采用ISO11784/SO11785的動物識別標簽設計

在介紹ISO 11784/5動物識別國際標準的基礎上，通過對動物識別卡片結構的詳細分析，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物識別卡的設計方法。這種方法使得動物標簽卡的制作更為靈活，滿足了各動物標簽使用國家和領域對其定義的自由度需求，是一種先進的卡片仿真設計方法。

關鍵詞? ISO 11784/5? 讀寫基站? 動物識別標簽? 應答器? EM4205? EM4095

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，引發了人們對動物性食品生產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。

　　目前國際上已經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——代碼結構。

　　ISO 11785：動物的射頻識別——技術標準。

　　ISO 11784和11785分別規定了動物識別的代碼結構和技術準則。標準中沒有對應答器樣式尺寸加以規定，因此可以設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? 代碼結構——國際標準ISO 11784

　　代碼結構為64位，如表1所列。其中的27～64位可由各個國家自行定義。

表1? RFID 11784和11785標準代碼結構

　　各國國內識別代碼由該國自行管理。27～64位也可以分配用于區別不同的動物類型、品種、所在區域、飼養者等等。這些在此標簽內沒有做出規定。

　　技術準則規定了應答器的數據傳輸方法和閱讀器規范。工作頻率為134.2 kHz，數據傳輸方式有全雙工和半雙工兩種，閱讀器數據以差分雙相代碼表示。應答器采用FSK調制，NRZ編碼。

　　由于較長的應答器充電時間和工作頻率的限制，通信速率較低。

1.2? 技術標準——國際標準ISO 11785

　　ISO 11785技術標準規定了電子標簽的數據傳輸方法和讀寫器規范，以便激活電子標簽的數據載體。制定該技術標準的目的是使范圍廣泛的不同制造商的電子標簽能夠使用一個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分使用全雙工／半雙工的系統(負載調制)的電了標簽和使用時序系統的電子標簽。

1.2.1? 全雙工/半雙工系統

　　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據。因為是不需要副載波的負載調制過程，同時數據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4 194 bps。

　　全雙工/半雙工數據報文包括了11位的起始域(頭標)、64位(8字節)有用數據、16位(2字節)CRC以及24位(3字節)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

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

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

　　把發送頻率除以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。

　　時序數據報文包括了8位起始域01111110b、64位(8字節)有用數據、16位(2字節)CRC以及24位(3字節)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? 動物識別卡片結構說明

　　根據動物識別的標準，可以得到動物識別卡片數據發送的順序，即從第1個字節的bit0發送到第16個字節的bit7。

　　動物識別卡片數據發送表見本刊網站（編者注）。表中內容說明如下：

（1） DATA1～DATA64

　　① National ID: 高位到低位=DATA27～DATA64=NID37～NID0
　　舉例：假設要寫入的是11223344556（十進制）(最大為274877906944)，
　　對應于十六進制是1A21A278BE，
　　對應于二進制是01 1010 0010 0001 1010 0010 0111 1000 1011 1110，
　　對應于表中的NID就是從NID37～NID0。

　　② Country ID: 高位到低位=DATA17～DATA26=CID9～CID0
　　舉例： 假設要寫入的是1000（十進制）(最大為1024)，
　　對應于十六進制是3E8，
　　對應于二進制是11 1110 1000，
　　對應于表中的CID就是從CID9～CID0。

　　③ DATA BLOCK: DATA16。
　　④ Reserved: DATA2～DATA15。
　　⑤ Animal FLAG: DATA1。

（2） CRC部分為8字節的校驗

　　CRC計算例程如下：
　　buf[0]～buf[7]為8字節有效數據。crc_value為2字節CRC校驗數據。

　　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集成收發器電路基站芯片，有以下功能:

