「阿庫課堂」RFID基礎(chǔ)知識(shí)8·高頻篇

    上一期我們了解了“低頻RFID”的基本原理與實(shí)際應(yīng)用，它作用范圍現(xiàn)在主要應(yīng)用于短距離技術(shù)領(lǐng)域范圍內(nèi)。本期課堂阿庫將為你講講高頻RFID的故事~ 一起來看看低頻RFID與高頻RFID之間有何區(qū)別？

高頻RFID簡(jiǎn)述

    高頻的工作頻率一般為3MHz ~ 30MHz。典型工作頻率為：13.56MHz。該頻段的射頻通信技術(shù)，從射頻識(shí)別應(yīng)用角度來說，因其工作原理與低頻標(biāo)簽完全相同，即采用電感耦合方式工作， 頻標(biāo)簽一般也采用無源為主，其工作能量同低頻標(biāo)簽一樣，也是通過電感（磁）耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場(chǎng)中獲得，標(biāo)簽與閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，標(biāo)簽必須位于閱讀器天線輻射的近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，高頻標(biāo)簽的閱讀距離一般情況下也小于1米。

    高頻標(biāo)簽由于可方便地做成卡狀，典型應(yīng)用包括：電子車票、電子身份證、電子閉鎖防盜（電子遙控門鎖控制器）等。相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)有：ISO14443、ISO15693、ISO18000-3（13.56MHz）等。

ISO15693

    ISO15693 (ISO SC17lWG8)：短距離智慧卡標(biāo)準(zhǔn)，這標(biāo)準(zhǔn)訂出讀取距離可高達(dá)一米非接觸智慧卡，使用的頻率為13.56MHz，讓生產(chǎn)讀寫器設(shè)計(jì)的成本比IS014443低，大都用來做進(jìn)出控制、出勤考核等，現(xiàn)在很多企業(yè)使用的門禁卡大都使用這一類的標(biāo)準(zhǔn)。

    ISO15693采用輪尋機(jī)制、分時(shí)查詢的方式完成防沖突機(jī)制，防沖突機(jī)制使得同時(shí)處于讀寫區(qū)內(nèi)的多個(gè)標(biāo)簽的正確操作成為可能，既方便了操作，也提高了操作的速度和讀取范圍，IOS15693讀取速度上限為53或者26.5Kb/s，距離最遠(yuǎn)可達(dá)1.5m。

    The minimum operating field strength（最低工作場(chǎng)強(qiáng)）is specified:

    ISO14443：Hmin= 1.5 A/m(Mifare)

    ISO15693：Hmin = 0.15 A/m(I*Code)

可知ISO15693標(biāo)準(zhǔn)的靈敏度是ISO14443的10倍，在增加了讀距的同時(shí)，也導(dǎo)致了其在安全性和保密性相對(duì)于ISO14443較弱。

標(biāo)簽芯片

    高頻RFID標(biāo)簽芯片國內(nèi)外的企業(yè)主要以NXP、復(fù)旦微電子、為主，在手機(jī)NFC芯片中NXP一家獨(dú)大，除此之外在國內(nèi)也涌現(xiàn)出一批初創(chuàng)高頻芯片公司，類似飛聚微電子、坤銳、凱路威、華虹等，這類主要做定制化產(chǎn)品與特殊行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合。

    標(biāo)簽芯片內(nèi)部邏輯示意圖

高頻RFID芯片里面主要名詞介紹： VICC、UID、特殊功能（EAS、AFI、DSFID）和寫入控制位等

●VICC：非接觸疏耦合智能卡

●UID：是廠商寫入的世界唯一標(biāo)簽識(shí)別序列號(hào)，用戶不可更改，在UID中包含廠商代碼、產(chǎn)品分類代碼和標(biāo)簽芯片生產(chǎn)序列代碼。

●EAS（電子防盜系統(tǒng)）：主要用來防止物品被盜，標(biāo)簽管理者可以設(shè)置（EAS=1）和清除（EAS=0）EAS標(biāo)識(shí)，當(dāng)設(shè)置有EAS標(biāo)識(shí)的標(biāo)簽通過讀寫器的作用范圍時(shí)，讀寫器會(huì)識(shí)別EAS標(biāo)識(shí)，發(fā)出警報(bào)。

