可溯源系统标识件的设计

1. 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

2. 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。

3. 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。

4. RFID系统工作原理框图如下：

5. 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。

6. 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。

7. 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）

8. 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。

9. 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

10. 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。

11. 不同频段RFID系统的优缺点：

12. 1、芯片的功能 • 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。

13. 芯片无线射频部分原理框图

14. 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。

15. 2、结合芯片特性和课题需要，芯片的外围电路图为

16. 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。

17. 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

18. 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。

19. 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。

20. 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：

21. 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。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。

22. 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）。

23. 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。

24. 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。

25. 感谢各位专家！请各位专家批评指正！