射頻卡EM4205和基站EM4095實(shí)現(xiàn)的ISO 11784/5的動(dòng)物識別標(biāo)簽

在介紹ISO 11784/5動(dòng)物識別國際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過對動(dòng)物識別卡片結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析，以及對于可讀寫射頻卡EM4205和讀寫基站EM4095的說明，給出一種利用EM4095基站將EM4205射頻卡仿真制作為動(dòng)物識別卡的設(shè)計(jì)方法。這種方法使得動(dòng)物標(biāo)簽卡的制作更為靈活，滿足了各動(dòng)物標(biāo)簽使用國家和領(lǐng)域?qū)ζ涠x的自由度需求，是一種先進(jìn)的卡片仿真設(shè)計(jì)方法。

引言

近年來，口蹄疫、瘋牛病、禽流感以至“非典”的蔓延，嚴(yán)重危及人類生命安全，引發(fā)了人們對動(dòng)物性食品生產(chǎn)全過程安全追溯管理的重視。因此，有效地利用科技手段對其進(jìn)行控制成為緊要的任務(wù)。

目前國際上已經(jīng)廣泛采用動(dòng)物識別射頻卡作為識別的媒介，但市場上的大部分動(dòng)物標(biāo)簽卡都是只讀型的，不能進(jìn)行修改。這就限制了卡片的使用范圍以及重復(fù)再利用，因此，有必要找到一種既能自由讀寫又可以仿真成動(dòng)物標(biāo)簽卡的方法以及相應(yīng)的卡片和讀寫基站。

在此之前，要先了解一下動(dòng)物識別標(biāo)準(zhǔn)。

1 國際動(dòng)物識別標(biāo)準(zhǔn)介紹

ISO 11784：動(dòng)物的射頻識別——代碼結(jié)構(gòu)。

ISO 11785：動(dòng)物的射頻識別——技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

ISO 11784和11785分別規(guī)定了動(dòng)物識別的代碼結(jié)構(gòu)和技術(shù)準(zhǔn)則。標(biāo)準(zhǔn)中沒有對應(yīng)答器樣式尺寸加以規(guī)定，因此可以設(shè)計(jì)成適合于所涉及動(dòng)物的各種形式，如玻璃管狀、耳標(biāo)或項(xiàng)圈等。

1.1 代碼結(jié)構(gòu)——國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11784

代碼結(jié)構(gòu)為64位，如表1所列。其中的27～64位可由各個(gè)國家自行定義。

RFID 11784和11785標(biāo)準(zhǔn)代碼結(jié)構(gòu)

各國國內(nèi)識別代碼由該國自行管理。27～64位也可以分配用于區(qū)別不同的動(dòng)物類型、品種、所在區(qū)域、飼養(yǎng)者等等。這些在此標(biāo)簽內(nèi)沒有做出規(guī)定。

技術(shù)準(zhǔn)則規(guī)定了應(yīng)答器的數(shù)據(jù)傳輸方法和閱讀器規(guī)范。工作頻率為134.2 kHz，數(shù)據(jù)傳輸方式有全雙工和半雙工兩種，閱讀器數(shù)據(jù)以差分雙相代碼表示。應(yīng)答器采用FSK調(diào)制，NRZ編碼。

由于較長的應(yīng)答器充電時(shí)間和工作頻率的限制，通信速率較低。

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11785

ISO 11785技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸方法和讀寫器規(guī)范，以便激活電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)載體。制定該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的目的是使范圍廣泛的不同制造商的電子標(biāo)簽?zāi)軌蚴褂靡粋€(gè)共同的讀寫器來詢問。動(dòng)物識別用的符合國際標(biāo)準(zhǔn)的讀寫器能夠識別和區(qū)分使用全雙工／半雙工的系統(tǒng)(負(fù)載調(diào)制)的電了標(biāo)簽和使用時(shí)序系統(tǒng)的電子標(biāo)簽。

1.2.1 全雙工/半雙工系統(tǒng)

全雙工/半雙工電子標(biāo)簽通過活化場得到電源，并立即開始傳輸存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。因?yàn)槭遣恍枰陛d波的負(fù)載調(diào)制過程，同時(shí)數(shù)據(jù)表示成差分雙相代碼(DBP)，把讀寫器頻率除以32即可以得到位率。當(dāng)頻率為134.2 kHz時(shí)，傳輸速率(位率)為4 194 bps。

