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無線射頻識別(RFID)芯片技術解析

返回列表 來源:拓迪派克 查看手機網址 發布日期:2018-09-22 10:57:45【

RFID技術是射頻識別技術的統稱,同條形碼、IC卡等其他識別方式相同,其基本功能是識別目標物品的唯一標識符,所不同的是以射頻傳輸方式來完成非接觸式的自動識別,并實現運動目標與多目標的識別。RFID同時又是一種數據通信技術,具備通信系統的基本構件如發送、接收和信道以及傳輸信息等基本功能,所不同的是其傳輸的信息是人為的、同定的。憑借其存儲容量大、識別目標多、讀取距離遠、數據可加密等優點及發展潛力,RFID被譽為最有市場前景、最具改變人類生活方式和高科技產業面貌的技術。

英特爾、微軟、IBM、NEC、日立、訊寶等巨頭企業,都對RFID技術傾注了巨大的熱情。TI,Intel等美國集成電路廠商目前都在RFID領域投入巨資進行RFID芯片開發,IBM、Microsoft等也在積極開發相應的軟件及系統來支持RFID的應用,而菲利普電子公司則是RFID芯片制造業的領頭產商。故本文以Philips生產的Mifare lS50為例子,剖析RFID卡的結構及其芯片的通訊、存儲技術。該卡的RFID芯片所具有的獨特的MIFARE RF(射頻)非接觸式接口標準已被制定為國際標準ISO/IEC 14443 TYPE A標準,其應用很廣泛。

l Mifare lS50卡的結構及主要特性

Mifare 1 S50卡是一種非接觸式IC卡,又稱RFID卡(射頻卡)。RFID卡是世界上最近幾年蓬勃發展起來的一項新技術,他成功地將射頻識別技術和IC卡技術結合起來,解決了卡中無電源和免接觸使用這一難題,是電子器件領域的一大突破。

Mifare 1S50卡的電氣部分只由一個天線和一塊RFID芯片組成。其中天線是只有幾組繞線的線圈,封裝到ISO卡片中。數據保存期為10年,可改寫10萬次,讀無限次??ㄓ攵列雌髦淶耐ㄑ恫捎霉釋ㄓ玫腄ES和RES保密交叉算法,具有極高的保密性能。其主要特性

如下:

工作頻率:13.56 MHz;

通信速率:106 kb/s;

防沖突:同一時間可處理多張卡;

讀寫距離:在100 mm內(與天線形狀有關)能方便快速地傳遞數據;

握手式半雙工通訊方式;

在無線通訊過程中通過以下機制來保證數據完整防沖突機制;每塊有16位CRC糾錯;每字節有奇偶校驗位;檢查位數;用編碼方式來區分“1”、“0”或無信息;信道監測(通過協議順序和位流分析);

支持多卡操作;

材料:PVC;

尺寸:符合ISO10536標準;

無電池:無線方式傳遞數據和能量;

芯片加工技術:采用高速的CMOS E2PROM工藝;

安全性:3次相互認證(ISO/IEC DIS 9798-2);通訊過程中所有數據均加密以防止信號截取;每一扇區有相互獨立的密碼;每張卡有32位全球惟一的序列號;傳輸密瑪?;?

支持一卡多用的存儲結構;

典型交易過程《100 ms。

2 Mifare 1S50卡的RFID芯片的內部結構

Mifare 1S50卡的芯片由RF-Interface(射頻接口)和Digtal SecTIon(數字???兩部分組成,如圖1所示。

無線射頻識別(RFID)芯片技術解析

射頻接口部分由整流器、電壓調節器、上電復位(POWER ON RESET,POR)???、時鐘再生器、調制器/解調器等部分組成。主要有4個功能:

(1)為RFID芯片內部各部分電路提供工作時所需要的能量。

(2)提供POR信號,使各部分電路同步啟動工作。

(3)從載波中提取電路正常工作所需要的時鐘信號。

(4)將載波上的指令和數據解調出來供數字??櫬硪約岸源⑺偷氖萁械髦?。

數字??櫓饕扇縵虜糠腫槌桑?/p>

ATR(Answer to Request)??椋嚎ㄔ詼列雌韉奶煜吖ぷ鞣段謔?,當讀寫器向卡發出Request all(或:Requeststd)命令后,芯片的此??櫧舳?,藉此建立與讀寫器的第一步通信。

AntiCollision??椋浩鴟樂箍ㄆ氐?。具體原理如下:若有多張卡在讀寫器天線的工作范圍內時,芯片的此??櫧舳?,讀寫器首先與所有的卡片通信,獲取每一張卡的序列號,然后,根據序列號選定一張卡片。

Select Application??椋喝啡隙鑰ㄆ難≡?。

Authentication & Access Control??椋嚎ㄆ啡媳謊≈瀉?,啟動此???,進行卡片與讀寫器之間相互認證。只有通過相互認證,才能進行進一步的操作。

Control & Arithmetic Unit??椋捍四?槭欽樾酒目刂浦行?,芯片內建的中央處理機單元。

RAM:配合Control&Arithmetic Unit,將運算結果進行暫時存儲;若有數據要存到E2PROM,則取出數據存到E2PROM中;若有數據要傳送到讀寫器,則取出數據,讓射頻接口電路進行處理,通過卡上的天線傳送給讀寫器。