　　◆ 利用載波驅動天線；
　　◆ 用于可讀寫應答器的AM調制磁場；
　　◆ 對從天線傳輸來的應答器的調制信號進行AM解調；
　　◆ 與微處理器通過簡單接口通信。

　　特點如下：

　　◆ 集成的鎖相環系統，以實現用自適應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;
　　◆ 用橋驅動方式直接驅動天線;
　　◆ 以OOK (100% AM調制)的方式進行數據傳輸；
　　◆ 用外部可調整系數的單端驅動器以AM調制的方式進行數據傳輸；
　　◆ 兼容多種應答器協議（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用來滿足動物識別、廢料管理、工業的物流管理和存取控制應用等領域的特定需求。這個符合ISO 11784/11785的應答器芯片（transponder chip）可滿足目前及未來家畜（livestock）需用，提供高質量的讀取范圍。

　　EM4205特別適于低成本的動物標簽應用，并符合ISO 11784/11785標準，有助于產品的一致性和設備的互通性。對大多數的動物識別應用而言，ISO的數據完整性是很重要的。EM4205/4305 可避免數據發生未授權的修改，也可避免在生產流程中因UV光線所造成的數據損失。另外，使用者可通過編程（userprogrammable）內存來記錄特定應用的信息，如藥品的編碼、日期或與擁有者相關的數據。內存可由密碼來保護，以達到完整性及保密的目的。

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

4.2? 工作原理

　　EM4205通過外部線圈及內部集成的電容一起組成諧振電路，從連續的125 kHz磁場中獲取能量啟動。芯片從內部的EEPROM中讀出數據，并通過與線圈并聯的負載的開斷產生深幅調制，將數據發送出去。通過對125 kHz磁場的100%幅度調制，可以執行各種命令并更新EEPROM中的數據。

　　EM4205/4305支持幾種Biphase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協議；
　　◆ 32位口令讀和寫保護；
　　◆ 可使EEPROM字進入只讀鎖定狀態；
　　◆ 2種編碼方式（曼徹斯特、Biphase）；
　　◆ 多種數據傳輸率（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-45 ℃~+85 ℃；
　　◆ 非常低的功率消耗；
　　◆ 加大的焊點(200? μm×400? μm) 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330 pF（mask版本可選）；
　　◆ 協議和EM4469/4569兼容；
　　◆ 雙緩沖保護字。

4.4? EEPROM組成

　　字14和15用于保護字0 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0～15，在字中的位編號為0～31位，LSB優先的原則（即先發送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0、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，決定設備操作模式等選項。

　　字5～13是自由讀寫的數據塊（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：設計EM4205配置字。
　　對于符合ISO11784/5的FDXB 模式，
　　EM4205應該配置為：
　　◆ Biphase
　　◆ RF/32
　　◆ 返回4 BLOCK 16字節 （128位）ISO11784/5的有效數據，則BLOCK4為00020C8F。

　　第2步： 計算8字節64位的有效數據。
　　參考動物識別卡片數據發送表以及說明。
　　◆ 將十進制的National ID轉化為38位的二進制數，最低位對應于標簽結構中的第64位。
　　◆ 將十進制的Country ID轉化為10位的二進制數，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項組成64位二進制數據。

　　第3步：計算2字節CRC。
　　根據上文的CRC計算例程，計算64位（8字節）數據的2字節CRC校驗字節。

　　第4步：組成16字節的動物標簽最終數據。
　　以發送的順序組成16字節（128位）的數據。
　　◆ 加入000000001。
　　◆ 加入8字節有效,然后再加入2字節CRC校驗數據，每個字節后面跟1個1。
　　◆ 加入3字節空數據，每個字節后面跟1個1。

　　第5步：16字節數據寫入卡片。
　　由于每個BLOCK(32位)的發送順序為位0—位31，將16個字節放入4個BLOCK中的時候要作如下處理：
　　第1個BLOCK：BYTE4+BYTE3+BYTE2+BYTE1。
　　第2個BLOCK：BYTE8+BYTE7+BYTE6+BYTE5。
　　第3個BLOCK：BYTE12+BYTE11+BYTE10+BYTE9。
　　第4個BLOCK：BYTE16+BYTE15+BYTE14+BYTE13。
　　至此，由EM4205卡編寫而成的ISO11784/5動物識別卡制作完成。

結語

　　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域的卡片制造商、系統集成商、中間件集成商有一定的實用價值。