全雙工/半雙工數(shù)據(jù)報(bào)文包括了11位的起始域(頭標(biāo))、64位(8字節(jié))有用數(shù)據(jù)、16位(2字節(jié))CRC以及24位(3字節(jié))終止域(尾標(biāo))。每傳輸8位后，插入一個(gè)邏輯“1”電平的填充位，以便避免出現(xiàn)頭標(biāo)為“00000000001”的情況。在給定傳輸速率的情況下，傳輸128位大約需要30.5 ms。

1.2.2 時(shí)序系統(tǒng)

每50 ms后活化場暫停3 ms。時(shí)序電子標(biāo)簽事先已經(jīng)通過活化場充入了能量，在活化場暫停后大約1～2 ms開始傳輸存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

電子標(biāo)簽用頻移鍵控(2FSK)調(diào)制法。位編碼采用NRZ邏輯“0”與基頻134.2 kHz對應(yīng)，邏輯“1”與頻率124.2 kHz對應(yīng)。

把發(fā)送頻率除以16就可以得到比特率。因此，在頻移鍵控情況下，比特率對于邏輯“0”為8 387 bps，對于邏輯“1”為7 762 bps。

時(shí)序數(shù)據(jù)報(bào)文包括了8位起始域01111110b、64位(8字節(jié))有用數(shù)據(jù)、16位(2字節(jié))CRC以及24位(3字節(jié))終止域，沒有填充位。

在給定傳輸速率的情況下，傳輸112位最多需要14.5 ms(“1”序列)。

2 動(dòng)物識別卡片結(jié)構(gòu)說明

根據(jù)動(dòng)物識別的標(biāo)準(zhǔn)，可以得到動(dòng)物識別卡片數(shù)據(jù)發(fā)送的順序，即從第1個(gè)字節(jié)的bit0發(fā)送到第16個(gè)字節(jié)的bit7。

動(dòng)物識別卡片數(shù)據(jù)發(fā)送表見本刊網(wǎng)站（編者注）。表中內(nèi)容說明如下：

（1） DATA1～DATA64

① National ID: 高位到低位=DATA27～DATA64=NID37～NID0

舉例：假設(shè)要寫入的是11223344556（十進(jìn)制）(最大為27487790*4)，

對應(yīng)于十六進(jìn)制是1A21A278BE，

對應(yīng)于二進(jìn)制是01 1010 0010 0001 1010 0010 0111 1000 1011 1110，

對應(yīng)于表中的NID就是從NID37～NID0。

② Country ID: 高位到低位=DATA17～DATA26=CID9～CID0

舉例： 假設(shè)要寫入的是1000（十進(jìn)制）(最大為1024)，

對應(yīng)于十六進(jìn)制是3E8，

對應(yīng)于二進(jìn)制是11 1110 1000，

對應(yīng)于表中的CID就是從CID9～CID0。

③ DATA BLOCK: DATA16。

④ Reserved: DATA2～DATA15。

⑤ Animal FLAG: DATA1。

（2） CRC部分為8字節(jié)的校驗(yàn)

CRC計(jì)算例程如下：

buf[0]～buf[7]為8字節(jié)有效數(shù)據(jù)。crc_value為2字節(jié)CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

POLYNOMIAL = 33800 ;

PRESET_VALUE = 0

crc_value = PRESET_VALUE ;

for(i=0;i<8;i++) {

crc_value = crc_value ^buf\[i\];

for(j=0;j<8;j++) {

if((crc_value & 0x01)== 0x01) {

crc_value = (crc_value / 2) ^ POLYNOMIAL;

}

else {

crc_value = (crc_value / 2);

}

}

}

3 射頻讀寫基站EM4095介紹

EM4095 是用于RFID的CMOS集成收發(fā)器電路基站芯片，有以下功能:

◆ 利用載波驅(qū)動(dòng)天線；

◆ 用于可讀寫應(yīng)答器的AM調(diào)制磁場；

◆ 對從天線傳輸來的應(yīng)答器的調(diào)制信號進(jìn)行AM解調(diào)；

◆ 與微處理器通過簡單接口通信。

特點(diǎn)如下：

◆ 集成的鎖相環(huán)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)用自適應(yīng)載波頻率來匹配天線諧振頻率;

