基于RFID信號的探測和還原技術研究

黃少馳

摘 要：非接觸式IC卡，又名射頻卡，它成功地將射頻識別技術和IC卡技術結合起來，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的基礎上，設計了一種基于單片機、能觸發(fā)非接觸IC卡發(fā)出信號，并能探測和解調(diào)出射頻卡的基帶數(shù)據(jù)，最后完成對基帶數(shù)據(jù)的模擬調(diào)制輸出的樣機。

關鍵詞：射頻卡；e5550；RFID

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）03-0018-02

e5550型射頻卡是一種非接觸型的IC卡，工作時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，外接線圈感應的電壓，經(jīng)整流后向應答器供應能量，應答器和閱讀器間是通過電磁場來進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。IC卡內(nèi)帶電磁線圈，在獲得電磁波能量激發(fā)后會不間斷的發(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，本文設計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)，同時又用另一個振蕩線圈接收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)前向糾錯后能發(fā)射記錄的數(shù)據(jù)，最后獲得閱讀器或基站的認可，完成規(guī)定的動作，如門禁設備的動作等。

1 e5550的功能特點

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封裝成標準射頻IC卡的服務。由于e5550可以和低成本的射頻卡基站U2270B構成完整的射頻卡應用系統(tǒng)，且具有很高的性能價格比，因此在門禁卡系統(tǒng)、公交系統(tǒng)、餐飲服務系統(tǒng)等領域得到了廣泛的應用。e5550的功能特點如下：

（1）采用低功耗、低電壓CMOS結構；（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位非易失性存儲器，其中224位可供用戶自由使用；（5）具有存儲區(qū)塊保護和密碼保護功能；（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分頻速率進行；（7）數(shù)據(jù)傳送，能提供二進制碼、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的天線感應獲得的，因此將e5550芯片封裝到卡內(nèi)時，第2～7引腳是開路的。

3 e5550芯片構成的系統(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，使輸入端的信號頻率在l25kHz左右。應答器和閱讀器問的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，E5550利用調(diào)制天線負載的辦法向基站發(fā)射數(shù)據(jù)，即通過數(shù)據(jù)控制負載電壓的接通和斷開，這些數(shù)據(jù)就能夠從應答器傳輸?shù)介喿x器。U2270B對接受到的數(shù)據(jù)信號進行整流，輸出可以直接接到單片機的輸入端，然后根據(jù)相應的解調(diào)方法進行解碼，解碼利用軟件來實現(xiàn)。

由e5550芯片設計的射頻卡是一種非接觸的IC卡，工作時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的電壓，經(jīng)整流后向應答器供應能量。應答器和閱讀器間是通過磁場或電磁場來進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。本文設計了一套能模擬U2270B基站發(fā)射電磁能量，并能截獲e5550發(fā)出的數(shù)據(jù)的設備。

在RFID系統(tǒng)中，一個感應耦合收發(fā)器由一個電子數(shù)據(jù)運載器件，通常是一個微芯片（如e5550）和一個大面積的無線線圈組成。感應耦合收發(fā)器幾乎都是被動式（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，為了這個目的，閱讀器的天線線圈產(chǎn)生一個強大、頻率高的電磁場，他穿過線圈的橫截面和線圈周圍的空間，因為使用的頻段的波長125KHz，2400m，是閱讀器和收發(fā)器之間距離的數(shù)倍，相對于這個距離，電磁場可以看做是簡單的交變磁場。

4 RFID信號探測電路硬件設計

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為核心器件構成的射頻卡，并對射頻卡發(fā)出的信號進行捕獲、記錄并模擬發(fā)射射頻卡的低頻信號，以達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)射低頻信號去激活e5550的射頻卡，同時接收射頻卡的信號并解調(diào)、確認后做相關的開門或關門等動作。本文用于解調(diào)、記錄和還原射頻卡信號的電路由三個部分組成：以高速單片機為主CPU的控制電路，電路框圖；以微型單片機設計的130KHz載頻信號產(chǎn)生電路；對130KHz射頻信號的整形濾波電路。

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

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，所以在硬件設計時要特別注意干擾問題，不然會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，布線時要杜絕電源和地之間構成大回路而造成噪聲干擾。如果實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行，本基站采用的是650p電容。

5 磁感應天線設計和制作

當一個RFID射頻卡進入天線工作范圍時，射頻卡就會連續(xù)不斷地發(fā)送芯片固有的電磁場信號，對射頻卡信號探測的關鍵是如何把電磁場信號進行整形、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，一副用于載頻信號產(chǎn)生，一副用于數(shù)據(jù)的接收和發(fā)射。

對射頻卡信號的探測的基礎是由線圈組成的磁感應天線的設計和制作，法拉第電磁感應定律描述了因磁通量變化產(chǎn)生感應電動勢的現(xiàn)象，它的數(shù)學表達式是：

ui=∫Ei·ds=-d（t）/dt

磁感應線圈需要繞制，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)計算得到，線圈電感值L=135mH左右。磁感應天線的品質因數(shù)Q和諧振頻率是電感耦合式射頻識別系統(tǒng)天線的特征值，品質因數(shù)Q會影響系統(tǒng)的讀寫距離，較高的品質因數(shù)，會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因數(shù)Q值成反比，選擇的品質因數(shù)過高，會導致帶寬縮小，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)。諧振回路的品質因數(shù)Q表達式如下：

Q=f0/B

式中f0為諧振頻率，B為帶寬。一般Q值取l2左右。

6 結語

RFID是一種自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性對被識別物體實現(xiàn)自動識別，RFID系統(tǒng)一般由天線、讀寫器和電子標簽組成。采用e5550、U2270B、M44C260芯片構成的非接觸控制系統(tǒng)結構簡單、性能穩(wěn)定可靠，廣泛應用跟蹤、識別、確認和管理等場合，如出入口管理門禁、汽車防盜止動器、報警系統(tǒng)和重要設備啟動等安全防范領域非接觸控制。本文設計的對于工作在125KHz頻率的射頻卡的探測和還原電路，優(yōu)點是不管射頻卡發(fā)射的空間信號的編碼格式和協(xié)議，只需要真實的記錄和并按記錄的數(shù)據(jù)發(fā)射還原，試驗表明，本文設計的對于低頻RFID信號的探測和還原設備體積小巧，操作簡單，誤碼率低。

參考文獻

[1]饒運濤.電子標簽技術[M].北京航空航天大學出版社，2011.

[2]許毅，陳建軍.RFID原理與應用[M].清華大學出版社，2013.

[3]曹志剛.通信原理與應用，系統(tǒng)案例部分，短距離無線通信[M].高等教育出版社，2015.