「阿库课堂」RFID基础知识8·高频篇

    上一期我们了解了“低频RFID”的基本原理与实际应用，它作用范围现在主要应用于短距离技术领域范围内。本期课堂阿库将为你讲讲高频RFID的故事~ 一起来看看低频RFID与高频RFID之间有何区别？

高频RFID简述

    高频的工作频率一般为3MHz ~ 30MHz。典型工作频率为：13.56MHz。该频段的射频通信技术，从射频识别应用角度来说，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作， 频标签一般也采用无源为主，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感（磁）耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得，标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内，高频标签的阅读距离一般情况下也小于1米。

    高频标签由于可方便地做成卡状，典型应用包括：电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等。相关的国际标准有：ISO14443、ISO15693、ISO18000-3（13.56MHz）等。

ISO15693

    ISO15693 (ISO SC17lWG8)：短距离智慧卡标准，这标准订出读取距离可高达一米非接触智慧卡，使用的频率为13.56MHz，让生产读写器设计的成本比IS014443低，大都用来做进出控制、出勤考核等，现在很多企业使用的门禁卡大都使用这一类的标准。

    ISO15693采用轮寻机制、分时查询的方式完成防冲突机制，防冲突机制使得同时处于读写区内的多个标签的正确操作成为可能，既方便了操作，也提高了操作的速度和读取范围，IOS15693读取速度上限为53或者26.5Kb/s，距离最远可达1.5m。

    The minimum operating field strength（最低工作场强）is specified:

    ISO14443：Hmin= 1.5 A/m(Mifare)

    ISO15693：Hmin = 0.15 A/m(I*Code)

可知ISO15693标准的灵敏度是ISO14443的10倍，在增加了读距的同时，也导致了其在安全性和保密性相对于ISO14443较弱。

标签芯片

    高频RFID标签芯片国内外的企业主要以NXP、复旦微电子、为主，在手机NFC芯片中NXP一家独大，除此之外在国内也涌现出一批初创高频芯片公司，类似飞聚微电子、坤锐、凯路威、华虹等，这类主要做定制化产品与特殊行业应用相结合。

    标签芯片内部逻辑示意图

高频RFID芯片里面主要名词介绍： VICC、UID、特殊功能（EAS、AFI、DSFID）和写入控制位等

●VICC：非接触疏耦合智能卡

●UID：是厂商写入的世界唯一标签识别序列号，用户不可更改，在UID中包含厂商代码、产品分类代码和标签芯片生产序列代码。

●EAS（电子防盗系统）：主要用来防止物品被盗，标签管理者可以设置（EAS=1）和清除（EAS=0）EAS标识，当设置有EAS标识的标签通过读写器的作用范围时，读写器会识别EAS标识，发出警报。

●特殊功能AFI（应用族标识符）：可事先规定应用族代码并写入AFI字节，在处理多个标签的时候进行分类处理。

●特殊功能DSFID（数据存储格式标识符）：指出了数据在VICC内存中的结构，可取消选定命令。

●CRC（循环冗余校验）：主要用来检测或校验数据传输或者保存后可能出现的错误

ISO15693协议高频芯片，主要应用型号如下；

标签天线

    高频RFID的天线跟低频RFID类似，都是采用线圈的形式进行信号的接收和发送，不过除了传统的铜线绕制外，还增加了蚀刻工艺，提高标签的形式多样性，使其更薄更小，应用场景可以深入定制化。目前市面上以圆线圈和矩形线圈为主，线圈型天线是将金属线盘绕成平面或将金属线缠绕在磁心上。

    常见的高频标签天线如下图所示

ISO14443A/B

    ISO14443A/B：超短距离智慧卡标准这标准订出读取距离7-15厘米的短距离非接触智慧卡的功能及运作标准，使用的频率为 13.56MHz，ISO14443 定义了 TYPE A, TYPE B两种类型协议，通信速率106kbit/s，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。

