基于RFID信號(hào)的探測和還原技術(shù)研究

黃少馳

摘 要：非接觸式IC卡，又名射頻卡，它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來，解決了無源（卡中無電池）和免接觸這一難題。本文在介紹了美國TEMIC公司生產(chǎn)的e5550射頻卡的功能和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)、能觸發(fā)非接觸IC卡發(fā)出信號(hào)，并能探測和解調(diào)出射頻卡的基帶數(shù)據(jù)，最后完成對(duì)基帶數(shù)據(jù)的模擬調(diào)制輸出的樣機(jī)。

關(guān)鍵詞：射頻卡；e5550；RFID

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）03-0018-02

e5550型射頻卡是一種非接觸型的IC卡，工作時(shí)所需的能量由其外接線圈在特定磁場中從閱讀器的天線藕合獲得，外接線圈感應(yīng)的電壓，經(jīng)整流后向應(yīng)答器供應(yīng)能量，應(yīng)答器和閱讀器間是通過電磁場來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹C卡內(nèi)帶電磁線圈，在獲得電磁波能量激發(fā)后會(huì)不間斷的發(fā)射IC芯片中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被調(diào)制在125KHz的調(diào)制波上的，本文設(shè)計(jì)的思路就是自制振蕩線圈發(fā)射125KHz的電磁波，激發(fā)IC卡發(fā)射內(nèi)部芯片的數(shù)據(jù)，同時(shí)又用另一個(gè)振蕩線圈接收IC卡發(fā)射的125KHz電磁波并記錄保存，在獲得數(shù)據(jù)并經(jīng)前向糾錯(cuò)后能發(fā)射記錄的數(shù)據(jù)，最后獲得閱讀器或基站的認(rèn)可，完成規(guī)定的動(dòng)作，如門禁設(shè)備的動(dòng)作等。

1 e5550的功能特點(diǎn)

e5550是由美國TEMIC和ATMEL公司生產(chǎn)的低成本可讀寫射頻卡芯片，目前國內(nèi)很多公司均可向用戶提供將e5550封裝成標(biāo)準(zhǔn)射頻IC卡的服務(wù)。由于e5550可以和低成本的射頻卡基站U2270B構(gòu)成完整的射頻卡應(yīng)用系統(tǒng)，且具有很高的性能價(jià)格比，因此在門禁卡系統(tǒng)、公交系統(tǒng)、餐飲服務(wù)系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。e5550的功能特點(diǎn)如下：

（1）采用低功耗、低電壓CMOS結(jié)構(gòu)；（2）采用非接觸電感耦合方式來獲取電源；（3）工作頻率為100～150kHz；（4）內(nèi)含264位非易失性存儲(chǔ)器，其中224位可供用戶自由使用；（5）具有存儲(chǔ)區(qū)塊保護(hù)和密碼保護(hù)功能；（6）位傳送速率可選，根據(jù)需要可以選擇射頻頻率的8、l6、32、40、50、64、100、128分頻速率進(jìn)行；（7）數(shù)據(jù)傳送，能提供二進(jìn)制碼、幅移鍵控、頻移鍵控、曼徹斯特編碼和雙相位碼多種調(diào)制方式。

2 e5550工作原理介紹

e5550采用SOP8封裝形式的引腳排列（圖1a）及管腳含義（圖1b）見圖1，內(nèi)部工作原理框圖見圖2。由于芯片的工作電源是通過連接在引腳1和引腳8的天線感應(yīng)獲得的，因此將e5550芯片封裝到卡內(nèi)時(shí)，第2～7引腳是開路的。

