（生物医学工程专业论文）基于mifare卡的读写器设计.pdf

a b s t r a c t r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) i sak i n d o fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c ho p e r a t e sb a s e do ne l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g i 江i dr e a d e rw h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss p e e d y i d e n t i f i c a t i o n e x c e l l e n tc o n f i d e n t i a l i t ya n dn o c o n t a c tw i l lb ea p p l i e dt o l o g i s t i c sm a n a g e m e n t ，t r a c k i n g o fp r o d u c t s ，a c e s s c o n t r o l ， m a n a g e m e n to fp a t i e n t s i n f o i t l l a t i o na n dm a n yo t h e ra r e a s al 讧i d r e a d e rc o m p l y i n gw i t hi s o14 4 4 3 as t a n d a r dw a sd e s i g n e d ，w h i c hw a s a b l et or e a d t h ei n f o r m a t i o no fm i f a r eo n ec a r di nt h i sp a p e r i nt h eh a r d w a r ec i r c u i tp a r t ，a t 8 9 s 5 2m i c r o c o n t r o l l e ra n dr c 5 0 0 c h i pi st a k e na sp r o c e s s o r , t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep cc o m p u t e r a n dt h er e a d e ri sm a i n t a i n e dt h r o u g hs e r i a lp o r t t h ea n t e n n ac i r c u i tw a s d e s i g n e dw i t hp r i n c i p l eo fs e r i e sr e s o n a n c e i nt h es o f t w a r ep a r t ，u s i n g s t r u c t u r i n gp r o g r a md e s i g nm e t h o d ，t h ea u t h o rh a sc o m p l e t e dt h e i n i t i a l l i z a t i o no fa t 8 9 s 5 2m i c r o c o n t r o l l e ra n di 地5 0 0c h i p t h e a n t i c o l l i s i o np r o g r a mc o d ew h i c hc a ni d e n t i f yo n ec a r df r o mm a n yc a r d s h a sb ew r i t t e nb a s e do nb i n a r ys e a r c ha l g o r i t h m i nt h ed e s i g no fs o f t w a r e ， t h es e a r c ho fc a r di s i m p o r t a n t ，w h i c h i n d i c a t et h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nr e a d e ra n dc a r di sp e r f o r m i n g a f t e rm a k i n gp r i n t e dc i r c u i ta n dd e b u g g i n g ，t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e c a nc o m m u n i c a t ew i t ht h em i f a r eo n ec a r d t h er e a d e rc a ni d e n t i f y m i f a r eo n ec a r da n dc h a n g et h ev a l u eo ft h ec a r dt h r o u g hc o n n e