（电路与系统专业论文）基于iso14443b+rfid卡长距离读卡器研究.pdf

杭州电子科技大学杭州电子科技大学硕士学位论文硕士学位论文 基于基于 iso14443iso14443- -b rfidb rfid 卡长卡长距离读卡器研究距离读卡器研究 研研 究究 生：生： 童瑶 指导教师：指导教师： 张海峰 2012 年 12 月 dissertation submitted to hangzhou dianzi university for the degree of master the research of long-distance reader based on the iso-14443-b rfid card candidate: tong yao supervisor: associate prof. zhang haifeng december, 2012 杭州电子科技大学大学杭州电子科技大学大学 学位论文原创性声明和使用授权说明学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学大学。本人保证毕业离校后，发 表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学大学。学校有权保留送交论 文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影 印、缩印或其它复制手段保存论文。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕士学位论文 i 摘 要 rfid 是一种无线射频识别技术，它是非接触自动识别的一种，通过射频信号自动识别目 标对象并获取相关数据。由于射频卡具有操作快捷，抗干扰性强，工作距离远，安全性高， 便于“一卡多用”等特点，在二代身份证，城市一卡通，门禁控制，动物身份识别等领域具 有无法比拟的优越性，具有广阔的市场背景。本课题设计了一种长距离读卡器系统，要求识 别二代身份证。 本论文首先对 rfid 进行了概述，介绍了电子身份证卡和身份证阅读器的发展状况；详 细介绍了 rfid 系统的组成，工作原理，分类，能量传输，信息传输，负载调制原理和副载 波调制原理；在此基础上详细说明了 mifare 1 卡和二代身份证的特征，逻辑结构和存储结 构，还介绍了 iso14443-b 协议中射频卡的能量和信号接口，初始化命令与防碰撞流程；在硬 件方面，对微控制器模块，射频读写模块，串口通信模块做了一定的描述，并且给出电路图， 详细研究了功率放大电路和滤波匹配电路； 通过设计天线线圈尺寸和调节品质因数 q 等方法， 设计了适合长距离的读卡器天线； 在软件方面， 设计出系统总体流程图， 介绍了开发平台 iar ewarm；分析了三个核心子程序：stm32 初始化程序，射频读写芯片 thm3060 初始化配 置及读写卡程序，spi 总线配置程序。 论文设计的重点和创新之处就是读卡器功放电路和天线设计，为了实现读卡器的读写距 离 025cm，在载波输出端添加了前端射频放大电路和丙类功率放大电路，得到的信号会出现 谐波失真，还设计了滤波匹配电路，为使信号高效无失真传输到天线，还设计了天线匹配电 路，经过理论计算和实际调试，得到了合适的天线边长和品质因数 q。论文最后还对设计中 的结果进行了测试，归纳和总结了实际的优点和不足。 关键词：rfid，stm32，thm3060，读卡器，射频卡 杭州电子科技大学硕士学位论文 ii abstract rfid is a radio frequency identification technology which belongs to non-contact automatic identification technology, acquires the relevant data by rf signal, as the quick operation, high eft,long working distance,high security, rfid is widely applied in the second generation id card,city card,access control and animal identification.this paper designs a long distance reader system to identify the second generation id card. this paper firstly introduces rfid,the development of electronic id card and id card reader; it introduces the composition,working principle,classification,energy and information transmission,load modulation principle and subcarrier modulation principle in detail; it describes the characteristics of mifare 1 card and the second generation id card, the logic structure and storage structure,it also introduces the iso14443-b protocol including the energy and signal interface between the rf cards,initialization command and collision process;on the hardware side,this paper designs mcu control module, rfid reader module,serial communication module,it research deeply the power amplifying circuit and filter matching circuit; this paper designs the antenna of the reader