射频识别技术漫谈

1射频识别技术漫谈(1)——概念、分类现代社会智能卡已经渗透到生活的方方面面，公交卡、考勤卡、身份证、手机卡等等数不胜数。智能卡按使用时是否和读卡器接触可分为接触式智能卡和非接触式智能卡，接触式智能卡上有6-8个触点，使用时插在卡座上，典型的如手机卡以及以前的公用电话卡。非接触式智能卡没有触点，卡上也没有电源，通过读卡器产生的电磁场获得能量并与读写器交换信息。由于非接触式智能卡的无源和免接触特性，卡的使用寿命和安全性大大提高，目前应用越来越广泛。根据安全等级，智能卡可分为存储器卡、逻辑加密卡和CPU卡。存储器卡就像一个无人看守且大门敞开的仓库，什么人都可以随便在卡中存取数据；逻辑加密卡则给仓库加了一把锁，只有有钥匙（密码）的人才能打开使用。CPU卡则如同安排了专人看守仓库，卡里面有CPU芯片，存储数据要验证口令，且可能不同的应用有不同口令，存取数据受到更加严格的控制，安全性最高。非接触式IC卡通过磁场从读写器获得能量并交换数据。这里的磁场通常称为射频场（RadioFrequencyField），所以这种卡片也通常称为射频卡，这种技术称为射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术。不管叫什么名字，其实质都是一样的，都是无线电通讯,本质上与广播、电视、手机通讯并无区别。无线电通讯中很少有直接发射有用信号的，通常使用调制解调技术，将有用信号调制在某一频率的载波上，接收方收到调制信号后解调得到有用信号。非接触式IC卡的常用载波频率有125KHz、134.2KHz、13.56MHz、2.45GHz等，通常载波频率越高，数据的传送速率越高，技术上也较复杂。虽然都是免接触，不同卡的有效操作距离是不一样的。有些卡号称免接触，但读卡距离非常短，只有0-2厘米，这种卡被称为CICC卡（Close-CoupleICC），一般翻译成密耦合卡；有些卡的操作距离远一点，可以达到10厘米，这种卡被称为PICC卡（ProximityICC），我们叫它接近卡；还有一种更远的，至少可以达到半米或更远，这种卡被称为VICC卡（VicinityICC），中文称疏耦合卡。业内还有一些不成文的习惯叫法。一般的卡片操作通常都是主从式，即读卡器作为主动方发送命令，卡片收到命令后作出反应，这种卡片我们称之为IC卡。有一类比较简单的卡，卡内只存储了一个识别号，通常只要进入射频场获得能量后就不停的主动发送这个识别号，这类卡习惯称ID卡。当然这些叫法只是习惯，事实上IC是集成电路的意思，以上卡片都应叫IC卡，不过习惯的力量往往是很大的，时间长了，大家也就接受这种称呼了。本人随后将就射频识别技术进行一系列的“漫谈”。所谓“漫谈”，非正规也。我写的既不是技术文档，更不是教材，只是本人十年来开发射频识别卡的一些点滴体会，用不太严谨的语言表达出来而已。另外由于我对125KHz，134.2KHz和13.56MHz比较熟悉，相关的射频卡都开发过，所以之后关于射频识别技术的叙述都是基于这3种频率。射频识别技术漫谈(2)——国际标准如果你只是智能卡的用户，通常可以不必关注国际标准，但作为智能卡的专业开发人员，则至少也要对相关标准有所了解。国际标准一般都是西方人制定的，原版都是英文的，而所谓中文版往往是对原版的直译，许多情况下并未准确说出实际的意思，所以如果想看这些标准，还是看原版好。以下仅简单介绍比较重要的关于智能卡的国际标准。以后的叙述我可能很少提及这些标2准，不读这些标准也不影响朋友们继续往下读，但是正所谓没有规矩，不成方圆，在这里只是告诉大家，之后的叙述都是基于这些国际标准的。一、ISO7810：规定了识别卡的物理特性，比如卡的形状、尺寸等。二、ISO7816：身份证集成电路卡国际标准。这个标准包含的部分比较多，目前还在陆续发布与补充。7816是接触式IC卡必须遵循的国际标准，其中的有些部分也适用于非接触式智能卡。