基于EM4205通用讀寫射頻卡實現(xiàn)動物標簽卡的應(yīng)用設(shè)計

作者：張建軍；包國峰；馬一兵

引言

近年來，口蹄疫、瘋牛病、禽流感以至“非典”的蔓延，嚴重危及人類生命安全，引發(fā)了人們對動物性食品生產(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行控制成為緊要的任務(wù)。

目前國際上已經(jīng)廣泛采用動物識別射頻卡作為識別的媒介，但市場上的大部分動物標簽卡都是只讀型的，不能進行修改。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物標簽卡的方法以及相應(yīng)的卡片和讀寫基站。

在此之前，要先了解一下動物識別標準。

1 國際動物識別標準介紹

ISO 11784：動物的射頻識別——代碼結(jié)構(gòu)。

ISO 11785：動物的射頻識別——技術(shù)標準。

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

1．1 代碼結(jié)構(gòu)——國際標準ISO 11784

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

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)別不同的動物類型、品種、所在區(qū)域、飼養(yǎng)者等等。這些在此標簽內(nèi)沒有做出規(guī)定。

技術(shù)準則規(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)答器充電時間和工作頻率的限制，通信速率較低。

1．2 技術(shù)標準——國際標準ISO 11785

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

1．2．1 全雙工／半雙工系統(tǒng)

全雙工／半雙工電子標簽通過活化場得到電源，并立即開始傳輸存儲的數(shù)據(jù)。因為是不需要副載波的負載調(diào)制過程，同時數(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。當頻率為134．2 kHz時，傳輸速率（位率）為4 194bps。

全雙工／半雙工數(shù)據(jù)報文包括了11位的起始域（頭標）、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）。每傳輸8 位后，插入一個邏輯“1”電平的填充位，以便避免出現(xiàn)頭標為“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 時序系統(tǒng)

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

電子標簽用頻移鍵控（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“O”為8 387 bps，對于邏輯“1”為7 762 bps。

時序數(shù)據(jù)報文包括了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 動物識別卡片結(jié)構(gòu)說明

根據(jù)動物識別的標準，可以得到動物識別卡片數(shù)據(jù)發(fā)送的順序，即從第1個字節(jié)的bitO發(fā)送到第16個字節(jié)的bit7。

動物識別卡片數(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）DATAl～DATA64

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

舉例：假設(shè)要寫入的是11223344556（十進制）（最大為274877906944），對應(yīng)于十六進制是1A21A278BE，對應(yīng)于二進制是01 1010 0010 0001 1010 0010 01111000 1011 1110，對應(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（十進制）（最大為1024），對應(yīng)于十六進制是3E8，對應(yīng)于二進制是11 1110 1000，對應(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

CRC計算例程如下：

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)制信號進行AM解調(diào)；

◆與微處理器通過簡單接口通信。

特點如下：

◆集成的鎖相環(huán)系統(tǒng)，以實現(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)動方式直接驅(qū)動天線；

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

◆用外部可調(diào)整系數(shù)的單端驅(qū)動器以AM調(diào)制的方式進行數(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物標簽應(yīng)用，并符合ISO 11784／11785標準，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（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，以達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。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125kHz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Bi—phase和Manchester，操作模式（配置選項）存儲在EEPROM的配置字中。所有EEPROM字可以通過設(shè)置鎖位進行保護。芯片還包括一個可編程的32位的UID（Unique Identification）。

4．3 特 點

◆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；

◆可使EEPROM字進入只讀鎖定狀態(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RF時鐘）；

◆具有讀卡器先問詢的特點；

◆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（200μm×400μm）允許直接連接天線（EM4305）；

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

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

◆協(xié)議和EM4469／4569兼容；

◆雙緩沖保護字。

4．4 EEPROM組成

字14和15用于保護字O和13免于被誤操作。

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

EEPROM字中的32位通過一個寫的命令進行編程。開始2個字，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。它們不能作為默認的信息，但可以存儲一些有用的信息只允許讀命令訪問。（通過寫保護）

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。

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

字14、15是保護字，用來防止寫命令對字0～13的修改。

5 用EM4205制作動物識別卡

第1步：設(shè)計EM4205配置字。對于符合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：計算8字節(jié)64位的有效數(shù)據(jù)。

參考動物識別卡片數(shù)據(jù)發(fā)送表以及說明。

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

◆將十進制的Country ID轉(zhuǎn)化為10位的二進制數(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項組成64位二進制數(shù)據(jù)。

第3步：計算2字節(jié)CRC。

根據(jù)上文的CRC計算例程，計算64位（8字節(jié)）數(shù)據(jù)的2字節(jié)CRC校驗字節(jié)。

第4步：組成16字節(jié)的動物標簽最終數(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校驗數(shù)據(jù)，每個字節(jié)后面跟1個1。

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

第5步：16字節(jié)數(shù)據(jù)寫入卡片。

由于每個BLOCK（32位）的發(fā)送順序為位O一位31，將16個字節(jié)放入4個BLOCK中的時候要作如下處理：

第1個BLOCK：BYTE4+BYTE3+BYTE2+BYTEl。

第2個BLOCK：BYTE8+BYTE7+BYTE6+BYTE5。

第3個BLOCK：BYTEl2+BYTEll+BYTElO+BYTE9。

第4個BLOCK：BYTEl6+BYTEl5+BYTEl4+BYTEl3。

至此，由EM4205卡編寫而成的ISO11784／5動物識別卡制作完成。

結(jié)語

本文介紹了用EM4205通用讀寫射頻卡制作動物標簽卡的基本過程和方法，對于從事動物識別領(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用價值。

責(zé)任編輯：gt