射頻識(shí)別技術(shù)漫談

1、1射頻識(shí)別技術(shù)漫談(1)——概念、分類(lèi)現(xiàn)代社會(huì)智能卡已經(jīng)滲透到生活的方方面面，公交卡、考勤卡、身份證、手機(jī)卡等等數(shù)不勝數(shù)。智能卡按使用時(shí)是否和讀卡器接觸可分為接觸式智能卡和非接觸式智能卡，接觸式智能卡上有68個(gè)觸點(diǎn)，使用時(shí)插在卡座上，典型的如手機(jī)卡以及以前的公用電話卡。非接觸式智能卡沒(méi)有觸點(diǎn)，卡上也沒(méi)有電源，通過(guò)讀卡器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)獲得能量并與讀寫(xiě)器交換信息。由于非接觸式智能卡的無(wú)源和免接觸特性，卡的使用壽命和安全性大大提高，目前應(yīng)用越來(lái)

2、越廣泛。根據(jù)安全等級(jí)，智能卡可分為存儲(chǔ)器卡、邏輯加密卡和CPU卡。存儲(chǔ)器卡就像一個(gè)無(wú)人看守且大門(mén)敞開(kāi)的倉(cāng)庫(kù)，什么人都可以隨便在卡中存取數(shù)據(jù)；邏輯加密卡則給倉(cāng)庫(kù)加了一把鎖，只有有鑰匙（密碼）的人才能打開(kāi)使用。CPU卡則如同安排了專(zhuān)人看守倉(cāng)庫(kù)，卡里面有CPU芯片，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)要驗(yàn)證口令，且可能不同的應(yīng)用有不同口令，存取數(shù)據(jù)受到更加嚴(yán)格的控制，安全性最高。非接觸式IC卡通過(guò)磁場(chǎng)從讀寫(xiě)器獲得能量并交換數(shù)據(jù)。這里的磁場(chǎng)通常稱(chēng)為射頻場(chǎng)（RadioFre

3、quencyField），所以這種卡片也通常稱(chēng)為射頻卡，這種技術(shù)稱(chēng)為射頻識(shí)別（RadioFrequencyIdentification，RFID）技術(shù)。不管叫什么名字，其實(shí)質(zhì)都是一樣的，都是無(wú)線電通訊本質(zhì)上與廣播、電視、手機(jī)通訊并無(wú)區(qū)別。無(wú)線電通訊中很少有直接發(fā)射有用信號(hào)的，通常使用調(diào)制解調(diào)技術(shù)，將有用信號(hào)調(diào)制在某一頻率的載波上，接收方收到調(diào)制信號(hào)后解調(diào)得到有用信號(hào)。非接觸式IC卡的常用載波頻率有125KHz、134.2KHz、13.5

4、6MHz、2.45GHz等，通常載波頻率越高，數(shù)據(jù)的傳送速率越高，技術(shù)上也較復(fù)雜。雖然都是免接觸，不同卡的有效操作距離是不一樣的。有些卡號(hào)稱(chēng)免接觸，但讀卡距離非常短，只有02厘米，這種卡被稱(chēng)為CICC卡（CloseCoupleICC），一般翻譯成密耦合卡；有些卡的操作距離遠(yuǎn)一點(diǎn)，可以達(dá)到10厘米，這種卡被稱(chēng)為PICC卡（ProximityICC），我們叫它接近卡；還有一種更遠(yuǎn)的，至少可以達(dá)到半米或更遠(yuǎn)，這種卡被稱(chēng)為VICC卡（Vicin