c t i n gw i t h c o m p u t e ra n dt h ef a r t h e s td i s t a n c eo fr e a d i n gi sa b o u t5 c m i ti se a s yt o m a k es e c o n dd e v e l o p m e n ta n dc a nb ea p p l i e di nm e d i c a la r e ab ya d d i n g s o m ein o u td e v i c e k e yw o r d s r f i d ，m i f a r ec a r d ，r c 5 0 0c h i p ，a n t i c o l l i s i o n i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：遂：主! 垒 日期：迎l 年羔月丝日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 硕七学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 当今世界信息技术的发展日新月异，自动识别技术以信息资源的采集、开发、 利用为特征在各个领域得到快速推广，在世界经济和社会发展中发挥着越来越重 要的作用。 r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，射频识别) 技术是一种基于无线通信 的非接触式识别技术。r f i d 作为无线通信和自动识别技术的结合被认为2 l 世纪 最有前途的1 1 r 技术之一【l 】。近年来其逐渐成为应用领域的热点，在新一轮世界 科技浪潮的推动下，无线射频识别技术进一步向前发展，其应用到门禁、身份识 别及零售等领域【2 一钉。当前r f i d 在医疗领域中的应用更是一个新兴的热点。尤其 在病例信息及医疗设备的信息管理运用中，r f i d 技术的引入大大提高了管理效 率 5 6 1 。 我国在医院信息化方面起步较晚，目前大部分医院的病历记录方式还停留在 传统的纸笔记录，这样不仅导致医生工作量大，工作效率低，另外还可能因为字 迹不清楚，导致病历信息模糊，同时病历本保管不方便及病例信息不可以大范围 共享。对于一个医疗工作者而言，无论是获得有关特定病人的资料还是获得与患 者管理有关的一般信息都是一件令人头痛而又常常遇到的困难。随着提高临床工 作效率的压力越来越大，医疗工作者正在呼吁一种更为可靠的系统，以便在诊断 患者时可以帮助他们更容易更直接地获得他们需要的信息。采用r f i d 技术的电 子病历方式可以实现以上这些希望，而且相应地可以有助于提高医疗和生活质 量。r f i d 技术为患者提供了一个可靠、高效、省钱的信息储存和检验方、法【7 9 1 ， 这样既提高了医院的业务效率，又减少了患者因为烦琐的手续耽误时间而遭受的 痛苦。 针对r f i d 技术在医疗行业有巨大的市场前景，本文以射频识别技术为基础， 提出了基于p h i l i p s 公司基站芯片r c s 0 0 的i s 0 1 4 4 4 3 a 协议读写器的设计与实现。 文中首先介绍了r c 5 0 0 芯片结构及功能，并结合该芯片重点研究了天线匹配电路 的设计；最后基于a t 8 9 s 5 2 单片机给出了读写器对m i f a r e 卡操作的软件流程。 本项目的目标是研制出可以完成对m i f a r e 卡寻找、选择及读写的读卡器。 1 2r fid 技术概述 1 2 1r f id 技术概念 r f i d 技术是2 0 世纪9 0 年代开始兴起的一种非接触式自动识别技术，也就 是无线射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递信息达到对被 硕士学位论文第一章绪论 识别物体的识别【m l 。同传统的接触式识别技术和光学识别技术相比，r f i d 技术 不但可以使电子标签与读卡器之间实现无接触，而且可以实现多个标签的防冲突 操作，从而可以解决很多传统识别技术的缺陷。与磁卡、i c 卡等接触式识别技 术不同，r f i d 技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、读写距离大、 数据加密、存储信息更改简单等特剧1 1 】。识别工作无须人工操作，可工作于各种 恶劣环境。r f i d 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方 便。 1 2 2r f ld 系统结构 典型的射频识别系统由读写器( 常为近邻耦合设备，即为p c d ：p r o x i m i t y c o u p l i n gd e v i c e ) 和非接触式i c 卡( 常为近邻卡，p i c c ：p r o x i m i t yi i l t e r g r a t ec i r c u i t c a r d ) 两部分组成。读写器同非接触式i c 卡之间进行无线通讯，因此二者都具 有无线收发模块及天线。