●TYPE A 采用开关键控(On-Off keying)的Manchester编码，TYPE B采用NRZ-L的BPSK编码。

●TYPE B与TYPE A相比，具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力强的优点。

    RFID的核心是防冲突技术，这也是和接触式IC卡的主要区别。

●ISO14443-3规定了TYPEA和TYPE B的防冲突机制，二者防冲突机制的原理不同，前者是基于位冲突检测协议，而TYPE B通信系列命令序列完成防冲突。

目前的第二代电子身份证采用的标准是IS014443 TYPE B协议。

标签芯片

    ISO14443协议标签主要应用在短距离一卡通和票据管理，技术比较成熟，适合大部分场景，对于防伪追溯具有重要意义。

标签天线

    ISO14443协议标签天线类型主要有以下圆线圈和矩形线圈两种，区别在于芯片的封装不同，主流的尺寸和规格如下；

NFC

    NFC（Near Field Communication）是一种近距离无线通信技术，非接触式的识别和互联，由RFID技术演变而来，能够近距离的进行识别和数据传输，工作于13.56MHz，最大传输速度只有424kbit/s，有效传数据率距离只有10cm左右，NFC支持双向连接和识别，使设备之间访问更具安全性和保密性，主要有2类标准；

    NFCIP-1(ISO/IEC10892,ECMA340)：规定了NFC设备的通信模式、调制方式、编码、传输速度、帧结构、初始化流程、防碰撞要求、传输协议等。

    NFCIP-2(ISO/IEC21481,ECMA352)：为了兼容非接触智能卡的应用，定义了NFC通信模式的选择。

标签芯片基本类型

NFC包含两种通信模式：主动模式和被动模式

    ●主动模式：NFC设备要向其他设备发送数据时，发起设备和目标设备都需要产生自己的射频场，可以快速获取连接设置，发起设备指最先发起初始命令设备，目标设备指应答一方，两者采用的时半双工通信技术，防止数据冲突。

    ●被动模式：发起设备提供整个通信的射频场，选这合适的传输速度，目标设备不必产生RF场，只需使用负载调制(load modulation)技术，以相同的速度将数据传回发起设备，移动设备通过采用被动模式进行通信，大幅降低功耗，并延长电池寿命。

NFC三种业务模式：卡模拟模式，读卡器模式，点对点模式。

●卡模拟（Card emulation mode）

    NFC手机可以模拟成为一张非接触卡，读写器通过读取NFC手机进行采集数据， 然后将数据传送到应用系统进行处理，由于卡片通过非接触读卡器的 RF 场来供电，即便是模拟设备（如手机）没电也可以工作，可应用于移动支付、公交乘车、门禁管制等。

●读卡器模式（Reader/writer mode）

    NFC手机可以通过触碰NFC标签（Tag），从中读取非接触标签中的内容，作为非接触式读写器，采集数据并发送到对应的应用进行处理。可应用于海报，酒类防伪读取等。

●点对点模式（P2P mode）

    两个NFC设备可以近距离用于数据交换，只是传输距离较短，传输创建速度较快，实现点对点数据传输。可应用于快速建立手机数据传输、蓝牙连接等。

NFC芯片

    NFC芯片基本被国外厂商垄断，其中恩智浦、ST、INSIDESecure为三大主流NFC芯片厂商，国内主要以复旦微电子、飞聚微电子、，坤锐为主，一般NFC标签芯片是RFID产品线的一个产品系列，由高频逻辑加密系列芯片发展而来，二者都遵循ISO14443/NFC Type2/5等协议，NFC标签芯片系列产品继承了高频逻辑加密卡芯片射频兼容性良好的优点，可定制加密算法保障数据的安全性。

NFC天线

    NFC天线主要根据应用环境的差异和芯片规格进行蚀刻研发生产，通过把设计的天线电感量计算出来，配上匹配电容，验证和微调谐振频率是否满足需求，市面上主流的天线尺寸和圈型如下图所示；

读写设备

    高频读写器，高频HF的射频识别设备工作于13.56MHz频段，系统通过天线线圈电感耦合来传输能量，通过电感耦合的方式磁场能量下降较快。磁场信号具有明显的读取区域边界。主要应用于1米以内的人员或物品的识别。主要遵循两种协议：ISO/IEC14443（A、B）协议，ISO/IEC15693协议。

    常见的读写设备；可分固定式读写器、手持机、通道门禁三类别，主要应用在图书管理，打卡签到等应用上。

    常见的高频读写器类型

高频天线

    高频天线由匹配调谐网络和矩形线圈构成，天线覆盖范围的性能主要跟品质因子、带宽、天线线圈内部分布有关，在RFID系统中，读写器天线的品质因子与天线的辐射效率成正相关，品质因子越高表示天线的辐射效率越高；但是天线的带宽与天线的品质因子成反比。避免随着匝数的增加导致的品质因子增加、带宽降低的不良影响，可以通过合理的设计优化天线线圈内部的分配，使天线在工作频段的辐射能力得到提升。

    根据外观性能的不同可分为；①平板天线，②手持天线，③框架天线，④PCB天线，矩形和圆圈结构图如下；