用范围内，并且有足够的供应电能，卡就开始执行一些预置
4、的程序后，智能卡进入闲置状态。处于“闲置状态”的智能卡不能对读写器传输给其它智能卡的数据起响应。智能卡在“闲置状态”接收到有效的REQA命令，则回送对请求的应答字ATQA。当智能卡对REQA命令作了应答后，智能卡处于READY状态。读写器识别出：在作用范围内至少有一张智能卡存在。通过发送SELECT命令启动“二进制检索树”防碰撞算法，选出一张智能卡，对其进行操作。动态ALOHA算法是一种轮寻机制的算法。根据碰撞问题本身的数学特性而采用的一种RFID的防碰撞算法。它既没有检测机制也没有恢复机制，只是通过某种数据编码检测冲突的存在，动态地调整个读写器的报警时间（读取时间），从而达到将数据帧接收错误
5、率降低到所要求的程度，并同时对标签的数据吞吐率没有损失。使用这种方法，应答器和读写器都只要分别有传输和接收装置就可以了，可大大降低成本。这种方法适用于只读标签中，这类应答器通常只有一些数据（序列号）传输给读写器，并且是周期地循环地将这些数据发给读写器的，它适用的场合有：超市对货物的管理、图书馆对图书的管理、动物园对动物的监控等数据交换量不大、带宽要求比较低的场合。现在已有的反碰撞算法有随机问询的ALOHA算法、分隙ALOHA算法，信息的最佳利用率分别为l84、368，但随着标签数量的扩大，性能将急剧恶化。122 我国相关的研究状况2004年1月我国宣布成立跨部门小组研发RFID技术，以便在这项
6、新兴技术上取得领先优势。在我国常用的RFID国际标准主要有用于动物识别的ISO 11784和ISO 11785，用于非接触智能卡的ISO 10536（Close coupled cards）、ISO 15693（Vicinity cards）和ISO 14443（Pronimity cards），用于集装箱识别的ISO 10374等。1996年佛山市政府安装了RFID系统用于自动收取路桥费，明显地提高车辆通过率，缓解公路瓶颈。车辆可以在250公里的时速下用少于0.5毫秒的时间被识别，并且正确率达99.95%。上海也安装了基于RFID技术的自动收缴养路费系统。广州也已经在开放的高速公路上用RFI
7、D系统对高速行驶的车辆进行自动收费。从2005年我国开始更新使用非接触式的IC卡公民身份证，这将为我国RFID产业带来一个巨大的潜在市场，积极地推动我国相关技术的发展。第二代电子身份证采用的标准是ISO 14443 TYPE B协议。ISO 14443定义了TYPE A、TYPE B两种类型协议，通信速率为106kbit/s，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。TYPE A采用开关键控（On-Off keying）的曼彻斯特编码，TYPE B采用NRZ-L的BPSK编码。TYPE B与TYPE A相比，具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力列强的优点。防冲撞机制使得同时处于读写区
8、内的多张卡的正确操作成为可能，大大提高了操作速度。作为RFID系统关键的反碰撞算法，我国也已经有很多学者进行了相关的研究。发表了很多有关反碰撞算法的学术论文，对一些系统反碰撞算法作了原理阐述并完成了算法的实现。例如ALOHA随机推迟系统反碰撞算法、符合ISO 14443 TYPE A标准的二进制树形搜索算法等。13 论文研究内容及结构安排本论文着重研究了RFID系统的反碰撞算法，介绍一种快速高效的RFID系统反碰撞算法跳跃式二进制树形算法，并利用Verilog HDL语言对算法进行了设计同时利用FPGA器件进行了计算机仿真。在第一章中，主要介绍了课题的研究背景和研究意义，并介绍了国内外相关的研
9、究现状。作为基础知识准备，本文在第二章首先介绍了一些相关的基础知识，其中包括：RFID系统的结构与工作原理，跳跃式二进制树形反碰撞算法原理阐述，以及FPGA的相关基础知识等。同时在第二章中详细介绍了RFID系统反碰撞算法的实现，包括：RFID系统反碰撞算法总体设计方案；RFID标签Verilog HDL模型的建立；RFID读写器Manchester解码及碰撞位判断模型的建立；树形节点信息处理与LIFO栈模型；反碰撞算法状态机的实现。在第三章中对反碰撞算法进行了系统的仿真并对仿真结果进行了详细分析，同时给出该算法的主要性能指标。在仿真的过程中采用先分立后综合的方式，先对各个分立的模块进行仿真，最
10、后将各个模块组合起来进行综合仿真，然后根据得到的仿真数据直观地反映算法的各项性能参数。具体内容包括：标签的仿真结果及其分析；读写器Manchester解码及碰撞位判断的仿真结果及分析；用于存储树形节点信息的LIFO栈仿真结果及分析；RFID系统反碰撞算法的综合仿真结果；RFID系统反碰撞算法的性能分析。 最后在第四章对本文进行了总结。2 RFID系统防碰撞算法设计21 RFID系统与反碰撞算法211 RFID的系统结构与工作原理无线射频识别系统RFID（Radio Frequency Identification System），一般由RFID标签、RFID读写器以及计算机系统组成，如图1所示