system,including the size of the antenna coil and the appropriate value of the quality factor q,at last the antenna impedance matching circuit makes the efficient transmission of energy signals to the antenna.on the software side,the development platform is iar ewarm,the three core subroutine is stm32 initialization procedure,rf reader chip thm3060 initialization and reader card program,spi bus configuration program. the key and innovation place of the design is power amplifier circuit and antenna design of the reader, the carrier output end adds front-end rf amplifier circuit and class c power amplification circuit in order to realize the readers reading anf writing distance 025cm,the signal will appear harmonic distortion,so it designs the filter matching circuit,the paper designs the matching circuit of antenna in order to make effective signal without distor transmission to the antenna,it gets the appropriate antenna length of side a and quality q through the theoretical calculation and actual debugging.the paper funally tests the result of design,concludes and summarizes the practical advantages and disadvantages. keywords: rfid, stm32, thm3060, reader, rf card 杭州电子科技大学硕士学位论文 iii 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第一章 绪论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.2.1 电子身份证卡研究现状 . 1 1.2.2 身份证读卡器研究现状 . 2 1.3 研究内容及创新点 . 3 1.4 论文章节安排 . 3 第二章 rfid 系统结构及信号传输. 5 2.1 rfid 系统结构. 5 2.1.1 系统组成及工作原理 . 5 2.1.2 rfid 系统的分类. 6 2.2 rfid 系统信号传输. 6 2.2.1 rfid 系统的基带编码. 7 2.2.2 rfid 系统的数字调制方式. 8 2.2.3 rfid 系统负载调制原理. 9 2.3 本章小结 . 10 第三章 射频识别卡及标准 iso14443 协议 . 11 3.1 mifare 1 卡 . 11 3.1.1 mifare 1 特性 . 11 3.1.2 mifare 1 芯片逻辑结构 . 11 3.1.3 mifare 1 芯片存储结构 . 12 3.2 第二代身份证卡 . 14 3.2.1 第二代身份证卡特性 . 14 3.2.2 第二代身份证卡存储和逻辑结构 . 15 3.3 标准 iso14443 协议 . 15 3.3.1 物理特性 . 15 3.3.2 射频能量和信号接口 . 15 3.3.3 初始化与防碰撞 . 16 3.4 本章小结 . 20 杭州电子科技大学硕士学位论文 iv 第四章 长距离读卡器系统硬件设计 . 21 4.1 系统硬件框图 . 21 4.2 mcu 控制模块的设计. 22 4.2.1 stm32 核心电路 . 22 4.2.2 jtag 电路 . 22 4.2.3 电压转换电路 . 23 4.3 串口通信模块 . 23 4.4 射频读写模块的设计 . 24 4.4.1 thm3060 芯片 . 24 4.4.2 发送通道 . 26 4.4.2.1 前端射频放大电路设计 . 26 4.4.2.2 功率放大电路设计 . 26 4.4.2.3 滤波匹配电路 . 30 4.4.2.4 调制电路 . 31 4.4.3 接收通道 . 33 4.5 本章小结 . 34 第五章 读卡器天线设计 . 35 5.1 天线尺寸设计 . 35 5.1.1 天线线圈的磁场强度 . 35 5.1.2 标签线圈上的感应电压 . 36 5.1.3 天线线圈的电感 . 37 5.1.4 天线的 ni 优化 . 37 5.1.5 天线线圈的线径 . 38 5.1.6 天线回路的品质因数 . 39 5.2 天线匹配网络设计 . 40 5.2.1 天线谐振示意图 . 40 5.2.2 天线谐振方法 . 41 5.3 天线设计步骤及参数 . 42 5.4 天线性能评估 . 43 5.5 本章小结 . 44 第六章 读卡器系统软件设计 . 45 6.1 软件总体设计 . 45 6.2 软件开发环境 . 46 6.3 读卡器软件各模块介绍 . 46 6.3.1 stm32 初始化 . 46 杭州电子科技大学硕士学位论文 v 6.3.2 thm3060 的配置和读写 . 46 6.3.2.1 thm3060 配置寄存器设置 . 48 6.3.2.2 thm3060 读写寄存器和发送接收程序 . 49 6.3.2.3 thm3060 与二代证读取命令过程 . 52 6.3.3 spi 总线实现 . 53 6.4 本章小结 . 54 第七章 结果分析 . 