基于RFID的电子标签设计与制作

  RFID（Radio Frequency Identification）是一种无线通信技术，它通过利用无线电波实现对特定目标的自动识别和数据交换，而无需相互接触。其基本原理可以分为三个部分：标签、阅读器和中间件[1][2]，如图1所示。    ① 标签：RFID标签是嵌入或附着在目标物体上的微型电子设备，它包含一个唯一的标识符（UID）和一个无线天线，用于接收和发送信号。标签可以分为无源标签和有源标签两种类型，无源标签仅能反射返回的信号，而有源标签则可以主动发送信号。    ② 阅读器：RFID阅读器是一种可以发送和接收无线电波信号的设备，它可以激活电子标签并读取或写入其中的数据。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。在读取标签信息时，阅读器会发射一束无线电波能量，这些能量会被标签反射或吸收，并被阅读器接收和解读。    ③ 中间件：中间件是一种软件系统，它可以连接阅读器和后端应用程序，实现数据的采集、过滤、整合和传递。中间件可以与阅读器进行通信，将读取到的数据传输到后端系统中进行处理和应用。

  设计一款校园卡外形的RFID电子标签，标签表面焊接有LED灯，可以直观地通过LED灯的亮灭来判断RFID电子标签的识别情况。同时，还通过编程RFID芯片，在前端执行自动化指令。

  恩智浦的NTAG系列连接型RFID标签为许多电子设备增加了即触即连的功能。NT3H1101 NFC芯片作为恩智浦NTAG系列的第一款产品，是本设计的核心部件。考虑到应用需求、成本和板面布局，选用NXP公司NTAG系列 NT3H1101W0FHKH NFC芯片作为卡片交互核心。芯片采用XQFN-8封装，十分小巧。    NT3H1101芯片与微控制器遵循IIC通信协议，RFID协议为2型NFC通信标准。如图2所示，芯片通过PCB上射频天线从接触的有源RFID设备上获取能量，并完成数据交互。交互的数据被写入片上EEPROM用以掉电后的再次读写。另一边，RFID标签经过芯片转换电磁波获得的能量被供给到外部设备，同时芯片通过IIC与板载外部设备（微控制器）通信。可以看出，NTAG芯片在过程中起到了触碰信息转移和触碰能量传递的中间介质。    在本设计中，由于电子标签无需实现外部控制，所以信息的传递主要存在于NT3H1101芯片和触碰设备之间。芯片获得的能量被传递给LED灯，用于点亮灯珠显示。

  射频天线是电子标签通电和通讯的关键，设计电子标签一般需要以下步骤[3]，如图3所示。

  天线可以用电感LA来描述，电感LA具有非常小的损耗电阻RA。当环形天线感应到磁场时，其中会感应出电流，并且其端子处出现开路电压VOC。RFID芯片可以用输入电阻RS和内置调谐电容CS来描述。输入电阻RS、天线电阻RA和内置调谐电容CS一起与天线的电感LA形成串联谐振电路，如图4所示。

  串联RLC电路的谐振频率由下式给出：

  已知NT3H1101芯片采用NFC通信标准，该标准规定的工作频率为13,56 MHz，而NT3H1101调谐电容为50 pF，则计算电感值为：

  在PCB上设计具有特定电感的环形天线是可能的，天线可以采用各种形状，如：矩形、方形、圆形等，但必须遵守几何约束，因为在高频环境下，天线需要考虑阻抗匹配问题，这关系到设备的通信质量和性能。 天线阻抗包括电阻和电抗两个组成部分，因此，要实现阻抗匹配，需要同时考虑这两个部分。具体来说，需要使电阻相等，电抗部分的大小也相等但符号相反，以达到共轭匹配。实现天线的阻抗匹配有多种方法，其中常见的一种是使用阻抗匹配网络，该网络包括电阻、电容和电感等元件。对于每种形状，通过阻抗匹配对应一个特定的公式，该公式根据尺寸、匝数、轨道宽度、铺铜厚度等给出等效电感值。   由于我设计的电子标签是校园卡外形，所以选择与之外形匹配的矩形天线，其几何形状如图5所示：   通过查阅NXP官方天线设计指南，对于此特定几何形状，天线等效电感LA由下式给出： 其中：a0和b0是天线的整体尺寸    aavg和bavg是天线的平均尺寸     t是天线铺铜厚度     w是矩形天线宽度     g是内外矩形天线间隙宽度     Nant是天线匝数     d是天线的等效直径   此外，NXP官方天线设计指南还提供了完整的解决方案，包括天线设计的参考。虽然可以通过上述公式计算出板载天线的尺寸，但在本次设计中，考虑到设计效率和卡片空间的充分利用，直接选择了天线设计指南中的“4型”天线设计方案[5]，该方案旨在提供最佳的天线性能和尺寸，适用于各种电子标签和读卡器应用场景。   再完善NTAG芯片及外围电路设计后，电子标签整体电路图如图6所示：

  编程需要的工具是一部带NFC的手机和一个可以使用NFC读取和写入标签的应用程序，在NFC应用程序中，选择要读取或写入的RFID电子标签的类型和扇区。扇区是RFID电子标签的存储单元，每个扇区包含若干个块，每个块包含若干个字节。通过在手机端读取并改写RFID不同扇区的存储信息，完成数据的接受与发送。

  将RFID电子标签贴近阅读器，阅读器可以是带NFC功能的手机或者门禁系统，RFID电子标签上的指示灯亮起，并传递相应信息给阅读器，如图7：    此外还可以配合相应APP完成各种有趣的功能，比如：通过NFC自动打开音乐、展示个人信息等。

  考虑到NT3H1101芯片单片售价4块多，与传统IC卡相比不具有性价比，因此仿照以上步骤，采用国产复旦M1-UCID芯片，单价仅0.8块，也能够完成上述电子标签的全部功能，效果展示如图8：