11、。系统基本工作原理如下：RFID标签进入磁场，接收RFID读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签）或者主动发送某一频率的信号（有源标签），RFID读写器读取信息后，解码，送至计算机系统对有关数据进行处理。图1 RFID的基本结构组成下面对RFID的系统结构以及工作原理做较详细的说明。1、RFID系统基本结构（1）RFID标签RFID标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有惟一的电子编码，附着在物体目标对象上。电子标签像纸一样薄, 柔韧可弯曲并可编程，射频标签内编写的程序可按特殊的应用进行随时读取和改写。射频标签也可编入相应人员的一些数据信息，这些人员
12、的数据信息可依据需要进行分类管理，并可随不同的需要制作新卡，射频标签中的内容被改写的同时也可以被永久锁死保护起来。通常标签芯片体积很小，厚度一般不超过0.35mm，可以印制在纸张、塑料、木材、玻璃、纺织品等包装材料上，也可以直接制作在商品标签上，通过自动贴标签机进行自动贴标。 从能量方面来看，标签可以分为两种：无源标签和有源标签。无源标签自身不带有电源，当读取装置对标签进行读取时，所发射出的无线电接触到RFID标签的天线后产生电量。它的重量轻、体积小，寿命可以很长，但是发射距离受限。有源标签使用卡内的电池能量，识别的距离长，但是它的价格较高且寿命短。 从功能方面来看，可将RFID标签分为四种：
13、只读标签、可重写标签、带微处理器标签和配有传感器的标签。只读型标签的结构功能最简单，包含的信息较少并且不能被更改；可重写型标签集成了容量为几十字节到几万个字节的闪存，标签内的信息能被更改或重写，只读型和可重写型标签都主要应用于物流系统以及生产过程管理系统和行李控制系统中；带微处理器标签依靠内置式只读存储器中储存的操作系统和程序来工作，出于安全的目的，许多标签都同时具备加密电路，现在这类标签主要应用于非接触型IC卡上，既用于电子结算、出入管理，也可用作会员卡；有些RFID标签集成了传感器，包括温度传感器或压力传感器等，目前这类标签主要用于动物个体识别和轮胎管理上。按调制方式来分，电子标签还可分为
14、主动式标签和被动式标签。主动式标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器，主要用于有障碍物的应用中；被动式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，在门禁或交通的应用中较适宜。（2）RFID读写器读写器是负责读取或写入标签信息的设备，读写器可以是单独的整体，也可以作为部件的形式嵌入到其他系统中去。它可以单独具有读写、显示、数据处理等功能，也可与计算机或其他系统进行联合，完成对射频标签的操作。读写器由两个基本的功能块组成：控制系统和由发送器及接收器组成的高频接口。读写器高频接口的功能包括：产生高频的发射功率，为启动电子标签提供能量；对发射信号进行调制将数据传送给电子标
15、签；接收并解调来自电子标签的高频信号。读写器控制单元的功能包括：与应用软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与电子标签的通信过程；信号的编码与解码。在一些复杂的系统中，控制单元还要执行反碰撞算法，同时对电子标签与读写器之间要传送的数据进行加密和解密，并且进行电子标签和读写器之间的身份验证。读写器可将主机的读写命令传到电子标签，再把从主机发往电子标签的数据加密，将电子标签返回的数据解密后送到主机。读写器将要发送的信号，经编码后加载在特定频率的载波信号上经天线向外发送，进入读写器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，然后标签内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码
16、、权限等进行判断。若为读取命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码后经标签内的天线发送给读写器，读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至计算机处理;若是修改信息的写入命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，对标签中的内容进行改写。（3）计算机信息系统计算机信息系统主要完成数据信息的存储及管理、对卡进行读写控制，数据管理系统可以是市面上现有的各种大小不一的数据库或供应链系统，用户还能够买到面向特定行业的高度专业化的库存数据库，或者把RFID系统当成整个企业ERP的一部分。如果应用情况比较特殊，甚至可以自己动手编写数据库应用软件，采用PC机或者是终端机来完成。2、RFID系统工作原理绝大多数射频识别系统是按电感耦合的原理工作的，读写器在数据管理系统的控制下发送出一定频率的射频信号，当电子标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量
