作者：張建軍；包國(guó)峰；馬一兵

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(duì)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(duì)其進(jìn)行控制成為緊要的任務(wù)。

目前國(guó)際上已經(jīng)廣泛采用動(dòng)物識(shí)別射頻卡作為識(shí)別的媒介，但市場(chǎng)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(shí)別標(biāo)準(zhǔn)。

1 國(guó)際動(dòng)物識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)介紹

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

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

ISO 11784和11785分別規(guī)定了動(dòng)物識(shí)別的代碼結(jié)構(gòu)和技術(shù)準(zhǔn)則。標(biāo)準(zhǔn)中沒有對(duì)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(guó)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(guó)家自行定義。

各國(guó)國(guó)內(nèi)識(shí)別代碼由該國(guó)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(zhǎng)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(guó)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(shí)別用的符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的讀寫器能夠識(shí)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(chǎng)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 194bps。

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(chǎng)暫停3 ms。時(shí)序電子標(biāo)簽事先已經(jīng)通過活化場(chǎng)充入了能量，在活化場(chǎng)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“O”與基頻134．2 kHz對(duì)應(yīng)，邏輯“1”與頻率124．2 kHz對(duì)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(duì)于邏輯“O”為8 387 bps，對(duì)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01lllllOb、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14.5ms（“1”序列）。

2 動(dòng)物識(shí)別卡片結(jié)構(gòu)說明

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

動(dòng)物識(shí)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）DATAl～DATA64

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

舉例：假設(shè)要寫入的是11223344556（十進(jìn)制）（最大為274877906944），對(duì)應(yīng)于十六進(jìn)制是1A21A278BE，對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制是01 1010 0010 0001 1010 0010 01111000 1011 1110，對(duì)應(yīng)于表中的NID就是從NID37～NID0。

②Country ID：高位到低位=DATAl7～DATA26=CID9～CIDO

舉例：假設(shè)要寫入的是1000（十進(jìn)制）（最大為1024），對(duì)應(yīng)于十六進(jìn)制是3E8，對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制是11 1110 1000，對(duì)應(yīng)于表中的CID就是從CID9～CID0。

③DATA BLOCK：DATAl6。

④Resetved：DATA2～DATAl5。

⑤Animal FLAG：DATAl。

（2）CRC部分為8字節(jié)的校驗(yàn)

CRC計(jì)算例程如下：

bur［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)。

}

}

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(chǎng)；

◆對(duì)從天線傳輸來的應(yīng)答器的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行AM解調(diào)；

◆與微處理器通過簡(jiǎn)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1μA；

◆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。

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(shí)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（1ive—stock）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(duì)大多數(shù)的動(dòng)物識(shí)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（user—programmable）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(duì)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(chǎng)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(duì)125kHz磁場(chǎng)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Bi—phase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(shí)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、Bi—phase）；

◆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）；

◆溫度范圍為一45℃～+85℃；

◆非常低的功率消耗；

◆加大的焊點(diǎn)（200μm×400μm）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330pF（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O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(hào)為O～15，在字中的位編號(hào)為O～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(hào)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O、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(duì)字0～13的修改。

5 用EM4205制作動(dòng)物識(shí)別卡

第1步：設(shè)計(jì)EM4205配置字。對(duì)于符合ISO11784／5的FDX—B模式，EM4205應(yīng)該配置為：

◆Bi—phase

◆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(shí)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(duì)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O。

◆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)槲籓一位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+BYTEl。

第2個(gè)BLOCK：BYTE8+BYTE7+BYTE6+BYTE5。

第3個(gè)BLOCK：BYTEl2+BYTEll+BYTElO+BYTE9。

第4個(gè)BLOCK：BYTEl6+BYTEl5+BYTEl4+BYTEl3。

至此，由EM4205卡編寫而成的ISO11784／5動(dòng)物識(shí)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(duì)于從事動(dòng)物識(shí)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。

責(zé)任編輯：gt