●特殊功能AFI（應(yīng)用族標(biāo)識(shí)符）：可事先規(guī)定應(yīng)用族代碼并寫入AFI字節(jié)，在處理多個(gè)標(biāo)簽的時(shí)候進(jìn)行分類處理。

●特殊功能DSFID（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式標(biāo)識(shí)符）：指出了數(shù)據(jù)在VICC內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)，可取消選定命令。

●CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）：主要用來檢測(cè)或校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸或者保存后可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤

ISO15693協(xié)議高頻芯片，主要應(yīng)用型號(hào)如下；

標(biāo)簽天線

    高頻RFID的天線跟低頻RFID類似，都是采用線圈的形式進(jìn)行信號(hào)的接收和發(fā)送，不過除了傳統(tǒng)的銅線繞制外，還增加了蝕刻工藝，提高標(biāo)簽的形式多樣性，使其更薄更小，應(yīng)用場(chǎng)景可以深入定制化。目前市面上以圓線圈和矩形線圈為主，線圈型天線是將金屬線盤繞成平面或?qū)⒔饘倬€纏繞在磁心上。

    常見的高頻標(biāo)簽天線如下圖所示

ISO14443A/B

    ISO14443A/B：超短距離智慧卡標(biāo)準(zhǔn)這標(biāo)準(zhǔn)訂出讀取距離7-15厘米的短距離非接觸智慧卡的功能及運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)，使用的頻率為 13.56MHz，ISO14443 定義了 TYPE A, TYPE B兩種類型協(xié)議，通信速率106kbit/s，它們的不同主要在于載波的調(diào)制深度及位的編碼方式。

●TYPE A 采用開關(guān)鍵控(On-Off keying)的Manchester編碼，TYPE B采用NRZ-L的BPSK編碼。

●TYPE B與TYPE A相比，具有傳輸能量不中斷、速率更高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

    RFID的核心是防沖突技術(shù)，這也是和接觸式IC卡的主要區(qū)別。

●ISO14443-3規(guī)定了TYPEA和TYPE B的防沖突機(jī)制，二者防沖突機(jī)制的原理不同，前者是基于位沖突檢測(cè)協(xié)議，而TYPE B通信系列命令序列完成防沖突。

目前的第二代電子身份證采用的標(biāo)準(zhǔn)是IS014443 TYPE B協(xié)議。

標(biāo)簽芯片

    ISO14443協(xié)議標(biāo)簽主要應(yīng)用在短距離一卡通和票據(jù)管理，技術(shù)比較成熟，適合大部分場(chǎng)景，對(duì)于防偽追溯具有重要意義。

標(biāo)簽天線

    ISO14443協(xié)議標(biāo)簽天線類型主要有以下圓線圈和矩形線圈兩種，區(qū)別在于芯片的封裝不同，主流的尺寸和規(guī)格如下；

NFC

    NFC（Near Field Communication）是一種近距離無線通信技術(shù)，非接觸式的識(shí)別和互聯(lián)，由RFID技術(shù)演變而來，能夠近距離的進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)傳輸，工作于13.56MHz，最大傳輸速度只有424kbit/s，有效傳數(shù)據(jù)率距離只有10cm左右，NFC支持雙向連接和識(shí)別，使設(shè)備之間訪問更具安全性和保密性，主要有2類標(biāo)準(zhǔn)；

    NFCIP-1(ISO/IEC10892,ECMA340)：規(guī)定了NFC設(shè)備的通信模式、調(diào)制方式、編碼、傳輸速度、幀結(jié)構(gòu)、初始化流程、防碰撞要求、傳輸協(xié)議等。

    NFCIP-2(ISO/IEC21481,ECMA352)：為了兼容非接觸智能卡的應(yīng)用，定義了NFC通信模式的選擇。

標(biāo)簽芯片基本類型

NFC包含兩種通信模式：主動(dòng)模式和被動(dòng)模式

    ●主動(dòng)模式：NFC設(shè)備要向其他設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)起設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備都需要產(chǎn)生自己的射頻場(chǎng)，可以快速獲取連接設(shè)置，發(fā)起設(shè)備指最先發(fā)起初始命令設(shè)備，目標(biāo)設(shè)備指應(yīng)答一方，兩者采用的時(shí)半雙工通信技術(shù)，防止數(shù)據(jù)沖突。

