基于RFID信号的探测和还原技术研究

黄少驰

摘 要：非接触式IC卡，又名射频卡，它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，解决了无源（卡中无电池）和免接触这一难题。本文在介绍了美国TEMIC公司生产的e5550射频卡的功能和特点的基础上，设计了一种基于单片机、能触发非接触IC卡发出信号，并能探测和解调出射频卡的基带数据，最后完成对基带数据的模拟调制输出的样机。

关键词：射频卡；e5550；RFID

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）03-0018-02

e5550型射频卡是一种非接触型的IC卡，工作时所需的能量由其外接线圈在特定磁场中从阅读器的天线藕合获得，外接线圈感应的电压，经整流后向应答器供应能量，应答器和阅读器间是通过电磁场来进行数据传输的。IC卡内带电磁线圈，在获得电磁波能量激发后会不间断的发射IC芯片中的数据，这些数据被调制在125KHz的调制波上的，本文设计的思路就是自制振荡线圈发射125KHz的电磁波，激发IC卡发射内部芯片的数据，同时又用另一个振荡线圈接收IC卡发射的125KHz电磁波并记录保存，在获得数据并经前向糾错后能发射记录的数据，最后获得阅读器或基站的认可，完成规定的动作，如门禁设备的动作等。

1 e5550的功能特点

e5550是由美国TEMIC和ATMEL公司生产的低成本可读写射频卡芯片，目前国内很多公司均可向用户提供将e5550封装成标准射频IC卡的服务。由于e5550可以和低成本的射频卡基站U2270B构成完整的射频卡应用系统，且具有很高的性能价格比，因此在门禁卡系统、公交系统、餐饮服务系统等领域得到了广泛的应用。e5550的功能特点如下：

（1）采用低功耗、低电压CMOS结构；（2）采用非接触电感耦合方式来获取电源；（3）工作频率为100～150kHz；（4）内含264位非易失性存储器，其中224位可供用户自由使用；（5）具有存储区块保护和密码保护功能；（6）位传送速率可选，根据需要可以选择射频频率的8、l6、32、40、50、64、100、128分频速率进行；（7）数据传送，能提供二进制码、幅移键控、频移键控、曼彻斯特编码和双相位码多种调制方式。

2 e5550工作原理介绍

e5550采用SOP8封装形式的引脚排列（图1a）及管脚含义（图1b）见图1，内部工作原理框图见图2。由于芯片的工作电源是通过连接在引脚1和引脚8的天线感应获得的，因此将e5550芯片封装到卡内时，第2～7引脚是开路的。

3 e5550芯片构成的系统硬件电路

e5550是一种由低电压、低功耗的CMOS电路组成的非接触IC卡，它的供电电压由外接线圈从基站U2270的线圈上感应的电压经内部整流电路提供。外接线圈与电容形成串联谐振，谐振频率为l25kHz，利用470k电阻和1.5nF电容组成选频网络，使输入端的信号频率在l25kHz左右。应答器和阅读器问的数据传输是双向的，E5550利用调制天线负载的办法向基站发射数据，即通过数据控制负载电压的接通和断开，这些数据就能够从应答器传输到阅读器。U2270B对接受到的数据信号进行整流，输出可以直接接到单片机的输入端，然后根据相应的解调方法进行解码，解码利用软件来实现。

由e5550芯片设计的射频卡是一种非接触的IC卡，工作时所需的能量可由其外接线圈在特定磁场中（如图3中的U2270B的第8，9脚之间发射的电磁能量）从阅读器的天线藕合获得外接线圈感应的电压，经整流后向应答器供应能量。应答器和阅读器间是通过磁场或电磁场来进行数据传输的。本文设计了一套能模拟U2270B基站发射电磁能量，并能截获e5550发出的数据的设备。

在RFID系统中，一个感应耦合收发器由一个电子数据运载器件，通常是一个微芯片（如e5550）和一个大面积的无线线圈组成。感应耦合收发器几乎都是被动式（无源）工作，这意味着为了芯片工作的所有能量都必须由阅读器提供，为了这个目的，阅读器的天线线圈产生一个强大、频率高的电磁场，他穿过线圈的横截面和线圈周围的空间，因为使用的频段的波长125KHz，2400m，是阅读器和收发器之间距离的数倍，相对于这个距离，电磁场可以看做是简单的交变磁场。