结构如图1 1 所示： 图1 - 1r f i d 系统的结构 读写器( r e a d e r ) 又称为阅读器，是整个r f i d 系统中的重要组成部分，也 是前端系统和后台系统的接口，可以固定安装业可以便携式应用。主要负责与非 接触式i c 卡的双向通信，同时接受来自于主机系统的控制指令。读写器的频率 决定了r f i d 系统工作的频段。读写器根据使用的结构和技术不同可以是只读或 读写装置，是r f i d 系统的信息控制和处理中心。读写器通常由射频接口、逻辑 控制单元和天线部分组成。 非接触式i c 卡又称射频卡、应答器等，是以电子数据形式存储标示物体代 码的i c 卡。它主要由天线、谐振电容以及i c 芯片组成。其芯片上有e e p r o m 用来存储识别或其它数据。非接触式i c 卡是射频识别系统的数据载体，其内置 的射频天线用于和读写器进行通信【l2 1 。 许多读写器还都有附加的接口( r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ) ，以便上位机通过接口向读 写器发送指令并且与读写器进行数据交换。一般大的系统都要通过数据库进行网 络构建，更好的发挥其功能。 根据r f i d 系统作用距离的远近，电子标签与读写器之间的耦合可分为密耦 2 涂妯 至 硕七学位论文第一章绪论 合系统、近耦合系统及远距离耦合系统。密耦合系统的距离作用范围为0 l c m ， 近耦合系统工作距离为7 1 0 c r n ，远距离耦合系统工作距离为1 1 0 i n 。密耦合系 统与近耦合系统都是利用电子标签与读写器天线无功近场区之间的电感耦合构 成无接触的空间信道工作。典型的近耦合系统得工作频率为1 3 5 6 m h z 。所有的 远距离系统均是利用标签与读写器天线辐射远场区之间的电磁耦合构成的空间 信道工作。远距离系统的典型工作频率为9 1 5 删z 。 1 3r fld 技术发展与前景 1 3 1r fid 系统的发展现状 r f i d 技术被列为2 l 世纪十大重要技术之一【1 3 】，世界各国都在大力发展 r f i d 技术。在过去1 0 年中，关于r f i d 技术的专利申请就有6 0 0 0 多件。 1 国外发展现状 r f i d 技术在国外发展得很快，r f i d 产品种类也较多。如t i 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 等世界著名厂家都生产r f i d 产品，并且它们的产品各有特点，自成系列。随着 国际标准化组织相应标准的制订，各公司也逐步推出了符合国际标准的产品。尤 其是在美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非目前均有较为成熟且先进的 r f i d 系统。国外发展最著名的例子是年营业额占全球零售业两成，美国零售业 六成的沃尔玛百货公司。 早在9 0 年代初，美国提出构建电子病历的概念。美国设想到2 0 1 5 年，建立 完整的电子病历系统，运用r f i d 技术对病人的当前位置、远距离阅读病人信息 管理方式。由于当今的医疗设备都逐渐转化为数字化，其产生的数据也是数字化， 这意味着大量的诊断信息可以通过网络采集到电子病历卡上，以便更好地为医院 信息化服务。 2 国内发展现状 我国在r f i d 技术的研究方面也发展很快。在r f i d 技术研究及产品开发方 面，国内已具有了自主开发低频、高频与微波r f i d 电子标签与读写器的技术能 系统集成能力。但我国r f i d 芯片的研发面临标准不确定的困扰。其中，数据编 码标准、频率标准以及防碰撞标准出台的早晚直接影响到研发的进展【l 】。我国医 院信息化建设现在处于电子病历的研究阶段，大部分的研究工作还是集中在以电 子病历为中心的数据加工处理应用方面【1 4 】。 1 3 2r f id 技术的发展前景 2 0 0 6 年6 月9 日，中国科学技术部等十五部委发布了中国射频识别( 1 强i d ) 技术政策技术白皮书【1 5 1 ，提出了中国发展r f i d 技术战略和总体发展目标。其 重点是通过技术攻关，突破r f i d 关键技术：一系列共性关键技术、产业化关键 3 硕士学位论文第一章绪论 技术和应用关键技术，并参与国际标准化工作，提出并建立中国的r f i d 技术标 准体系。在未来的几年中，r f i d 技术将继续保持高速发展的势头，电子标签、 读写器、系统软件等多方面都将取得新的进展。随着关键技术的不断进步，r f i d 产品的种类将越来越丰富，应用的领域也将越来越广泛。 随着通信技术与网络技术的进步，r f i d 读写器趋势将向多功能、多接口、 便携式方向发展【7 1 。 1 4 论文的结构安排 r f i d 技术涉及的内容是广泛的，在此本文介绍了一款频率工作在13 5 6 m h z 的r f i d 读写器的开发流程。本文共分为六章，具体结构如下： 第一章是绪论，说明选题背景和意义，介绍了其在国内外发展情况与前景。 第二章是介绍r f i d 系统数据传输的相关理论，并介绍了m i f a r e 卡的工作原 理与存储结构。 第三章提出读写器硬件模块的设计，着重介绍了天线阻抗匹配的设计过程并 详细讲解整个p c b 板制作应考虑的防高频干扰方案。 