5、ityICC），中文稱(chēng)疏耦合卡。業(yè)內(nèi)還有一些不成文的習(xí)慣叫法。一般的卡片操作通常都是主從式，即讀卡器作為主動(dòng)方發(fā)送命令，卡片收到命令后作出反應(yīng)，這種卡片我們稱(chēng)之為IC卡。有一類(lèi)比較簡(jiǎn)單的卡，卡內(nèi)只存儲(chǔ)了一個(gè)識(shí)別號(hào)，通常只要進(jìn)入射頻場(chǎng)獲得能量后就不停的主動(dòng)發(fā)送這個(gè)識(shí)別號(hào)，這類(lèi)卡習(xí)慣稱(chēng)ID卡。當(dāng)然這些叫法只是習(xí)慣，事實(shí)上IC是集成電路的意思，以上卡片都應(yīng)叫IC卡，不過(guò)習(xí)慣的力量往往是很大的，時(shí)間長(zhǎng)了，大家也就接受這種稱(chēng)呼了。本人隨后將就射頻

6、識(shí)別技術(shù)進(jìn)行一系列的“漫談”。所謂“漫談”，非正規(guī)也。我寫(xiě)的既不是技術(shù)文檔，更不是教材，只是本人十年來(lái)開(kāi)發(fā)射頻識(shí)別卡的一些點(diǎn)滴體會(huì)，用不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z(yǔ)言表達(dá)出來(lái)而已。另外由于我對(duì)125KHz，134.2KHz和13.56MHz比較熟悉，相關(guān)的射頻卡都開(kāi)發(fā)過(guò)，所以之后關(guān)于射頻識(shí)別技術(shù)的敘述都是基于這3種頻率。射頻識(shí)別技術(shù)漫談(2)——國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)如果你只是智能卡的用戶(hù)，通?？梢圆槐仃P(guān)注國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但作為智能卡的專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)人員，則至少也要對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有所

7、了解。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一般都是西方人制定的，原版都是英文的，而所謂中文版往往是對(duì)原版的直譯，許多情況下并未準(zhǔn)確說(shuō)出實(shí)際的意思，所以如果想看這些標(biāo)準(zhǔn)，還是看原版好。以下僅簡(jiǎn)單介紹比較重要的關(guān)于智能卡的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。以后的敘述我可能很少提及這些標(biāo)311785規(guī)定了動(dòng)物識(shí)別的一些技術(shù)概念。七、ISO10373：規(guī)定了識(shí)別卡的測(cè)試方法。這么多標(biāo)準(zhǔn)看了讓人頭都大了，其實(shí)作為一個(gè)RFID的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用者來(lái)說(shuō)，并不是所有這些協(xié)議都需要看的。首先如果你不造卡，物理部

8、分就不用看了，廠家做出來(lái)什么樣就是什么樣；信號(hào)接口了解一下就行，因?yàn)槊糠N卡片通常都有專(zhuān)用的接口芯片，除非從天線到CPU接口你自己全部用分立器件搭建，否則你應(yīng)該花更多時(shí)間研究專(zhuān)用接口芯片的說(shuō)明書(shū)；卡的通訊協(xié)議是我們最應(yīng)該關(guān)注的，因?yàn)樗枰_(kāi)發(fā)人員在軟件中實(shí)現(xiàn)；而動(dòng)物識(shí)別編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是做動(dòng)物識(shí)別卡時(shí)用，它規(guī)定了卡片發(fā)送動(dòng)物識(shí)別信息的編碼規(guī)則，屬于智能卡的應(yīng)用范疇。射頻識(shí)別技術(shù)漫談(3)——能量、調(diào)制無(wú)源和免接觸是非接觸式IC卡相對(duì)于接觸式

9、IC卡的兩大特點(diǎn)。無(wú)源是指卡片上沒(méi)有電源，免接觸是指對(duì)卡片的讀寫(xiě)操作不必和讀寫(xiě)器接觸。非接觸式智能卡也是IC卡，而卡上的IC即集成電路工作時(shí)肯定是需要電源的，卡片自身沒(méi)有電源而又不和讀寫(xiě)器接觸，那么電源從哪里來(lái)的呢？其實(shí)回答這個(gè)問(wèn)題非常簡(jiǎn)單，那就是電磁感應(yīng)。讀寫(xiě)器產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，卡片上的天線是一個(gè)LC振蕩電路，且這個(gè)振蕩電路的共振頻率和讀寫(xiě)器電磁場(chǎng)的頻率一致。當(dāng)卡片進(jìn)入讀寫(xiě)器的射頻場(chǎng)，卡上的振蕩電路起振，電路振蕩意味著有電子的流動(dòng)，有電