◆ 無需外部晶振;

◆ 100～150 kHz 載波頻率范圍;

◆ 用橋驅(qū)動(dòng)方式直接驅(qū)動(dòng)天線;

◆ 以O(shè)OK (100% AM調(diào)制)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

◆ 用外部可調(diào)整系數(shù)的單端驅(qū)動(dòng)器以AM調(diào)制的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

◆ 兼容多種應(yīng)答器協(xié)議（如EM400X、 EM4050、 EM4150、 EM4070、 EM4170、EM4069……)；

◆ 睡眠模式1 μA；

◆ 兼容USB電壓范圍；

◆ 40～+85 ℃溫度范圍；

◆ 小外形塑料封裝SO16。

典型工作模式原理如圖1所示。

圖1 讀寫工作模式原理

4 射頻讀寫卡片EM4205介紹

4.1 基本說明

EM Microelectronic 的低頻率RFID IC EM4205用來滿足動(dòng)物識別、廢料管理、工業(yè)的物流管理和存取控制應(yīng)用等領(lǐng)域的特定需求。這個(gè)符合ISO 11784/11785的應(yīng)答器芯片（transponder chip）可滿足目前及未來家畜（livestock）需用，提供高質(zhì)量的讀取范圍。

EM4205特別適于低成本的動(dòng)物標(biāo)簽應(yīng)用，并符合ISO 11784/11785標(biāo)準(zhǔn)，有助于產(chǎn)品的一致性和設(shè)備的互通性。對大多數(shù)的動(dòng)物識別應(yīng)用而言，ISO的數(shù)據(jù)完整性是很重要的。EM4205/4305 可避免數(shù)據(jù)發(fā)生未授權(quán)的修改，也可避免在生產(chǎn)流程中因UV光線所造成的數(shù)據(jù)損失。另外，使用者可通過編程（userprogrammable）內(nèi)存來記錄特定應(yīng)用的信息，如藥品的編碼、日期或與擁有者相關(guān)的數(shù)據(jù)。內(nèi)存可由密碼來保護(hù)，以達(dá)到完整性及保密的目的。

EM4205為了滿足一些特殊應(yīng)用，如玻璃管轉(zhuǎn)換器（glass tube transponder），采用了最小的尺寸，以便將對電子產(chǎn)品的影響減到最小。

4.2 工作原理

EM4205通過外部線圈及內(nèi)部集成的電容一起組成諧振電路，從連續(xù)的125 kHz磁場中獲取能量啟動(dòng)。芯片從內(nèi)部的EEPROM中讀出數(shù)據(jù)，并通過與線圈并聯(lián)的負(fù)載的開斷產(chǎn)生深幅調(diào)制，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。通過對125 kHz磁場的100%幅度調(diào)制，可以執(zhí)行各種命令并更新EEPROM中的數(shù)據(jù)。

EM4205/4305支持幾種Biphase和Manchester，操作模式（配置選項(xiàng)）存儲(chǔ)在EEPROM的配置字中。所有EEPROM字可以通過設(shè)置鎖位進(jìn)行保護(hù)。芯片還包括一個(gè)可編程的32位的UID

（Unique Identification）。

4.3 特點(diǎn)

◆ 512位EEPROM，16字×32位分布；

◆ 32位UID（唯一識別碼）；

◆ 兼容ISO 11784/11785協(xié)議；

◆ 32位口令讀和寫保護(hù)；

◆ 可使EEPROM字進(jìn)入只讀鎖定狀態(tài)；

◆ 2種編碼方式（曼徹斯特、Biphase）；

◆ 多種數(shù)據(jù)傳輸率（8、16、32、64個(gè)RF時(shí)鐘）；

◆ 具有讀卡器先問詢的特點(diǎn)；

◆ 頻率范圍為100～150 kHz；

◆ 芯片自帶整流器和電壓鉗位；

◆ 無需外部電容（電壓保持）；

◆ 溫度范圍為-45 ℃~+85 ℃；

◆ 非常低的功率消耗；

◆ 加大的焊點(diǎn)(200 μm×400 μm) 允許直接連接天線(EM4305)；

◆ EM4205: 2個(gè)諧振電容210 pF或250 pF（mask版本可選）；

◆ EM4305: 3個(gè)諧振電容210 pF或250 pF或330 pF（mask版本可選）；

◆ 協(xié)議和EM4469/4569兼容；

◆ 雙緩沖保護(hù)字。

4.4 EEPROM組成

字14和15用于保護(hù)字0 和13免于被誤操作。

EEPROM的512位有16個(gè)字，每個(gè)字由32位組成。EEPROM字的編號為0～15，在字中的位編號為0～31位，LSB優(yōu)先的原則（即先發(fā)送LSB）。