第一部分规定了接触式智能卡的物理特性；第二部分规定了接触式智能卡的触点尺寸与位置；第三部分规定了接触式智能卡的电信号和传输协议；第四部分规定了接触式智能卡与外界交互的接口组织、安全和命令；第五部分规定了接触式智能卡应用的命名方式与注册系统；第六部分规定了接触式智能卡与外界交互的数据元素；第七部分规定了接触式智能卡用于结构化查询语句的命令；第八部分规定了接触式智能卡安全操作命令；第九部分规定了接触式智能卡的卡管理命令；第十部分规定了同步卡的电信号和复位应答；第十一部分规定了使用生物统计法的个人认证；第十二部分规定了接触式智能卡USB电信号接口和操作时序；第十三部分规定了多应用环境下的应用管理命令；第十四部分好像没有；第十五部分规定了加密信息应用.修改件1：加密信息应用的实例。三、ISO10536:密耦合卡(CICC)的国际标准。第一部分规定了CICC的物理特性；第二部分规定了CICC的耦合区域的尺寸和位置；第三部分规定了CICC的电信号和复位规程。四、ISO14443:接近卡(PICC)的国际标准。第一部分规定了PICC的物理特性；第二部分规定了PICC的射频功率和信号接口；第三部分规定了PICC的的初始化和防冲突算法；第四部分规定了PICC的传输协议。五、ISO15693:疏耦合卡(VICC)的国际标准。第一部分规定了VICC的物理特性；第二部分规定了VICC的空中接口和初始化；第三部分规定了VICC的防冲突和传输协议。六、ISO11784/11785:动物识别编码的国际标准。11784规定了动物识别信号的编码结构；311785规定了动物识别的一些技术概念。七、ISO10373：规定了识别卡的测试方法。这么多标准看了让人头都大了，其实作为一个RFID的开发和应用者来说，并不是所有这些协议都需要看的。首先如果你不造卡，物理部分就不用看了，厂家做出来什么样就是什么样；信号接口了解一下就行，因为每种卡片通常都有专用的接口芯片，除非从天线到CPU接口你自己全部用分立器件搭建，否则你应该花更多时间研究专用接口芯片的说明书；卡的通讯协议是我们最应该关注的，因为它需要开发人员在软件中实现；而动物识别编码的国际标准是做动物识别卡时用，它规定了卡片发送动物识别信息的编码规则，属于智能卡的应用范畴。射频识别技术漫谈(3)——能量、调制无源和免接触是非接触式IC卡相对于接触式IC卡的两大特点。无源是指卡片上没有电源，免接触是指对卡片的读写操作不必和读写器接触。非接触式智能卡也是IC卡，而卡上的IC即集成电路工作时肯定是需要电源的，卡片自身没有电源而又不和读写器接触，那么电源从哪里来的呢？其实回答这个问题非常简单，那就是电磁感应。读写器产生一个电磁场，卡片上的天线是一个LC振荡电路，且这个振荡电路的共振频率和读写器电磁场的频率一致。当卡片进入读写器的射频场，卡上的振荡电路起振，电路振荡意味着有电子的流动，有电子的流动就可以用二极管让电子积累，电子的积累就会形成电压，有了电压智能卡就能工作了。卡片获得能量的方式大体就是这样，具体的实现方法，如果不打算自己做卡就没必要深究，只要懂得原理就可以了。如果还不明白，想想变压器吧，变压器的原边和副边也是绝缘的，但能量却可以从原边传递到副边，射频卡获得能量的方式就相当于变压器的副边。能量有了，那么读写器和卡片又是如何进行信息交流的呢？既然是免接触，那就只有通过无线电传输了。无线电传输很少有直接发送信号的，一般都是选定某一频率的载波，也就是正弦波，发送方把有用信号调制在载波上，接收方解调收到的信号，把载波去掉得到有用信号。无论电视、广播、手机通讯还是射频卡，其基于无线电通讯的原理都是一样的。载波(正弦波)有三要素，幅度、频率和相位，相应的有用信号对载波的调制也有三种：调幅、调频和调相。调幅是改变载波的幅度记录有用信号，调频是改变载波的频率记录有用信号，调相是改变载波的相位记录有用信号。调幅电路简单，容易受干扰，调频和调相结构复杂些，但抗干扰能力强，一个简单的例子是你的收音机FM(调频)比AM(调幅)声音好听的多。