RFID基础——高频RFID协议、读写模块和标签

RFID技术中的低频、高频、超高频有各自的优点和应用场景。其中，与我们个人生活息息相关的门禁卡、公交卡、身份证、图书标签主要用到的是高频RFID。这些应用也对应着高频RFID中不同的协议。

高频RFID协议

RFID标签协议是由ISO与国际电工委员会（IEC）联合制定的，是RFID设备之间进行通信的基础，也是标签芯片设计的依据。从标准协议上，13.56MHz高频主要分为ISO14443与ISO15693两种协议，这两者区别简单地说14443是近场耦合，15693是远场耦合，14443具有加密功能，15693具有穿透性好，抗干扰性能力强。当然，现在部分15693芯片也增加了一些加密功能，扩充其应用范围。

近场耦合和远场耦合中的远近是相对的。

非接触式卡标准涵盖了ISO/IEC 10536(Close coupled cards)、ISO/IEC 144433(Proximity cards)、ISO/IEC 15693(Vicinity cards)。它们分别适用于离相关耦合装置很近、较近和有一定距离的情况。

ISO14443协议

ISO14443是一种用于近距离非接触式通信的协议，主要应用于高频（13.56 MHz）RFID系统。它分为两种类型：ISO14443-A 和 ISO14443-B。ISO14443分为四部分协议，这四个部分对应不同的分层。

ISO14443-1：定义物理特性，可以理解为物理层
ISO14443-2：射频电源和信号接口
ISO14443-3：初始化和防碰撞机制
ISO14443-4：传输协议

ISO14443-A 和 ISO14443-B都是分成这四部分，大多数是共用的，只是有部分是描述A的，有部分是描述B的。对于软件开发者而言，主要是研究ISO14443-3和ISO14443-4协议。初始化和防碰撞相关内容在ISO14443-3上。

ISO14443-A 和 ISO14443-B的主要区别在调制方式、编码方式和防冲突机制。详细对比如下所示：

特性	ISO/IEC 14443-A	ISO/IEC 14443-B
调制方式	100% ASK	10% ASK
编码方式	Miller 编码（读写器到标签）曼彻斯特编码(标签到读写器)	NRZ-L 编码
防冲突机制	比特防冲突协议	时隙防冲突协议
通信速率	默认速率：106 kbit/s 支持更高速率：212 kbit/s、424 kbit/s 和 848 kbit/s。	默认速率：106 kbit/s 支持更高速率：212 kbit/s、424 kbit/s 和 848 kbit/s。
通信距离	0 至 10 cm（典型值为 4 cm）	0 至 10 cm（典型值为 4 cm）
安全性	支持加密和认证机制	支持更高的安全性和加密机制
主要应用	支付系统（如 MIFARE 卡）、门禁系统、公共交通，考勤	高安全性需求的场景（如电子身份证、电子驾照）

ISO15693协议

ISO15693是一种用于远距离非接触式通信的协议，协议分为三部分：

ISO15693-1：定义物理特性，可以理解为物理层
ISO15693-2：射频电源、信号接口和初始化
ISO15693-3：防碰撞机制和传输协议

对于软件开发者而言，主要是研究ISO15693-3。其中详细说明了 VICC 的存储结构，防碰撞的过程，VCD 与 VICC 之间通信的请求和响应数据格式，主要的命令等。主要的技术特点如下：
通信距离：0 至 1.5 米（典型值为 1 米）
主要应用：资产管理、图书馆管理、供应链管理、医疗领域
调制方式：
- 读写器到标签：使用 ASK（幅移键控）调制，调制深度为 10% 或 100%。
- 标签到读写器：使用 负载调制（Load Modulation）
编码方式：
- 读写器到标签：使用 1/4 编码，即每个比特编码为 4 个载波周期。
- 标签到读写器：使用 曼彻斯特编码。
通信速率：高速率26.48 kbit/s，低速率6.62 kbit/s。
防碰撞机制：使用 时隙防冲突协议（Slotted Aloha），通过时隙分配来解决冲突，支持多标签读取。
安全性：支持 EAS（电子商品防盗）功能，用于防盗报警。取决于标签是否支持该功能。部分15693芯片也增加了一些加密功能，比如华大半导体15693增加国密SM7。^[1]
存储容量：典型的存储容量为 1 KB 至 4 KB，具体取决于标签型号。