ROM:固化卡片運行所需要的必要的程序指令。

Crypto Unit:此??橥瓿啥允蕕募用艽砑懊藶氡;?。

E2PROM Interface:此??槲狤2PROM的接口電路。

E2PROM Memory:E2PROM存儲器。

3 Mifare 1S50卡的RFID芯片通信技術

卡與讀寫器之間的通信速率為106 kb/s。從卡向讀寫器傳送信號時,使用的副載波頻率為847 kHz(fc/16),采用Manchester編碼方式,開關鍵控(On-off Keying,OOK)調制信號;讀寫器向卡傳輸信號時,使用的射頻載波頻率是13.56 MHz,采用同步時序、改進的:Miller 編碼方式,調制深度為100%的ASK(Amplirude Shift Keying,幅移鍵控)信號。

Miller 編碼用在半個比特周期的任意邊緣表示二進制1,而經過下一個周期中不變的電平表示二進制O,如果連續一串O,則在O比特周期開始時產生電平交變。改進Miller編碼是對Miller編碼的改型,每個邊沿都用凹槽來代替。Manchester編碼的方法是用在半個比特周期的負邊沿表示二進制1,半個比特周期中的正邊沿表示二進制0。圖2為10100110采用Manchester,MillermModifiedMiller編碼方式的結果。

無線射頻識別(RFID)芯片技術

4 Mifare 1S50卡的RFID芯片支持一卡多用的存儲技術

芯片中的E2PROM Memory容量為8 kh,一共分為16個扇區,每個扇區為4塊(塊0~塊3),即整個E2PROMMemory共64塊,塊號編址為0~63,每塊16個字節(0~15 B),一塊為一個存取單位。各扇區的塊0(注:第0扇區的塊0例外,他用于存放廠商代碼,已經固化不可改寫。其中:第0~4字節為卡的序列號;第5字節為序列號的校驗碼;第6字節為卡的容量“SIZE”字節;第7,8字節為卡的類型字節,即Tag type字節;其他字節由廠商另加定義)、塊1、塊2為數據塊,用于存儲用戶數據;各扇區的塊3為各個扇區控制塊,用于存放密碼A(0~5字節)、存取控制(6~9字節)、密碼B(10~15字節)。

在存取控制中,每一塊(塊0,1,2,3)都由3個控制位決定對該數據塊或控制塊的操作權限,控制位表示形式為“CXxy”。其中:CX表示控制位號(X可以是1、2或3,例如:C1則表示第一控制位);z表示扇區;y表示塊號。例如:“C2x1”表示某一扇區塊1的第2控制位)。3個控制位在存取控制字節(即各扇區塊3中的第6~9字節)中的位置,見表1(注:表中“_b”表示取反。例如:第6字節的bit7中存放“1”時,C2x3=0;而B則表示備用位。

控制位對各扇區數據塊(塊0、1或2)的控制,見表2(注:表中KeyA︱B表示密碼A或密碼B,Never表示沒有條件實現。

控制位對各扇區數據塊3 的控制,見表3 。

無線射頻識別(RFID)芯片技術

無線射頻識別(RFID)芯片技術

無線射頻識別(RFID)芯片技術

塊3中,存取控制4B的初始化值(產商初始值)分別為“FF 07 80 69”“。根據表1可推斷出各塊的3位控制位的初始值如下:C1x0 C2x0 C3x0=000,C1x1 C2x1 C3x1=000,C1x2 C2x2 C3x2=000,C1x3 C2x3 C3x3=001;根據表2可推斷出(表2中的第一種情況),在初始的狀態下驗證密碼A或密碼B后,可以對數據塊0~2進行讀、寫加值、減值、初始化等操作;根據表3可推斷出(表3中的第五種情況),驗證密碼A或B后,可以寫密碼A、可以讀寫控制位、可讀寫密碼B、但不能讀密碼A。

芯片中的數據塊有兩種應用方法,一種是用作一般的數據保存用,直接讀寫。另一種用法是用作數值塊,可以進行初始化、加值、減值、讀值的運算。應用系統配用相應的函數完成相應的功能。

綜上所述,Mifare 1S50卡的芯片中E2PROM Memory分為16個扇區,他們互不干擾,每個扇區均可分別設置各自的不同的密碼及按需要設置存取控制(不用產商的初始值)。因此,每個扇區可以獨立應用于一個應用場合,實現”一卡通“,例如:交通一卡通、校園一卡通、企業一卡通、家庭繳費一卡通等。

5 結 語

RFID卡是射頻識別技術與IC技術相結合的產物,與接觸式IC卡相比較,他使用時無需與讀寫器接觸,操作方便、快捷,使用可靠性高且使用壽命長,此外,加密性能好有防沖突機制,可以一卡多用。目前,RFID卡在我國電子身份證、城市公共交通支付、證照與商品防偽、特種設備強檢、安全管理、動植物電子標識、現代物流管理等領域展示了其美好的應用前景,所以,應加大研發RFID芯片的力度。