第四章根据相应的硬件设计，编写程序代码。 第五章对整个系统调试过程作了简单介绍；并利用研制的读写器对m i f a r e 卡进行读写测试。 第六章对整个课题工作作出总结，并对未来的课题工作提出展望。 4 硕士学位论文第二章r f i d 系统的相关理论 第二章r f id 系统的相关理论 在射频识别系统中，要完成识别，就必须在非接触式i c 卡与读写器之间完 成相关信息的交换，而这种信号正是通信领域的数字信号。因此，为了深入地了 解与认识射频识别的通信实质，本章将研究r f i d 系统的通信基础，揭示r f i d 系统的通信实质。 本章从信息在系统中地处理流程出发，详细介绍了r f i d 系统的各种基本设 计理论，如信息的编码技术、数据的检验技术以及信息的调制与解调技术。另外， 如何解决同时识别在读写器天线的读写区域的多张卡，而不产生信道争用的问 题，即介绍了卡的防碰撞原理。最后本章还重点介绍了m i f a r e 卡。 2 1 相关的电磁场基本理论 读写器和射频卡通过各自的天线构建两者的非接触信息传输信道。空间信息 传输信道的性能完全由天线周围的场区决定，这是电磁传播的基本规律。 射频信息加载到天线上以后，在紧邻天线的空间中，除了辐射场以外，还有 一个非辐射场。该场与距离的高次幂成反比，随着离开天线的距离迅速减小【l 6 1 。 在这个区域，由于电抗场占优势，因此该区域被称为电抗近场区，它的边界约为 一个波长。超过电抗近场区，就是辐射场区。按照离开天线的远近，有把辐射场 区分为辐射近场区和辐射远场区。 近场能量主要以存储形式存在，而辐射场能量主要以电磁波的形式进行传 播。公认的辐射近场区与远场区的分界距离r 为： r ：堡( 2 1 ) 见 其中，d 为天线直径，a 为天线波长，d 五。 对于天线而言，满足天线的最大尺寸小于波长五时，天线周围只存在电抗 近场区与辐射远场区，没有辐射近场区。电抗近场区的外界约为必。，超过这个 距离，辐射场区就占主要地位。满足形 1 的天线一般称为小天线。 对于射频识别和电子标签而言，一般情况下，由于对电子标签尺寸以及读写 天线应用的尺寸限制，绝大多数情况下，采用形 1 的天线结构模式【1 7 】。天线 的近场区和远场区的距离可以根据波长进行估算。 表2 1 给出了常用射频识别系统的工作频率，对应波长、电抗近场区与辐射 远场区的距离估算结果【1 7 】。 在低频( 如1 3 5 6 m h z ) 工作的r f i d 系统，电磁能量的传送在感应场区域中 完成，所以称为感应耦合系统。而在高频段( 如9 1 5 m h z ) 工作的r f i d 系统， 电磁能量的传送在远场区域中完成，因此又称为微波辐射系统。 硕士学位论文第二章r f i d 系统的相关理论 表2 - 1 不同频率的波长、电抗近场区、辐射远场区距离估算值 2 2r f l d 系统的编码与调制 读写器与卡的通信过程包含了信息的发送、传输和接收。信息被调制到载波 上，通过空间信道的传输媒质；接收机则通过接收载波信息经过解调、解码等数 字信号处理技术将信息显示出来。 对r f i d 系统来说，读写器与卡之间的通信主要包括3 个主要功能模块，按 从读写器到卡的数据传输方向，它们是读写器中的数字信号( 基带信号、信号编 码) 和调制器、传输介质( 信道) 及卡中的解调器和信号译码。图2 1 给出了信 息从读写器发到非接触式i c 卡的全部过程。 读写器 i i i 、 j i i i l l 噪声 i 图2 - 1r f i d 系统中的信号流 非接触式厘i c 卡 信： 刮 收i i i 信号编码系统的作用是把要传输的信息尽可能最佳地与传输通道的性能相 匹配【1 8 。2 0 1 。这样处理给信息提供某种程序的保护，以防止信息受干扰或相冲突， 以及对某些信号特性的有意改变。用于金融或军事等安全性要求较高的领域的 r f i d 系统，由于数据的安全性和保密性非常重要，为了防止对系统中传输数据 的恶意获取或修改，还往往需要对编码信号进行加密处理。信号解码的任务是从 基带编码的接收信号中恢复原来的信息，并识别和标识出传输错误。 调制是对高频载波信号的处理，使其振幅、频率或相位与调制的基带信号相 关。传输介质把信息传输一段预定的距离。在射频识别系统中，惟一采用的传输 介质是磁场( 电感耦合) 和电磁波( 微波) 2 1 ，2 2 】。解调是一种与调制相反的过程， 以再生基带信号。 6 硕士学位论文第二章r f i d 系统的相关理论 2 2 1 基带编码 数字基带信号的编码也就是对基带信号进行码型设计，使基带信号更加适合 在通信信道中的传输。数字基带信号用数字信息的电脉冲表示，电脉冲的形式称 为码型。通常把数字信息的电脉冲表示过程称为码型编码或码型变换。就波形的 单个形状而言，有矩形脉冲、三角形、高斯形、升余弦形和半余弦形等，最常用 的为矩形脉冲【2 3 】。由代码形成的各类码型，必须满足系统所要求的基本特性， 主要包括有： ( 1 ) 代码应该没有直流或只有很小的低频分量，以便顺利的通过电路中的储 能元件，并不会淹没在直流电流中。 ( 2 ) 代码中应包含有位的定时信息，以便接收机能够从中提取定时脉冲。 ( 3 ) 代码不能受信息源中统计特性的影响。 ( 4 ) 应当尽量压缩频带，以提高信道的频带利用率。 数字基带信号的码型种类很多，我根据论文需要着重介绍曼彻斯特编码及米 勒编码两种。如图2 2 所示，主要几种编码形状如下【2 4 】： 1 0 1 1 00 l 米勒码一r 飞 厂 iulluui 变形米勒码 厂 厂 厂_ 厂 厂 l l 0 ll 0o l 曼彻斯特码 f f f f 、屯 七 t 屯 图2 2 常用编码的形状 m a n c h e s t e r ( 曼彻斯特) 编码：在半个b i t 周期负边沿表示二进制l ，半 个b i t 周期的正边沿表示二进制0 【1 1 。m a n c h e s t e r 编码在r f i d 系统中经常用 于从电子标签到读写器的数据传输，由于在它本身包含了时钟信息，因此，在 r f i d 系统中非常适合用于防止数据在无线信道传输过程中出现的相互干扰，但 由于它在相同比特位长度的条件下，宽度范围仅为原信号的一半，因此它所占用 的频带宽度也增加了一倍。 m i l l e r ( 米勒) 编码：在半b i t 周期的任意边缘表示二进制l ，而经过下 一个周期中不变的l 电平表示二进制0 。如果连续一串0 ，则在0 b i t 周期开始时产生电平交变【2 4 1 。在我们设计的系统中，从读写器到电子标签的 数据传输编码采用的是变形的m i l l e r 编码。就是在m i l l e r 编码中的每个边缘都为 7 硕士学位论文 第二章r f i d 系统的相关理论 一“负 脉冲来取代。这样在从读写器到电子标签的数据传输中，由于很短的脉 冲持续时间，故可以在数据传输过程中保证从读写器的高频场中连续供给应答器 内芯片以能量。 2 2 2 信号的调制与解调 调制过程将基带信号搬移到高频段的过程，是用基带信号去控制高频振荡信 号的某一参数，使载波的这些参量随基带信号( 指经过编码的信号) 的变化而变 化的一种处理过程。通常基带信号又称为调制信号，而未经调制的高频振荡信号 称为载波信号，经过调制后的高频振荡信号称为已调信号。调制过程在信号的发 送端。 解调过程式调制的反过程，即把基带信号从高频载波上搬移下来的过程。解 调过程在信号接收端。 调制的方法一般分为两大类：连续波调制与数字调制【2 5 1 。在模拟调制中， 调制信号的取值是连续的，而数字信号的取值是离散的。传统的无线电技术中， 主要是众所周知的模拟调制方法。而在l 强i d 系统中使用的是数字调制方式，数 字调制又可分为：振幅键控( a m p l i t u d es h i f tk e ) ，i n g ，a s k ) 、频移键控( f r e q u e n c y s h i f tk e y i n g ， f s k ) 和相移键控( p h 嬲es h i f tk e y i n g ，p s k ) 1 1 1 。 1 二进制振幅键控( a s k ) 在r f i d 系统中，信息从读写器发送到非接触式i c 卡或从卡片发送到读写 器，依据系统设计的原理不同，r f i d 系统所使用的调制技术也不同。读写器必 须为卡提供一种能量远大于噪声的信号，同时卡片必须体积小、造价低，因此卡 片上的电路必须尽量简单化。而振幅键控信号是最简单的一种调制技术，因而在 r f i d 系统中被广泛使用。 在a s k 中，载波幅度随着调制信号1 和0 的取值变化在两个状态之间变化。 二进制幅度键控中最简单的形式称为通一断键控( o n o f f k e y i n g ，o o k ) ，即载 波在数字信号1 或0 的控制下实现通或断。假定载波信号的两个幅度分别为a 。 和a 晌，则可定义调幅波的键控度m 为： m ：a m a x - a m i , ( 2 1 ) 彳。+ 彳。i 。 m 值为l 和o 1 的a s k 调制信号的波形如图2 3 所示。从读写器到卡的调 制，t y p eb 用1 0 a s k ，而t y p e a 用1 0 0 a s k 。 硕士学位论文第二章r f i d 系统的相关理论 二 删颤罩：! = yyy vvvyyyvyvvyyyyyyyyy 1 0 的a s k 调制 图2 - 3 s i 调制信号的波形 2 副载波调制 在无线电技术中，副载波调制技术的应用相当广泛。 在r f i d 系统中，从卡到读写器的数据传输中，用副载波的调制法。副载波 本身是通过对工作频率的二进制分频产生的。对1 35 6 m h z 的系统来说，大多数 使用的副载波频率为8 4 7 k h z ( 1 3 5 6 m h z 1 6 ) 。图2 - 4 所示为r f i d 系统中的副 载波调制原理图。 h # 赫1 2 k j 珊1 n 1 1 1 1 1 1 u 删一 t * 盛* * 厂 厂 厂一 l _ jl _ jl - j * 月t m m nn m nn m n n 女口目 圈囊圈_ 图2 4 副载波调制原理圉 硕士学位论文 第二章r f i d 系统的相关理论 2 3r f i d 系统的通讯安全 2 3 1 纠错与检错 随着电子标签的应用越来越广泛，电子标签的安全性和保密性越来越受到了 人们的关注。