EEPROM字中的32位通過一個(gè)寫的命令進(jìn)行編程。開始2個(gè)字，代表工廠芯片類型、諧振電容大小及UID號碼，且可以由用戶自行編程。它們不能作為默認(rèn)的信息，但可以存儲(chǔ)一些有用的信息只允許讀命令訪問。（通過寫保護(hù)）

字2是32位的密碼。

字3是自由讀寫。和0、1一樣，它們可以存儲(chǔ)一些有用的信息，只允許讀命令訪問。

字4是配置字，決定設(shè)備操作模式等選項(xiàng)。

字5～13是自由讀寫的數(shù)據(jù)塊（288位），可以作為默認(rèn)信息的一部分。

字14、15是保護(hù)字，用來防止寫命令對字0～13的修改。

5 用EM4205制作動(dòng)物識別卡

第1步：設(shè)計(jì)EM4205配置字。

對于符合ISO11784/5的FDXB 模式，

EM4205應(yīng)該配置為：

◆ Biphase

◆ RF/32

◆ 返回4 BLOCK 16字節(jié) （128位）ISO11784/5的有效數(shù)據(jù)，則BLOCK4為00020C8F。

第2步： 計(jì)算8字節(jié)64位的有效數(shù)據(jù)。

參考動(dòng)物識別卡片數(shù)據(jù)發(fā)送表以及說明。

◆ 將十進(jìn)制的National ID轉(zhuǎn)化為38位的二進(jìn)制數(shù)，最低位對應(yīng)于標(biāo)簽結(jié)構(gòu)中的第64位。

◆ 將十進(jìn)制的Country ID轉(zhuǎn)化為10位的二進(jìn)制數(shù)，加入到38位National ID之前。

◆ 加入1位DATA BLOCK。

◆ 加入14位Reserved位 0。

◆ 加入1位Animal FLAG。

上述5項(xiàng)組成64位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

第3步：計(jì)算2字節(jié)CRC。

根據(jù)上文的CRC計(jì)算例程，計(jì)算64位（8字節(jié)）數(shù)據(jù)的2字節(jié)CRC校驗(yàn)字節(jié)。

第4步：組成16字節(jié)的動(dòng)物標(biāo)簽最終數(shù)據(jù)。

以發(fā)送的順序組成16字節(jié)（128位）的數(shù)據(jù)。

◆ 加入000000001。

◆ 加入8字節(jié)有效,然后再加入2字節(jié)CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)，每個(gè)字節(jié)后面跟1個(gè)1。

◆ 加入3字節(jié)空數(shù)據(jù)，每個(gè)字節(jié)后面跟1個(gè)1。

第5步：16字節(jié)數(shù)據(jù)寫入卡片。

由于每個(gè)BLOCK(32位)的發(fā)送順序?yàn)槲?—位31，將16個(gè)字節(jié)放入4個(gè)BLOCK中的時(shí)候要作如下處理：

第1個(gè)BLOCK：BYTE4+BYTE3+BYTE2+BYTE1。

第2個(gè)BLOCK：BYTE8+BYTE7+BYTE6+BYTE5。

第3個(gè)BLOCK：BYTE12+BYTE11+BYTE10+BYTE9。

第4個(gè)BLOCK：BYTE16+BYTE15+BYTE14+BYTE13。

至此，由EM4205卡編寫而成的ISO11784/5動(dòng)物識別卡制作完成。

結(jié)語

本文介紹了用EM4205通用讀寫射頻卡制作動(dòng)物標(biāo)簽卡的基本過程和方法，對于從事動(dòng)物識別領(lǐng)域的卡片制造商、系統(tǒng)集成商、中間件集成商有一定的實(shí)用價(jià)值。