10、子的流動(dòng)就可以用二極管讓電子積累，電子的積累就會(huì)形成電壓，有了電壓智能卡就能工作了?？ㄆ@得能量的方式大體就是這樣，具體的實(shí)現(xiàn)方法，如果不打算自己做卡就沒(méi)必要深究，只要懂得原理就可以了。如果還不明白，想想變壓器吧，變壓器的原邊和副邊也是絕緣的，但能量卻可以從原邊傳遞到副邊，射頻卡獲得能量的方式就相當(dāng)于變壓器的副邊。能量有了，那么讀寫(xiě)器和卡片又是如何進(jìn)行信息交流的呢？既然是免接觸，那就只有通過(guò)無(wú)線電傳輸了。無(wú)線電傳輸很少有直接發(fā)送信號(hào)的，

11、一般都是選定某一頻率的載波，也就是正弦波，發(fā)送方把有用信號(hào)調(diào)制在載波上，接收方解調(diào)收到的信號(hào)，把載波去掉得到有用信號(hào)。無(wú)論電視、廣播、手機(jī)通訊還是射頻卡，其基于無(wú)線電通訊的原理都是一樣的。載波(正弦波)有三要素，幅度、頻率和相位，相應(yīng)的有用信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制也有三種：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。調(diào)幅是改變載波的幅度記錄有用信號(hào)，調(diào)頻是改變載波的頻率記錄有用信號(hào)，調(diào)相是改變載波的相位記錄有用信號(hào)。調(diào)幅電路簡(jiǎn)單，容易受干擾，調(diào)頻和調(diào)相結(jié)構(gòu)復(fù)雜些，但抗干

12、擾能力強(qiáng)，一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是你的收音機(jī)FM(調(diào)頻)比AM(調(diào)幅)聲音好聽(tīng)的多。另外，調(diào)幅和調(diào)頻要求載波頻率遠(yuǎn)大于有用信號(hào)的最高頻率，通常要10倍以上，而調(diào)相則無(wú)此要求，載波頻率可以高于、等于（2BPSK）甚至低于（4BPSK，16BPSK）有用信號(hào)的頻率?；谏鲜鋈N調(diào)制的特點(diǎn)，射頻卡通訊距離最大不過(guò)幾米，平常用的接近卡(PICC)最大距離才10公分，在這么短的距離范圍內(nèi)形成一個(gè)相對(duì)較強(qiáng)的局部射頻場(chǎng)，幾乎可以不用考慮干擾。射頻卡上沒(méi)有電源

13、，尤其成本考慮，自然要求卡上電路越簡(jiǎn)單越好。所以，調(diào)幅雖然易受干擾但電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成為射頻卡調(diào)制的首選。調(diào)幅有一個(gè)指標(biāo)叫調(diào)制系數(shù)，也就是衡量有用信號(hào)對(duì)載波幅度的調(diào)制有多大。調(diào)制系數(shù)為0，相當(dāng)于沒(méi)有調(diào)制，調(diào)制系數(shù)為1則相當(dāng)于把載波的幅度調(diào)為0，一般調(diào)制系數(shù)都在0.10.9之間。顯然由于射頻卡需要從磁場(chǎng)中獲得能量，如果調(diào)制系數(shù)接近1，意味著磁場(chǎng)關(guān)閉了，時(shí)間短了還行，時(shí)間長(zhǎng)了卡上的電源必然會(huì)消失，卡片的基本工作條件都沒(méi)有了，但調(diào)制系數(shù)大抗干擾