RFIDler：一款定义RFID的读、写、仿真器的开源软件

时间：2016-05-25 00:23:07 阅读：385 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

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很多类似于RFID这样的技术看起来都很神秘，实际上他是依赖于很多物理学原理的，比如”电磁感应原理”。是的，这些现象产生的各种信号足以令人发狂，看完这些模拟模拟信号后，我忽然发现二进制信息多么干净美丽。

所以我一直在找一个工具，可以把这些模拟世界转化成友好的数据，RFID就是主要的对象。近些年来，越来越多RFID/NFC产品出现了，可能在你的口袋里就有好几个这样的东西——比如，你的车钥匙、门的钥匙、信用卡等等。当然，他们都有各自的RFID阅读器可以读取他们的信息，但是我关心的是，有没有一个RFID阅读器可以读取所有RFID上的信息，并且这个阅读器还很小且很便宜。

凭心而论，似乎有很多阅读器都可以达到我的要求，你可以买个很简单的RFID USB阅读器，大概也只需要10-15英镑。但是之后你就会发现，这些便宜的阅读器几乎都只能阅读一个标准下的RFID，你需要很多个这样的RFID阅读器才行。也有像Proxmark3这样的可以阅读所有RFID的，但是价格不菲呀。当然PM3确实是值得一看的，它被称为“RFID界的瑞士军刀”。它能够阅读很多版本的信号，无论是高频还是低频，稍后我们也将用它来举个例子。

RFID标签

所以，在开始前，我们不禁要发问，RFID标签是用来做什么的呢？

基本上他有两个作用：

1.基本上所有RFID标签都是唯一的，都可以用来特定的标识自身

2.一些标签具有数据存储功能

围绕着这两个基本的作用，可以展开很多——标签是盲目的展现ID或者DATA内容吗？或者换一句话说，在构建他们的时候是否有做一些安全措施？这些存储的都是些简要的信息，因此如果你想写入更长更多的信息，标签是否有空间可以写入？在这篇文章中，我的目的是讨论一些模拟世界中一些基础的通信过程，并且尽可能的把它们显示出来。

RFID&感应现象

这些技术基本都是依赖于”感应现象”。简单来说就是RFID/NFC都是依赖于你去激励一个线圈，同时让另一个线圈靠近它，第二个线圈就会通过感应从第一个线圈获取到部分能量，即两个线圈很神奇的发生了耦合（或者说是电磁感应）。同时，第二个线圈很有可能将会影响到第一个线圈的电压，例如靠近第一个线圈，第一个线圈的电压就下降了，我们称这种现象为“阻尼现象”。这就是RFID的工作原理，总结来说就是：线圈间相互的沟通是通过发送能量(从阅读器发出)，或者引起了另一个线圈的能量变化(从RFID标签)来进行的。

在本文中，为了能得到更多的细节我们将会使用最简单的方式标记RFID标签——直接通过一个ID来识别，同时我们要先构建以下环境：阅读器通过反复激励线圈给线圈供能。作为一个标准的低频系统，它的频率将会是每秒125000次，也就是125KHz，这些被称为”载波信号”。RFID标签线圈被放在一定区域内的时候，将会从产生一些能量，变成电感耦合线圈并且进入激活状态。如果阅读器想要发送一个”唤醒(或者其他)”命令，可以通过开关把载波信号的电源关闭很短的一段时间。就算标签失去了电源，它依然可以依赖储存的能量继续工作一段时间，我们可以很容易的通过改变载波信号之间的缺口长短就可以代表0和1两种信号，基于这一特点，阅读器就能发送二进制信息了。

换一句话说，他们是通过幅移键控(ASK)来承载信息的，调整信号的振幅来代表不同的数据。更精确的一种方式是开关键控(OOK)。从阅读器发送给标签的信息被设计成ON和OFF两种载波，返回的信号响应的为阻尼和非阻尼两种。

信号分析

说了这么些个，大家好像一脸懵逼的样子，事实上我翻译的也有点懵逼了=。= 为了更容易理解，接下来我们用图来说明。下图是一个在示波器下观察到的125KHz的载波：

接下来是阅读器给标签发送的一个信号：

这种情况是，用一个长脉冲代表’1’ 用一个短脉冲代表’0’，因此，这里的信号的意思就是’11000’，或者如果你用HITAG2算法的话，意思就是’START_AUTH’

正如我们提到的，标签也会给阅读器返回信息，它是通过短路自己的线圈使阅读器的线圈发生阻尼现象。结果如下图：

这看起来好像是阅读器本身发送了一条信息。但是请注意，阅读器发送的波幅度一直在变化，但不可能减小到没有。相反，它要么是一个阻尼波要么是一个非阻尼波。这是因为并不是直接通过控制阅读器线圈上的电压达到的效果，而只是通过感应来影响波形。但它依然是可以读的。这个时候，如果我们把阻尼作用当成是”1”，非阻尼作用当成是”0”，我们就能得到’1010101010010110011010’，这也就是曼彻斯特编码的方式。