使用r f i d 技术传输数据时，很容易受到外界干扰，使传输数据发 生改变而导致错误。r f i d 系统通常使用的数据校验方法有奇偶校验、循环冗余 校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc o d e ，c r c ) 2 6 】。 1 奇偶校验 奇偶校验是一种很简单而且广泛应用的校验方法。这种方法是把一个奇偶校 验位组合到每一个字节中，并被传输，即每字节发送9 位。可以采用奇校验或偶 校验。在接收端对接收到的数据进行与发送端相同的校验方法如果校验位不符， 则可识别传输错误。然而，这种方法的缺点是识别错误的能力低。如果错误改变 的位数是奇数，那么错误是可以被检测出来，但如果改变位数是偶数时，则无法 识别传输错误。因此，奇偶校验法检测能力低。 2 循环冗余校验 相比奇偶校验，循环冗余校验( c r c ：c y c l i cr e d u n d a n c yc o d e ) 能够以很 大的可靠性识别传输错误。c r c 校验由于实现简单，检错能力强，被广泛使用 在各种数据校验应用中【2 7 1 。占用系统资源少，用软硬件均能实现，是进行数据 传输检测地一种很好手段。 c r c 码是由两部分组成，前部分是信息码，就是需要校验的信息，后 部分是校验码，如果c r c 码共长疗个b i t ，信息码长m 个b 1 ，就称为( 刀，m ) 码。 c r c 校验的编码方法是待发送的二进制数据f ( z ) 除以生成多项式g ( x ) ，将最后 的余数作为c r c 校验码。其实现步骤如下【2 1 】： ( 1 ) 设待发送的数据块是m 位的二进制多项式f ( 工) ，生成多项式为r 阶的 g ( x ) 。在数据块末尾加，个0 ，数据块的长度增加到m + ，位，对应的二进制多项 式为x 7 f ( x ) 。 ( 2 ) 用生成多项式g ( x ) 去除工7 f ( x ) ，求出余数阶数为r - 1 的二进制多项式 y ( x ) 。此二进制多项式y ( x ) 就是f ( x ) 经过生成多项式g ( x ) 编码的c r c 校验码。 ( 3 ) 用a r t ( x ) 以模2 的方式减去y ( x ) ，得n - - 进制多项式石t ( j ) 。a r t ( 石) 就 是包含了c r c 校验码的待发送字符串。 从c r c 的编码规则可以看出，c r c 编码实际上是将代发送的m 位二进制多项 l o 硕士学位论文第二章r f i d 系统的相关理论 式f ( x ) 转换成了可以被g ( x ) 除尽的册+ ，位二进制多项式z t ( 工) ，所以解码时可 以用接受到的数据去除g ( x ) ，如果余数为零，则表示传输过程没有错误；如果 余数不为零，则在传输过程中肯定存在错误。许多c r c 的硬件解码电路就是按 这种方式进行检错的。同时x “t ( 工) 可以看做是由f ( 功和c r c 校验码的组合，所 以解码时将接收到的二进制数据去掉尾部的，位数据，得到的就是原始数据。 为更好理解以上步骤，我举个例子：求( 7 ，3 ) 码，信息码1 1 0 产生的c r c 码 我们知道信息码的多项式为： f ( x ) = x 2 + x 1 ( 2 2 ) 则： x 4 t ( x 1 = 工6 + 工5 ( 2 3 ) 由于编码为7 - 3 - - 4 位，则： g ( 力= x 4 + j r 3 + z 2 + l ( 2 4 ) 用x 4 t ( x ) 除以g ( x ) 得余数“工3 + l ，则信息码的c r c 码为11 0 ，1 0 0 1 。 c r c 校验对要传送的一个数据块附加一些校验位( 典型值为4 位、8 位、1 2 位、1 6 位、3 2 位) ，这些校验位由该数据块算出，并随同数据块并传送。在接收 端，对收到的数据块重新按规定的算法计算c r c 校验，从而判定传输过程是否 出错。 1 6 位c r c 校验适合校验4 k b 大小的数据块的完整性。当数据块超过此长 度时，其性能明显下降。在射频识别系统中传输数据块一般都比这个长度小，所 以可以采用1 2 位和8 位的c r c 校验。 2 3 2 干扰与抗干扰 由于卡与读写器之间的数据传输经过空间传输信道，因此空间信道面临信道 的干扰问题同样会出现读写器与卡之间的数据传输过程中。 干扰带来的直接影响是读写器与卡通信过程中的数据错误，卡和读写器两方 面都有可能出错误。 2 4 非接触式ic 卡 2 4 1 非接触式ic 卡的特点 通常，非接触式i c 卡没有自己的供电电源( 电池) ，只是在读写器响应范围 之内，卡才是有源的，卡所需要的能量以及时钟脉冲、数据，都是通过耦合单元 的电磁耦合作用传输给卡的。下面简单说明下非接触i c 卡的特点【3 2 】： ( 1 ) 可靠性高、寿命长。由于读写之间无机械接触，避免了因接触读写而产 1 1 硕士学位论文 第二章r f i d 系统的相关理论 生的各种故障；且非接触式i c 卡及读写器表面均无裸露的触点，无须担心触点 损坏或脱落、卡弯曲损害所致之卡片失效：卡和读写器均为全封闭防水、防尘结 构，既避免静电、尘污对卡的影响，也可防止粗暴插卡、异物插入读写器插槽以 及读写器“吃卡”等问题。