3 e5550芯片構(gòu)成的系統(tǒng)硬件電路

e5550是一種由低電壓、低功耗的CMOS電路組成的非接觸IC卡，它的供電電壓由外接線圈從基站U2270的線圈上感應(yīng)的電壓經(jīng)內(nèi)部整流電路提供。外接線圈與電容形成串聯(lián)諧振，諧振頻率為l25kHz，利用470k電阻和1.5nF電容組成選頻網(wǎng)絡(luò)，使輸入端的信號(hào)頻率在l25kHz左右。應(yīng)答器和閱讀器問的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，E5550利用調(diào)制天線負(fù)載的辦法向基站發(fā)射數(shù)據(jù)，即通過數(shù)據(jù)控制負(fù)載電壓的接通和斷開，這些數(shù)據(jù)就能夠從應(yīng)答器傳輸?shù)介喿x器。U2270B對(duì)接受到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行整流，輸出可以直接接到單片機(jī)的輸入端，然后根據(jù)相應(yīng)的解調(diào)方法進(jìn)行解碼，解碼利用軟件來實(shí)現(xiàn)。

由e5550芯片設(shè)計(jì)的射頻卡是一種非接觸的IC卡，工作時(shí)所需的能量可由其外接線圈在特定磁場中（如圖3中的U2270B的第8，9腳之間發(fā)射的電磁能量）從閱讀器的天線藕合獲得外接線圈感應(yīng)的電壓，經(jīng)整流后向應(yīng)答器供應(yīng)能量。應(yīng)答器和閱讀器間是通過磁場或電磁場來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹１疚脑O(shè)計(jì)了一套能模擬U2270B基站發(fā)射電磁能量，并能截獲e5550發(fā)出的數(shù)據(jù)的設(shè)備。

在RFID系統(tǒng)中，一個(gè)感應(yīng)耦合收發(fā)器由一個(gè)電子數(shù)據(jù)運(yùn)載器件，通常是一個(gè)微芯片（如e5550）和一個(gè)大面積的無線線圈組成。感應(yīng)耦合收發(fā)器幾乎都是被動(dòng)式（無源）工作，這意味著為了芯片工作的所有能量都必須由閱讀器提供，為了這個(gè)目的，閱讀器的天線線圈產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大、頻率高的電磁場，他穿過線圈的橫截面和線圈周圍的空間，因?yàn)槭褂玫念l段的波長125KHz，2400m，是閱讀器和收發(fā)器之間距離的數(shù)倍，相對(duì)于這個(gè)距離，電磁場可以看做是簡單的交變磁場。

4 RFID信號(hào)探測電路硬件設(shè)計(jì)

上訴內(nèi)容主要闡述了基于e5550芯片的RFID卡的發(fā)射和接收的工作原理，本節(jié)將介紹如何激活以e5550為核心器件構(gòu)成的射頻卡，并對(duì)射頻卡發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行捕獲、記錄并模擬發(fā)射射頻卡的低頻信號(hào)，以達(dá)到射頻卡的各種功能，如開啟門鎖等等。

U2270B集成電路的第8和第9腳間的電感線圈需要發(fā)射低頻信號(hào)去激活e5550的射頻卡，同時(shí)接收射頻卡的信號(hào)并解調(diào)、確認(rèn)后做相關(guān)的開門或關(guān)門等動(dòng)作。本文用于解調(diào)、記錄和還原射頻卡信號(hào)的電路由三個(gè)部分組成：以高速單片機(jī)為主CPU的控制電路，電路框圖；以微型單片機(jī)設(shè)計(jì)的130KHz載頻信號(hào)產(chǎn)生電路；對(duì)130KHz射頻信號(hào)的整形濾波電路。

主單片機(jī)用于控制副單片機(jī)發(fā)射125KHz的固定頻率的RF信號(hào)，并以中斷方式接收并記錄射頻信號(hào)整形電路輸出的TTL電平的脈沖編碼信號(hào)，同時(shí)也可以發(fā)射存儲(chǔ)的射頻編碼數(shù)據(jù)，發(fā)射電路與130K信號(hào)產(chǎn)生電路一致。微型單片機(jī)用于產(chǎn)生130K的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)電感天線，該電路是把電流送到天線產(chǎn)生磁場，以激活射頻卡工作。接收電路包括對(duì)收發(fā)器感應(yīng)的天線調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，讀出接收到的來自射頻卡的調(diào)制信號(hào)。