4 RFID信号探测电路硬件设计

上诉内容主要阐述了基于e5550芯片的RFID卡的发射和接收的工作原理，本节将介绍如何激活以e5550为核心器件构成的射频卡，并对射频卡发出的信号进行捕获、记录并模拟发射射频卡的低频信号，以达到射频卡的各种功能，如开启门锁等等。

U2270B集成电路的第8和第9脚间的电感线圈需要发射低频信号去激活e5550的射频卡，同时接收射频卡的信号并解调、确认后做相关的开门或关门等动作。本文用于解调、记录和还原射频卡信号的电路由三个部分组成：以高速单片机为主CPU的控制电路，电路框图；以微型单片机设计的130KHz载频信号产生电路；对130KHz射频信号的整形滤波电路。

主单片机用于控制副单片机发射125KHz的固定频率的RF信号，并以中断方式接收并记录射频信号整形电路输出的TTL电平的脉冲编码信号，同时也可以发射存储的射频编码数据，发射电路与130K信号产生电路一致。微型单片机用于产生130K的脉冲信号，脉冲信号经放大后驱动电感天线，该电路是把电流送到天线产生磁场，以激活射频卡工作。接收电路包括对收发器感应的天线调制信号的解调，读出接收到的来自射频卡的调制信号。

从射频卡返回的数据一般采用编码方式发射，本电路是曼切斯特编码格式，由于本基站处理的是射频信号，所以在硬件设计时要特别注意干扰问题，不然会直接影响读写卡的效果。在就近的地方需要用去耦电容尽量滤去电源杂波的干扰，布线时要杜绝电源和地之间构成大回路而造成噪声干扰。如果实际中没有上述问题而读写效果仍不是很好的话，可以试着改变天线的电感量进一步调试。如果仍不可以，还可以通过改变c值调节高通滤波的下限频率进行，本基站采用的是650p电容。

5 磁感应天线设计和制作

当一个RFID射频卡进入天线工作范围时，射频卡就会连续不断地发送芯片固有的电磁场信号，对射频卡信号探测的关键是如何把电磁场信号进行整形、滤波、限幅放大、比较输出，CPU再把记录的数据调制到130KHz产生电路通过天线发射出去，本电路需要两副天线，一副用于载频信号产生，一副用于数据的接收和发射。

对射频卡信号的探测的基础是由线圈组成的磁感应天线的设计和制作，法拉第电磁感应定律描述了因磁通量变化产生感应电动势的现象，它的数学表达式是：

ui=∫Ei·ds=-d（t）/dt

磁感应线圈需要绕制，一般使用铜制漆包线绕制直径3cm、匝数约800圈的线圈，根据本系统的其他参数计算得到，线圈电感值L=135mH左右。磁感应天线的品质因数Q和谐振频率是电感耦合式射频识别系统天线的特征值，品质因数Q会影响系统的读写距离，较高的品质因数，会得到较高的读写器天线电压，因而可增加射频卡的能量传输。与之相反，天线的传输带宽与品质因数Q值成反比，选择的品质因数过高，会导致带宽缩小，从而明显减弱射频卡接收到的调制边带。此外，由于射频卡是无源IC卡，其能量是通过电磁感应而来的，而且受到卡形状的限制，卡中不可能封装很大的天线，使得接收的能量较小，从而决定了读写器工作距离短，一般在10厘米内。谐振回路的品质因数Q表达式如下：

Q=f0/B

式中f0为谐振频率，B为带宽。一般Q值取l2左右。

6 結语

RFID是一种自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性对被识别物体实现自动识别，RFID系统一般由天线、读写器和电子标签组成。采用e5550、U2270B、M44C260芯片构成的非接触控制系统结构简单、性能稳定可靠，广泛应用跟踪、识别、确认和管理等场合，如出入口管理门禁、汽车防盗止动器、报警系统和重要设备启动等安全防范领域非接触控制。本文设计的对于工作在125KHz频率的射频卡的探测和还原电路，优点是不管射频卡发射的空间信号的编码格式和协议，只需要真实的记录和并按记录的数据发射还原，试验表明，本文设计的对于低频RFID信号的探测和还原设备体积小巧，操作简单，误码率低。

参考文献

[1]饶运涛.电子标签技术[M].北京航空航天大学出版社，2011.

[2]许毅，陈建军.RFID原理与应用[M].清华大学出版社，2013.

[3]曹志刚.通信原理与应用，系统案例部分，短距离无线通信[M].高等教育出版社，2015.