    ●被動(dòng)模式：發(fā)起設(shè)備提供整個(gè)通信的射頻場(chǎng)，選這合適的傳輸速度，目標(biāo)設(shè)備不必產(chǎn)生RF場(chǎng)，只需使用負(fù)載調(diào)制(load modulation)技術(shù)，以相同的速度將數(shù)據(jù)傳回發(fā)起設(shè)備，移動(dòng)設(shè)備通過采用被動(dòng)模式進(jìn)行通信，大幅降低功耗，并延長電池壽命。

NFC三種業(yè)務(wù)模式：卡模擬模式，讀卡器模式，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式。

●卡模擬（Card emulation mode）

    NFC手機(jī)可以模擬成為一張非接觸卡，讀寫器通過讀取NFC手機(jī)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)， 然后將數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行處理，由于卡片通過非接觸讀卡器的 RF 場(chǎng)來供電，即便是模擬設(shè)備（如手機(jī)）沒電也可以工作，可應(yīng)用于移動(dòng)支付、公交乘車、門禁管制等。

●讀卡器模式（Reader/writer mode）

    NFC手機(jī)可以通過觸碰NFC標(biāo)簽（Tag），從中讀取非接觸標(biāo)簽中的內(nèi)容，作為非接觸式讀寫器，采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到對(duì)應(yīng)的應(yīng)用進(jìn)行處理?？蓱?yīng)用于海報(bào)，酒類防偽讀取等。

●點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式（P2P mode）

    兩個(gè)NFC設(shè)備可以近距離用于數(shù)據(jù)交換，只是傳輸距離較短，傳輸創(chuàng)建速度較快，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。可應(yīng)用于快速建立手機(jī)數(shù)據(jù)傳輸、藍(lán)牙連接等。

NFC芯片

    NFC芯片基本被國外廠商壟斷，其中恩智浦、ST、INSIDESecure為三大主流NFC芯片廠商，國內(nèi)主要以復(fù)旦微電子、飛聚微電子、，坤銳為主，一般NFC標(biāo)簽芯片是RFID產(chǎn)品線的一個(gè)產(chǎn)品系列，由高頻邏輯加密系列芯片發(fā)展而來，二者都遵循ISO14443/NFC Type2/5等協(xié)議，NFC標(biāo)簽芯片系列產(chǎn)品繼承了高頻邏輯加密卡芯片射頻兼容性良好的優(yōu)點(diǎn)，可定制加密算法保障數(shù)據(jù)的安全性。

NFC天線

    NFC天線主要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的差異和芯片規(guī)格進(jìn)行蝕刻研發(fā)生產(chǎn)，通過把設(shè)計(jì)的天線電感量計(jì)算出來，配上匹配電容，驗(yàn)證和微調(diào)諧振頻率是否滿足需求，市面上主流的天線尺寸和圈型如下圖所示；

讀寫設(shè)備

    高頻讀寫器，高頻HF的射頻識(shí)別設(shè)備工作于13.56MHz頻段，系統(tǒng)通過天線線圈電感耦合來傳輸能量，通過電感耦合的方式磁場(chǎng)能量下降較快。磁場(chǎng)信號(hào)具有明顯的讀取區(qū)域邊界。主要應(yīng)用于1米以內(nèi)的人員或物品的識(shí)別。主要遵循兩種協(xié)議：ISO/IEC14443（A、B）協(xié)議，ISO/IEC15693協(xié)議。

    常見的讀寫設(shè)備；可分固定式讀寫器、手持機(jī)、通道門禁三類別，主要應(yīng)用在圖書管理，打卡簽到等應(yīng)用上。

    常見的高頻讀寫器類型

高頻天線

    高頻天線由匹配調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和矩形線圈構(gòu)成，天線覆蓋范圍的性能主要跟品質(zhì)因子、帶寬、天線線圈內(nèi)部分布有關(guān)，在RFID系統(tǒng)中，讀寫器天線的品質(zhì)因子與天線的輻射效率成正相關(guān)，品質(zhì)因子越高表示天線的輻射效率越高；但是天線的帶寬與天線的品質(zhì)因子成反比。避免隨著匝數(shù)的增加導(dǎo)致的品質(zhì)因子增加、帶寬降低的不良影響，可以通過合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化天線線圈內(nèi)部的分配，使天線在工作頻段的輻射能力得到提升。

    根據(jù)外觀性能的不同可分為；①平板天線，②手持天線，③框架天線，④PCB天線，矩形和圓圈結(jié)構(gòu)圖如下；