從射頻卡返回的數(shù)據(jù)一般采用編碼方式發(fā)射，本電路是曼切斯特編碼格式，由于本基站處理的是射頻信號(hào)，所以在硬件設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意干擾問題，不然會(huì)直接影響讀寫卡的效果。在就近的地方需要用去耦電容盡量濾去電源雜波的干擾，布線時(shí)要杜絕電源和地之間構(gòu)成大回路而造成噪聲干擾。如果實(shí)際中沒有上述問題而讀寫效果仍不是很好的話，可以試著改變天線的電感量進(jìn)一步調(diào)試。如果仍不可以，還可以通過改變c值調(diào)節(jié)高通濾波的下限頻率進(jìn)行，本基站采用的是650p電容。

5 磁感應(yīng)天線設(shè)計(jì)和制作

當(dāng)一個(gè)RFID射頻卡進(jìn)入天線工作范圍時(shí)，射頻卡就會(huì)連續(xù)不斷地發(fā)送芯片固有的電磁場信號(hào)，對(duì)射頻卡信號(hào)探測的關(guān)鍵是如何把電磁場信號(hào)進(jìn)行整形、濾波、限幅放大、比較輸出，CPU再把記錄的數(shù)據(jù)調(diào)制到130KHz產(chǎn)生電路通過天線發(fā)射出去，本電路需要兩副天線，一副用于載頻信號(hào)產(chǎn)生，一副用于數(shù)據(jù)的接收和發(fā)射。

對(duì)射頻卡信號(hào)的探測的基礎(chǔ)是由線圈組成的磁感應(yīng)天線的設(shè)計(jì)和制作，法拉第電磁感應(yīng)定律描述了因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的現(xiàn)象，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：

ui=∫Ei·ds=-d（t）/dt

磁感應(yīng)線圈需要繞制，一般使用銅制漆包線繞制直徑3cm、匝數(shù)約800圈的線圈，根據(jù)本系統(tǒng)的其他參數(shù)計(jì)算得到，線圈電感值L=135mH左右。磁感應(yīng)天線的品質(zhì)因數(shù)Q和諧振頻率是電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)天線的特征值，品質(zhì)因數(shù)Q會(huì)影響系統(tǒng)的讀寫距離，較高的品質(zhì)因數(shù)，會(huì)得到較高的讀寫器天線電壓，因而可增加射頻卡的能量傳輸。與之相反，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù)Q值成反比，選擇的品質(zhì)因數(shù)過高，會(huì)導(dǎo)致帶寬縮小，從而明顯減弱射頻卡接收到的調(diào)制邊帶。此外，由于射頻卡是無源IC卡，其能量是通過電磁感應(yīng)而來的，而且受到卡形狀的限制，卡中不可能封裝很大的天線，使得接收的能量較小，從而決定了讀寫器工作距離短，一般在10厘米內(nèi)。諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q表達(dá)式如下：

Q=f0/B

式中f0為諧振頻率，B為帶寬。一般Q值取l2左右。

6 結(jié)語

RFID是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合傳輸特性對(duì)被識(shí)別物體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別，RFID系統(tǒng)一般由天線、讀寫器和電子標(biāo)簽組成。采用e5550、U2270B、M44C260芯片構(gòu)成的非接觸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠，廣泛應(yīng)用跟蹤、識(shí)別、確認(rèn)和管理等場合，如出入口管理門禁、汽車防盜止動(dòng)器、報(bào)警系統(tǒng)和重要設(shè)備啟動(dòng)等安全防范領(lǐng)域非接觸控制。本文設(shè)計(jì)的對(duì)于工作在125KHz頻率的射頻卡的探測和還原電路，優(yōu)點(diǎn)是不管射頻卡發(fā)射的空間信號(hào)的編碼格式和協(xié)議，只需要真實(shí)的記錄和并按記錄的數(shù)據(jù)發(fā)射還原，試驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的對(duì)于低頻RFID信號(hào)的探測和還原設(shè)備體積小巧，操作簡單，誤碼率低。

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