Key Laboratory of Animal Nutrition And Feed Science

of Yunnan Province

可溯源系统标识件的设计

报告人：赵金燕

云南省动物营养与饲料重点实验室

一、 RFID技术介绍 无线射频识别技术（ Radio Frequency

Identification ，简称 RFID ）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，操作快捷方便。因此，“ RFID 技术”已经成为 21 世纪全球自动识别技术发展的主要方向。

RFID 系统组成 应用 RFID 技术组成的自动识别系统称为 RFID 系

统。 RFID 系统主要由三部分组成： （ 1 ）、电子标签 (Tag) ：由 IC 芯片及一些耦合元

件组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。

（ 2 ）、阅读器（ Reader ，也叫读写器）：读取电子标签信息的设备。许多阅读器还带有附加的接口 RS232 或 RS485 等与外部计算机 ( 上位机主系统 ) 连接，进行数据交换。

（ 3 ）、计算机：进行数据管理。

RFID系统工作原理框图如下：

RFID 系统的工作原理 阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，

当电子标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，电子标签获得能量被激活；电子标签将自身唯一识别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电子标签发送来的载波信号，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，然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。

电子标签的分类 电子标签（ Tag ）是射频识别系统真正的数据

载体， Tag 具有智能读写和加密通讯的功能，它的基本构成是由 IC 芯片和一些外围元件组成。

依据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分为有源卡 (Active tag) 和无源卡 (Passive tag) ，有源卡内装有电池，无源卡内没有装电池。按照能量供给方式， RFID 系统分为有源系统与无源系统；按照工作频率， RFID 系统有低频、中频、高频、超高频、微波射频等几种。

RFID 技术的优势 快速扫描（读写器可同时读取多个标签） 体积小、形状多样化 抗污染能力和耐久性（防水、防磁、耐高温

等） 可重复使用 穿透性和无屏障阅读（读取距离大） 数据的记忆容量大、存储信息可更改安全性（标签上的数据可以加密）

基于 RFID 技术的食品安全可溯源系统 RFID 技术在动物食品安全可溯源系统的应用，不仅包括对动物从出生到进入屠宰场整个饲养过程（饲养管理、兽医预防、疾病治疗、饲料使用）的记录与监控，还包括畜产品进入消费市场（超市等）后，消费者可通过每一只动物的唯一识别码，查询该产品的整个饲养过程。该系统从生产到销售的各个环节追踪检查动物产品，有利于监测任何对人类健康和环境的影响。一旦发生不良影响可以将产品迅速撤出市场，而且可在危险发生前采取应对措施，达到预防预警效果。

二、可溯源系统标识件的设计

1 、芯片的功能和原理框图

2 、芯片的外围电路原理图

3 、 PCB 电路图的可靠性设计

可溯源系统标识件的设计 标识件的设计是可溯源系统的硬件基础和关键问题之一。可溯源系统的标识件包括电子标签、读写器两部分。

RFID 系统根据使用工作频率的不同，主要分为四类：低频（ 30—300kHz ）、高频（ 3—30MHz ）、超高频（ 300MHz—3 GHZ ）以及微波（ 2.45 GHZ 以上）。

通过不同频段 RFID 系统的优缺点的分析，再根据本课题要求，能在 50米内自动监测动物个体，并且自动更新数据，通信速率要求快，我们选用2.45 GHZ 的微波频段。

工作频段 优点 缺点低频 技术简单、无频率限制

受环境影响较小通信速率低、工作距离短（小

于 10cm）、天线尺寸大高频 与低频相比有较高的通信速

率和较长的工作距离距离不够远（最大 75 cm）天线尺寸大，受金属材料影响较大

超高频 工作距离长（大于 1m）、天线尺寸小、可绕开障碍物，无须视线接触，可定向识别

各国都有不同的频段管制，对人体有伤害，发射功率受限制，受某些材料影响较大

微波 除具有超高频标签的优点外，还具有更高的带宽和通信速率，更长的工作距离和更小的天线尺寸

共享此频段产品多，易受干扰，技术复杂，对人体有伤害，发射功率受限制，受某些材料影响较大

不同频段 RFID系统的优缺点：

根据本课题要求，我们选用的芯片必须具备下列功能： 工作在工业、科学和医疗（ ISM ）频段，设计标准频段为 2.4GHz ，采用嵌入式 MCU ，其闪存存储量可为 8/16/32KB ，随机存储器存储量可为 1/2/4KB 。具有集成索相环（ PLL ）、功率放大器（ PA ）、低噪声放大器（ LNA ）、调制解调器（ MODEM ）等功能。采用 QLP封装，体积较小。并支持流行的跳频技术，以及各种调制方式，能够使数据传输率达到500Kbps 。