这些都将大大提高卡及读写器的可靠性和使用寿命。 ( 2 ) 操作快捷便利。无接触通信使读写器在1 0c m 范围内就可以对卡片操作， 无需插拔；且非接触式i c 卡使用时无方向性，卡片可以任意方向掠过读写器表 面完成操作，既方便又提高了使用速度。 ( 3 ) 动态处理。由于非接触式i c 卡与读写器之间通信时处于相对运动的状 态，对电路的处理速度、可靠性等都提出了更高的要求，因此，对应用于安全性 要求较高的场合，目前仍主要采用接触式c p u 卡，非接触式c p u 卡正处于发展 中。 ( 4 ) 成本较高。显然，由于卡和读写器都需要将射频技术结合进去，因此必 然会增加其成本。 2 4 2 非接触式ic 卡的国际标准 非接触式i c 卡的国际标准包括i s o i e c1 0 5 3 6 、i s o i e c1 4 4 4 3 和i s o i e c 1 5 6 9 3 t 1 3 】。由于目前使用的非接触式i c 卡大多为p i c c ( 近耦合卡1 ，它符合i s o i e c 1 4 4 4 3 协议。现阶段i s o i e c1 4 4 4 3 ( 草案) 主要有两个体系并存：i s o i e c 1 4 4 4 3 t y p e a 和i s o i e c1 4 4 4 3 - t y p e b 。其中n 俾e a 以p h i l i p s 公司为代表【3 3 1 。 包括s i e m e n s 、h i t a c h i 、g & d 和s c h l u m b e r g e r 等公司，并已推出包括存储器卡、 逻辑加密卡、c p u 卡和组合卡在内的各种产品；n 伊eb 以s t ( 意法半导体) 、 m o t o r o l a 、韩国s a m s u n g 和日本的n e c 等公司为代表【3 4 1 。 我们主要从两个方面，对t y p e a 标准与t y p eb 标准作以比较： ( 1 ) 能量传输 依据i s o i e c l 4 4 4 3 定义的射频信号接口标准，对于a 型卡，卡天线接收到 的是1 0 0 a s k 调制的改进m i l l e r 编码信号，采用此种信号的优点是1 0 0 a s k 调制能以1 0 0 的能量进行数据传输，因此其信号区别明显，易于检测，保证了 信号的较高干扰性，提高了通信的可靠性。但在每一位的传送( 传送速率为 1 0 5 9 k b s 时，传送周期为9 4us ) 中，有约3us 的信号间歇【3 5 1 ，这时的读写器到 卡的能量供应中断，必须在卡内电路中加一个大容量电容以维持一定的能量供 应。 对于b 型卡，由于它采用1 0 a s k 调制，卡片可以从读写器获得持续的能 量；但信号区别不明显，容易造成误读写，抗干扰能力较差。同时卡上的数字 信号处理并未用到所供给的全部能量，缩短了其有效读卡距离。 ( 2 ) 编码方式与负载调制方式 1 2 硕士学位论文 第二章r f i d 系统的相关理论 目前两种标准的卡片到读写器通信都采用了负载调制方式。a 类通信方式使 用8 4 7 5 k h z 副载波m a n c h e s t e r 编码，而b 类通信方式的负载调制也使用 8 4 7 5 k h z 副载波。读写器到卡片的通信，a 型卡采用m i l l e r 编码，因而速度很 快，而b 型卡采用不归零码( n r z ) 比较易于实现软件解码【3 6 1 。 目前t y p ea 与t y p eb 孰优孰劣尚在争议中。t y p ea 的产品具有更高的 市场占有率，如p h i l i p s 公司的m i f a r e 系列占有了当前约8 0 的市场，且在较为 恶劣的工作环境下更有优势。本系统采用是p h i l i p s 公司的m i f a r e 卡，它属于 t y p e a 类型。 2 5mif a r e 卡 m i f a r e 卡是常用的一款符合i s 0 1 4 4 4 3 a 标准由p h i l i p s 开发的非接触式i c 卡。每张卡有唯一的3 2 位序列号，其工作频率为1 3 5 6 m h z 3 7 3 8 1 。m i f a r e 卡有两 个重要特点： ( 1 ) 卡的防冲突功能保证了读写器能从同一工作区域的多张m i f a r e 卡中每 次只选择其中一张卡执行操作。 ( 2 ) 保密性强，读写器要经过多次密码验证才能读到m i f a r e 卡内的信息。 2 5 1m if a r e 卡功能结构 m i f a r e 卡电路系统包括r f 射频接口电路和数字逻辑电路两大块。其中射频 接口电路包括电源产生电路、解调电路及调制电路，电路系统结构3 9 ，柏1 如图2 5 所示。其电源产生电路有整流电路、稳压电路、以及过保护电路三个模块组成； 解调电路有检波电路和比较电路两个功能模块组成。 图2 - 5m i f a r e 卡工作电路原理图 在卡的r f 射频接口电路中，波形转换模块接收读写器所发送的1 3 5 6m l - l z 硕士学位论文 第二章r f i d 系统的相关理论 的无线电调制信号。