那么，曼彻斯特编码要做的事情是什么呢？好，这个时候它就开始变得有趣了——如果你仔细观察下这些不同规格标签，你会发现他们提到很多种调制方案，例如“曼彻斯特(Manchester)”，“双相(Bi-Phase)”，“移频键控(FSK)”，“相移键控(PSK)”，‘NRZI’,‘ASK’……

我们准备的设备只能做ASK，那 FSK/PSK/Manchester malarky这些方案是怎么样的呀？

这也是我一直很混乱的地方。如果你想做一个和现有供应商制定的RFID不一样的产品，恭喜你，你掉坑里了，因为各种调试方案是相互冲突的。尤其是想找出能解调所有方案的阅读器就更难了——如果你想找到一个阅读器可以访问到所有编码方式的数据，那是不可能的。如果阅读器想要进一步解调发送的信号。他们需要先确定信号是用什么方式编码的，为了达到这个目的，阅读器首先需要知道他们即将接受的标签是采用哪些方式编码的。

事实上我需要的仅仅只是最简化的RFID阅读器，所以只需要能得到一些最低等级的数据就可以了，但很奇怪的是，居然没有现成的。每一个调试方法都是一个不同的电路，而且网上的这些电路看起来就是用来炫耀的，比如这篇200页的文档

http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/51115f.pdf

在一通乱找之后，我们找到了一个比较简单的设计：全世界最简单的RFID阅读器(链接：http://forums.parallax.com/showthread.php/105889-World-s-simplest-RFID-reader)。这有一个改进版的”DIT一个FSK的RFID阅读器”（链接：http://playground.arduino.cc/Main/DIYRFIDReader ）。事实上，这些其实也并不很符合我们期待的那样。

我们使用PM3来阅读不同型号的标签发出的原始数据，PM3将作为阅读器的线圈，并且过滤掉载波，留下阻尼的影响。

下面是ASK调试信号：

正如我们所想的的那样，一个简单的由载波的阻尼和非阻尼影响产生了一个方波。

下面是FSK标签：

注意两种不同脉冲的形状，一个是瘦的，另一个长得比较胖。这样我们就能看到不同频率的脉冲了。

接下来的是PSK：

好吧，我也要疯了，这究竟是什么鬼？？？

首先，图中绿色的线表示标签的阻尼/非阻尼影响下的阅读器线圈上的电压。我们并不需要知道具体的代表什么，只需要知道屏幕地步是0V电压，或者说是全阻尼，而屏幕顶部是某一个电压值，或者说是无阻尼状态。电路产生的是125KHz的载波，并且可以提高或者降低输出。至于说他具体是怎么工作的，我他妈才不管，这是芯片的事情。

现在我们知道了每条线的意思，问题就剩下了这些线为什么会是这样形状的。第一个例子很简单：ASK/OOK调制不是ON就是OFF，因此我们在无阻尼的时候在屏幕顶部得到一条线，而在阻尼的时候，就会在地步得到一条线。

如下图，标签在阻尼阅读器线圈的地方我用红色标记出来了：

接下来让我们分析下FSK的：

现在，不是简单的用0和1表示阻尼了，我们用每个波的不同的周期来重新代表了经过阻尼和非阻尼的载波。如上如，红色标记一个波的一个周期。脉冲的宽度和数量携带了这段波要表达的内容。

好了，那么，最疯狂的PSK呢？？

在相移键控中线圈的阻尼和载波的频率有关。在本例中，它会正好变成速度的一半，因此，它正好阻塞一半的载波脉冲，而大部分时间产生的信号都无法强到直接是结果到达屏幕顶部，同时也不会低到到达屏幕底部，而是正好在中间。然而，只要有相位的变化，只要有半个bit的变化就意味着阻尼和非阻尼的在一个载波周期内发生了变化，因此，我们可以看到一个小的跃迁，或者跃降。如图中的粉红色部分，表示阻尼了50%的时间，正常的相移是红色和黑色部分。

我们可以看到完全阻尼部分的低峰值和非阻尼时候的高峰值。这用肉眼很难读出来，但基本的相位变化（只要相的方向变了），bit值就发生变化，这点可以很容易观察到。相位如果不变的话，就是bit值保持不变。Bit的位数取决于相保持不变的时间，因此，只要在图中加上一个网格纸，你就能知道载波的周期了，通过这样的变化，你就可以得出比特流了。