1 、芯片的功能

芯片无线射频部分原理框图

芯片的无线射频收发原理

把接收到的 RF 信号通过低噪声放大器和积分转换，输入到混频器中，再经过频率合成器（包括集成的 LC振荡器和 90度的相位转换），以及自动增益控制（ AGC ），调制解调和同步信号校准（ FEC ）、信息包处理，然后通过嵌入式的微控制单元（ MCU ），进行处理之后送入 RX/TX 中。

2 、结合芯片特性和课题需要，芯片的外围电路图为

芯片外围电路图的简单说明 C232 、 C242 、 L231 和 L241共同组成不平衡变压器，用于芯片不同 RF端口转换成单个 RF 信号，再通过一个 LC滤波器的作用，和天线达到最佳的阻抗匹配。偏置电阻 R271 用于设置一个精确的偏置电流；退藕电容 C301 用于提供 PCB板精确的功率供给； C171 、 C181 和 C201 、 C211 分别为晶体 X2 和 X1 的负载电容。

因为该芯片具有接收和发送两种功能，所以它既可以做电子标签使用，也可以做读写器主芯片使用，读写器的应用电路图略。

3 、 PCB 电路图的可靠性设计实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板

设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声。

因此，在设计印制电路板的时候，应注意以下方面 :（ 1 ）、地线设计（ 2 ）、去耦电容配置 （ 3 ）、电磁兼容性设计

地 线 设 计在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。如能

将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分的干扰问题。

电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等几种。

地线设计中应注意以下几点：正确选择单点接地与多点接地；将数字电路与模拟电路分开；尽量加粗接地线（接地线的宽度应大于 3mm ）；将接地线构成闭合环路。

去耦电容配置在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制 PCB板可靠性设计的一种常规做法。

电磁兼容性设计 电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。

为了避免高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射，在印制电路板布线时，应注意以下几点：

尽量减少印制导线的不连续性，例如导线宽度不要突变，导线的拐角应大于 90度（一般选择 135度或圆角），禁止环状走线等。

时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰，走线时尽量与地线回路相靠近。

数据总线的布线应每两根信号线之间夹一根信号地线。最好是紧紧挨着最不重要的地址引线放置地回路，因为后者常载有高频电流。

在双面、多面印制板中，上下两层信号线的走线方向要尽量相互垂直或斜交叉，尽量避免平行走线，减少寄生耦合的产生。

静电放电可通过直接传导、电容耦合和电感耦合三种方式进入电子线路中。直接对电路的静电放电经常会引起电路的损坏，对邻近物体的放电通过电容或电感耦合，会影响到电路工作的稳定性。

静电防护的措施有很多，例如建立完善的屏蔽结构，带有接地的金属屏蔽壳体可将放电电流释放到地。或者在 PCB板入口处增加保护环（环与接地端相连）。

三、结 论 上述设计方法使用目前流行的电路设计软件，通过

自行设计 RFID 系统的电子标签（读写器）电路原理图和 PCB 电路图。并使用 SMT 的加工设备，制作出相应的 PCB板，在 PCB板上安装相应外设元件，并进行相关参数的测试和设计的修改校验，最终制作出符合课题要求的样机。已传统的电路设计方法相比，该方法设计的电路可移植性高，采用大量的 SMD 元件，可使电子标签（读写器）的体积减小，硬件的稳定性也得到提高。

结 论

通过自行设计制作样机的整个过程，掌握了电子标签（读写器）制作的相关硬件技术，从而从根本上解决电子标签（读写器）成本过高的问题，推动动物食品安全可溯源系统的全面实施。

感谢各位专家！

请各位专家批评指正！