一方面送调制解调模块，经解调得到相应的数字信息送数 字电路模块；另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流滤波， 由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终输出提供卡片上各 电路的工作电压。 数字逻辑电路主要包括a t r ( a n s w e rt or e q u e s t ) 模块、a n t i c o l l i s i o n 模块、 s e l e c ta p p l i c a t i o n 模块及a u t h e n t i c a t i o n & a c c e s sc o n t r o l 模块。 2 5 2mif a r e 卡工作原理 卡的工作原理【4 1 ，4 2 】如下：当卡片进入读写器的场强范围时，电源产生电路将 天线上耦合到的交流信号转换为直流电压。当电源电压达到2 伏时，上电复位模 块给出上电信号，使数字逻辑模块进入工作状态。解调模块将读写器发射的数据 信息从a s k 调制信号中恢复出来，再送给数字逻辑电路：而调制模块则将卡片中 数字逻辑电路要发送的数据信息通过天线发射出去。于是通过对双方天线的控 制，建立起读写器和卡片之间的通信。 2 5 3m i f a r e 卡的存储结构 每张卡片具有唯一的序列号，没有重复的两张m i f a r e 卡。卡的具体结构如表2 2 所示： 表2 - 2m i f a r e 卡的存储结构 块0数据块 0 扇区0块1数据块 1 块2 数据块 2 块3密码a存取控制密码b控制块 3 块0数掘块 4 扇区1块l数据块 5 块2数据块 6 块3密码a存取控制密码b控制块 7 块0数据块 6 0 扇区1 5块1数据块 6 l 块2数据块 6 2 块3密码a存取控制密码b控制块 6 3 m i f a r e 卡容量为8 1 9 2 b i t ，卡的结构分为1 6 个扇区，每个扇区有4 个块，每 1 4 硕士学位论文第二章r f i d 系统的相关理论 块有1 6 字节；块3 为控制块，其余三个块是一般的数据块。扇区0 的块0 是厂 商代码，已固化，不可改写。其中第0 - - 4 个字节为卡片的序列号，第5 个字节为 序列号的校验码；第6 个字节为卡片的容量“s i z e 字节；第7 ，8 个字节为卡 片的类型号字节，即t a g t y p e 字节；其它字节由厂商另加定义。 每个扇区的块3 ( 即第4 块) 由该扇区的密码a ( 6 字节) 、存取控f 1 t j ( 4 字节) 、 和密码b ( 6 字节) 组成，是一个特殊的块。m i f a r e 卡出厂初始化时，所有扇区 的块3 的初始化存取控制字节为“f f 0 7 8 0 6 9 一。 2 5 4m j f a r e 卡的的防冲突 ( 1 ) 冲突命令集 m i f a r e 卡采用二进制搜索算法完成防冲突，它的防冲突过程的实现是通过读 写器与卡之间的一系列命令来完成的【4 3 彤】。在整个通信过程中，这样一系列的命 令封装在数据帧中进行传输，读写器为主动设备而卡为被动设备，读写器发送一 条命令，卡回送一个响应，由此构成了一次会话过程。这些命令如表2 3 中所示， 其中命令栏中为读写器发送的命令，响应的命令栏为卡所发送的命令，u i d 为卡 的唯一标识号，在防冲突过程中是通过u i d 来区分不同的卡片的。 表2 - 3 位冲突检测协议的命令集 命令相应返回命令 r e q a w a k e u p a n t i c o l l i s i o n s e l e c t h a l t a t q a t q 剩余的u i d s a k + c r c 无 为了从多张卡片中识别出一张以进行通信，t y p e a 采用了位冲突检测协议 来实现防冲突过程【4 5 加】。卡片在t y p e a 防冲突过程中可以处于多种状态，各个 状态含义如下： 1 ) p o w e ro f f ( 断电) 状态：p i c c 尚未获得能量( 未进入p c d 工作区) ，而 处于断电状态，因此也不能发射负载波。 2 ) i d l e ( 休闲) 状态：p i c c 进入p c d 工作区，被电磁场激活后，获得能量， 生成电压，进入i d l e 状态，同时能对已被调制的信号解调，并认识来自p c d 的r e q a 和w a k e u p 命令。 3 ) r e a d y ( 就绪) 状态：当接收到一个有效的r e q a 或w a k eu p 命令时， 就进入r e a d y 状态，在这一状态中采用防冲突方法，用u l o ( 惟一标识符) 从多 张i c 卡中选择出一张p i c c ，此时该张p i c c 就进入a c t i v e ( 激活) 状态。 4 ) a c t i v e ( 激活) 状态：在本状态，完成本次应用( 一次交g j ) 所要求的全部操 硕士学位论文 第二章r f d 系统的相关理论 作。 5 ) h a l t ( 停止) 状态：p i c c 完成一次交易后，被置于h a l t 状态。 状态转换所需命令也已分别列入p i c c 状态图，如图2 - 6 所示： 图2 - 6t y p ea 的p i c c 状态图