另外，调幅和调频要求载波频率远大于有用信号的最高频率，通常要10倍以上，而调相则无此要求，载波频率可以高于、等于（2BPSK）甚至低于（4BPSK，16BPSK）有用信号的频率。基于上述三种调制的特点，射频卡通讯距离最大不过几米，平常用的接近卡(PICC)最大距离才10公分，在这么短的距离范围内形成一个相对较强的局部射频场，几乎可以不用考虑干扰。射频卡上没有电源，尤其成本考虑，自然要求卡上电路越简单越好。所以，调幅虽然易受干扰但电路结构简单，成为射频卡调制的首选。调幅有一个指标叫调制系数，也就是衡量有用信号对载波幅度的调制有多大。调制系数为0，相当于没有调制，调制系数为1则相当于把载波的幅度调为0，一般调制系数都在0.1-0.9之间。显然由于射频卡需要从磁场中获得能量，如果调制系数接近1，意味着磁场关闭了，时间短了还行，时间长了卡上的电源必然会消失，卡片的基本工作条件都没有了，但调制系数大抗干扰能力强，容易解调。相反，调制系数小，卡片可以获得稳定的能量供应，但抗干扰能力弱，解调困难一些。4在读写器与卡片的信息交流过程中，读写器产生射频场，向卡片发送数据时调制自己产生的射频场，这很好理解。但卡片是被动的，不仅不能产生射频场，还要从读写器的射频场中获取能量，那又如何通过调制射频场向读写器回送数据呢？射频识别技术中采用了一种叫做负载调制的方法。其原理也非常简单，还是以变压器为例，我们都有这样的常识，如果变压器的副边突然接入一个大的负载，变压器原边电压就会瞬间降低，切除负载，变压器的原边电压就会马上恢复。前面说了，射频卡相当于变压器的副边，卡内也有这样一个负载，接通负载时射频场的振荡幅度会减小，切除负载，射频场的幅度会恢复。卡片通过负载是否接入来表示发送的数据，读写器探测到射频场的幅度改变，就能知道卡片发送什么数据了。这就是卡片回送数据的原理。射频识别技术漫谈(4)——数据编码前已述及，射频识别技术中的调制方法一般使用调幅(AM),也就是将有用信号调制在载波的幅度上传送出去。这里的“有用信号”指用高低电平表示的数据“0”或“1”。那么如何用高低电平表示数据“0”或“1”呢？最简单的办法就是用高电平表示“1”，用低电平表示“0”，这种代码叫全宽码，如下图所示：这种编码方式存在的最大缺陷就是数据容易失步。上图的数据我们看的很清楚，但是想想如果发送方连续发送100个“0”或100个“1”，就会有100个单位的连续高电平或100个单位的连续低电平。这种情况下，接收方极有可能把数据的个数数错，把100数成99或101，这就是数据失步。所以这种编码很少直接采用。这就要求使用的编码既能让接收方知道发送方传送的是“1”还是“0”，又能让接收方正确分辨出每个二进制比特。实际的射频识别技术中采用的数据编码主要有以下几种，它们都能满足上述要求。1.曼侧斯特(Manchester)码如下图所示，曼侧斯特码每位数据的中心都有跳变，上升沿表示数据“1”，下降沿表示数据“0”，或者反之。当发送连续的“0”或“1”时，则在数据的开始部分增加一个状态转换沿。52.两相(Biphase)码两相码每位数据的开始处都有跳变，数据中心有跳变表示“1”，数据中心无跳变表示“0”，或者反之。3.频移键控(FSK)码频移键控码用不同的脉冲频率表示数据，脉冲频率高表示“1”，脉冲频率低表示“0”，或者反之。4.相移键控(FSK)码相移键控码用数据的开始处有没有相位翻转表示数据的变化，有相位的翻转表示数据发生了翻转(上一位如果是“0”，则当前发送“1”；上一位如果是“1”，则当前发送“0”)，无相位的翻转表示数据没有发生变化(上一位如果是“0”，则当前发送“0”；上一位如果是“1”，则当前发送“1”)，或者反之。5.米勒(Miller)码如图，米勒码用数据中心是否有跳变表示数据。数据中心有跳变表示“1”，数据中心无跳变表示“0”。当发送连续的“0”时，则在数据的开始处增加一个跳变防止失步。6.修正的米勒(ModifiedMiller)码修正的米勒码是ISO14443