高频RFID读写模块

谈到13.56MHz高频芯片及制造商，就不得不提到NXP这仨个字。通过搜索引擎以及电商平台查找，出现频率较高的基本都是NXP的产品。例如MFRC522、CLRC663、PN532、PN5180等。

MFRC522

RC522是一款用于13.56 MHz的非接触式通信的芯片，支持 ISO/IEC 14443 A/MIFARE和 NTAG。接口方面支持SPI、UART、IIC三种串行通信。^[2]在天线和调谐合适的情况下，读/写模式下的典型工作距离可达50mm。这款读写模块价格便宜，电商平台上大都在5元左右

CLRC663

CLRC663是一款支持全协议的读写模块，支持NFC。接口方面支持SPI、UART、IIC三种串行通信。价格较便宜，基本不到50元。支持以下工作模式：^[3]

Read/write mode supporting ISO/IEC 14443 type A and MIFARE Classic communication mode
Read/write mode supporting ISO/IEC 14443B
Read/write mode supporting JIS X 6319-4 (comparable with FeliCa)1
Passive initiator mode according to ISO/IEC 18092
Read/write mode supporting ISO/IEC 15693
Read/write mode supporting ICODE EPC UID/ EPC OTP
Read/write mode supporting ISO/IEC 18000-3 mode 3/ EPC Class-1 HF

PN532

PN532模块支持6种协议/操作模式，包括NFC。接口方面支持SPI、UART、IIC三种串行通信。价格较便宜，基本不到10元。支持以下工作模式：^[4]

ISO/IEC 14443A/MIFARE Reader/Writer
FeliCa Reader/Writer
ISO/IEC 14443B Reader/Writer
ISO/IEC 14443A/MIFARE Card MIFARE Classic 1K or MIFARE Classic 4K card

emulation mode
FeliCa Card emulation
ISO/IEC 18092, ECMA 340 Peer-to-Peer

PN5180

PN5180是市场上最好的支持NFC的全协议模块^[5]。PN5180可确保下一代NFC手机的最大互操作性。PN5180实现了高功率NFC前端功能，无需额外的外部有源组件即可实现射频电平的EMV合规性。价格较便宜，基本不到30元。支持以下工作模式：

Reader/Writer mode supporting ISO/IEC 14443-A up to 848 kBit/s, MIFARE
Reader/Writer mode supporting ISO/IEC 14443-B up to 848 kBit/s
Reader/Writer mode supporting JIS X 6319-4 (comparable with FeliCa scheme)
Supports reading of all NFC tag types (type 1, type 2, type 3, type 4A and type 4B)
Reader/Writer mode supporting ISO/IEC 15693
Reader/Writer mode supporting ISO/IEC 18000-3 Mode 3
ISO/IEC 18092 (NFC-IP1)
ISO/IEC 21481 (NFC-IP-2)
ISO/IEC 14443-type A Card emulation up to 848 kBit/s

高频RFID卡^[6]

ISO 14443-A 协议：

MF1 IC S20：国内常称为MIFARE Mini，原装芯片厂家为恩智浦(NXP)，在一卡通方面应用普遍。
Mifare Std 1k MF1 IC S50及其兼容卡：原装芯片厂家为恩智浦(NXP)，在一卡通方面应用普遍。
Mifare Std 4k MF1 IC S70及其兼容卡：原装芯片厂家为恩智浦(NXP)，在一卡通方面应用普遍。
Mifare Ultralight MF0 IC U1X：国内常称为U10,芯片厂家为恩智浦(NXP)，广深高速火车票为典型应用。
Mifare Ultralight C：原装芯片厂家为恩智浦（NXP）。
Mifare DESfire 2k MF3 IC D21：芯片厂家为恩智浦（NXP），国内常称为MF3 2k。
Mifare DESfire 4k MF3 IC D41：芯片厂家为恩智浦（NXP），国内常称为MF3。南京地铁卡为典型应用。
Mifare DESfire 8k MF3 IC D81：芯片厂家为恩智浦（NXP），国内常称为MF3 8k。
Mifare ProX：芯片厂家为恩智浦（NXP）。不判别容量。
MF1 PLUS 2k：芯片厂家为恩智浦（NXP），国内常称为PLUS S。
MF1 PLUS 4k：芯片厂家为恩智浦（NXP），国内常称为PLUS X。
NTAG213/215/216：原装芯片厂家为恩智浦(NXP)。
JEWEL：芯片厂家为英国innovision，国内常称为宝石卡。不读序列号。
IS23SC4456：芯片厂家为美国ISSI，可兼容MF1 IC S50的CPU卡。
CPU卡（兼容MF1）：芯片厂家为上海复旦、上海华虹等，可兼容MF1 IC S50的CPU卡。[备注：该类也包含FM1208M1及其它类似的芯片卡。]
纯CPU卡：芯片厂家为上海复旦、美国ISSI等，纯CPU卡。[备注：该类也包含FM1208、IS23SC4456中的纯CPU卡及其它类似的芯片卡。]
X82A：芯片厂家为北京华大，CPU卡。
SLE66R35：德国英飞凌（infineon），兼容MF1 IC S50。
FM11RF08：芯片厂家为上海复旦，兼容MF1 IC S50。
SHC1102：芯片厂家为上海华虹，上海一卡通为典型应用。
Advant ATC2048-MP：芯片厂家为瑞士LEGIC。

ISO 14443-B 协议：

AT88RF020：芯片厂家为美国爱特梅尔（ATMEL），广州地铁卡为典型应用。
SR176：芯片厂家为瑞士意法半导体（ST），主要用于防伪识别等。
SRIX4K：芯片厂家为瑞士意法半导体（ST），主要用于防伪识别等。
SRT512：芯片厂家为瑞士意法半导体（ST），主要用于防伪识别等。
ST23YR18：芯片厂家为瑞士意法半导体（ST），CPU卡。
THR1064：芯片厂家为北京同方，奥运门票为典型应用。
THR2408：芯片厂家为北京同方，纯CPU卡。
第二代居民身份证：芯片厂家为上海华虹、北京同方THR9904、天津大唐和北京华大，第二代身份证为典型应用。

ISO 15693 协议：

EM4135：芯片厂家为瑞士EM，主要用于票证管理、防伪识别等。
ICODE SL2 ICS53/ICODE SL2 ICS54：芯片厂家为恩智浦（NXP），国内常称为ICODE SLI-S，主要用于物流仓储、票证管理等。
ICODE SL2 ICS20：芯片厂家为恩智浦（NXP），国内常称为I CODE 2，主要用于物流仓储、票证管理等。
ICODE SL2 ICS50/ICODE SL2 ICS51：芯片厂家为恩智浦（NXP），国内常称为ICODE SLI-L，主要用于物流仓储、票证管理等。
Tag-it HF-1 Plus：芯片厂家为美国德州仪器（TI），国内常称为TI2048，主要用于物流仓储、票证管理等。[备注：暂不区分原装TI2048或兼容TI2048的FM1302T。]
Tag-it HF-1 Standard：芯片厂家为美国德州仪器（TI），国内常称为TI256，主要用于物流仓储、票证管理等。
BL75R04：芯片厂家为上海贝岭，兼容TI 2048，主要用于物流仓储、票证管理等。
BL75R05：芯片厂家为上海贝岭，兼容I CODE 2，主要用于物流仓储、票证管理等。
FM1302N：芯片厂家为上海复旦，兼容I CODE 2，主要用于物流仓储、票证管理等。
Advant ATC128-MV：芯片厂家为瑞士LEGIC，主要用于一卡通等。
Advant ATC256-MV：芯片厂家为瑞士LEGIC，主要用于一卡通等。
Advant ATC1024-MV：芯片厂家为瑞士LEGIC，主要用于一卡通等。
LRI2K：芯片厂家为意法半导体（ST）。
ST25DV04K，ST25DV16K，ST25DV64K：芯片厂家为意法半导体（ST）。

参考