55 第八章 总结与展望 . 57 8.1 全文总结 . 57 8.2 展望 . 57 致 谢 . 58 参考文献 . 59 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 rfid(radio freguency identification)是一种无线射频识别技术1，它是非接触自动识别技 术的一种，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，rfid 技术是 20 世纪 80 年代发 展起来的一种新兴自动识别技术，其通信距离范围可从几厘米到几十米远，常用的有低频， 高频，超高频，无源等技术。目前应用很广，如二代身份证，城市一卡通，门禁控制，电子 门票，物流和供应管理，动物身份识别等。 身份证是国家或地区进行安全防卫，打击犯罪，管理控制的重要工具，20 世纪末，发达 国家和地区意识到：采用 ic 卡为载体的电子身份卡取代纸质身份证，不仅在防伪和抗损性上 优势明显，而且可以利用此电子信息载体，增加纸质证件不具备的更多服务功能2。第二代 身份证（简称二代证） ，符合 iso14443-b 标准，属于协议中 type b 类型的 rfid 卡，工作 频率是 13.56mhz，是一种非接触智能 ic 卡，具有“新材料，新工艺，新技术”的特征，同 第一代身份证相比，具有 3 大优势：存储信息量增大，防伪性能提高，制证周期短。 随着中国二代证的换发和启用，二代证读卡器诞生，主要是识别真伪和读取卡内信息， 据分析， 公安部对二代读卡器的需求就超过 25 万台， 旅游饭店商用读卡器需求超过 100 万台， 机场，火车站，银行，宾馆等各种公共场所对读卡器需求极大。二代身份证读卡器主要是通 过内嵌专用身份证安全认证模块（sam） ，以非接触方式与二代居民身份证的专用芯片进行 安全认证， 将身份证卡里的个人信息读出， 通过计算机的 uart 串口或 usb 接口实现将二代 证里的信息传送到计算机，上位机通过串口超级终端或者专门的阅读界面，实现将个人信息 解码成身份证上的个人信息和图片，并且显示出来3。 在人口信息日益膨胀的今天，为了方便公安部，火车站，民政局，银行，邮局，旅店等 公共场所鉴别居民身份信息，二代证读卡器需求迫在眉睫，它实现了人口的信息化和网络化 管理，具有潜在的市场价值，意义重大。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 电子身份证卡研究现状 1999 年 12 月芬兰的公民登记中心 （vrk） 最早就开始发行可由公民自愿选择领取的 fine id 卡，持卡人可通过 pc，读卡器及机顶盒甚至移动电话，在网上证明自己的身份，接受政 府和企业服务，对保险公司的养老金进行数字签名或向银行申请贷款。 亚洲文莱 1999 年建立了世界第一个具备生物特征识别技术的国家 id 智能卡系统。数字 化指纹信息记录于 id 卡，也储存于中央数据库，政府相关部门可据此查询了解每个公民或居 民的行为和行踪。 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 我国澳门特区政府从 2001 年 11 月开始为 40 多万居民换发新的智能身份证， 该证卡综合 了身份证，驾驶证，选民证和医疗卡等诸多功能，鉴于个人隐私的疑虑，对非法定个人信息 将由持卡人自愿选择写入与否4。 我国香港特区政府 2001 年拨款 10 亿美元用于该地区智能身份证项目的初期投入，计划 从 2003 年年中至 2007 年年底分阶段实施，全港 680 万市民可自由选择加入，该电子身份证 卡采用接触式 ic 卡芯片可存放包括拇指指纹和数码照片在内的个人信息，不仅用于身份证 明，且可用作图书证，利用卡内芯片存储的数字证书，持卡人可进行更带地址，银行交易， 股票买卖。更换驾驶执照及递交报税表等网上交易。 2002 年，我国台湾计划发行 240 万张居民卡；日本则将 21 个城市作为发放身份证卡的 试点：泰国计划于 2005 年开始向它的 6500 万国民发放基于 java 技术的 32kb 存储空间身份 证识别卡，卡上携带持卡人指纹信息，医疗信息，护照信息和进入政府服务网站的密码；越 南则将电子身份证列为其优先发展的 10 项信息技术之一。 我国内地的电子身份证即二代证项目无疑使世界最大的 ic 卡应用工程，1997 年，中国 公安部在全国公安 ic 卡应用规则中明确指出：利用 ic 卡技术制作新一代居民身份证， 以强化信息化时代的治安管理，已成为公安部门的一项紧迫任务。2001 年 6 月 13 日，国务 院关于换发第二代居民身份证有关问题的批复更明确指示： “采用非接触 ic 卡技术和指纹自 动识别技术制作第二代身份证” 。2003 年 6 月 28 日十届全国人大常委会第三次会议通过的身 份证法规定：身份证具备机读和视读两种功能，读取内容约为：姓名，性别，民族，出生日 期，户口所在住址，公民身份证号码，本人照片，证件有效期，签发机关等，其内置的符合 iso14443-b 标准芯片还为指针和血型信息预留了存储空间，该项目将由公安部统一归口，统 一规划，统一部署，坚持国产芯片，自主版权，注重国产化，立足国内和安全可靠等建设原 则5。 1.2.2 身份证读卡器研究现状 目前的身份证读卡器均采用 iso14443-b 技术， 通过微控制器控制读写专用芯片， 将二代 证芯片的 uid 以及个人信息读出，通过计算机通讯接口（uart 或 usb） ，将身份证卡上的 信息传送至 pc 机的阅读界面，以显示文字或图片信息。 全国有 10 个公司生产二代身份证读卡器，如华旭，普天，银安，神盾，精伦，神思，国 腾，华视，昌贸，新中新，这 10 个品牌之外的二代证读卡器都是假冒产品，二代证读卡器是 一种能判断身份证是否伪造的设备，像验钞机一样，能对身份证真伪进行有效识别，卡内含 有 rfid 芯片，通过身份证读卡器，显示芯片内所存储信息，包括姓名，地址，照片等，其 芯片采用 rfid 技术，无法复制，高度防伪，配合读卡器，假身份证将被识别出来。 目前的身份证终端设备有台式，柜式，联机式，便携式等，其具体要求有： （1）通用性强：支持 win98/2000/xp/wince/linux 等多种操作系统； （2）功能强大：可外接标准键盘、鼠标、显示器，提供 rs-232c、usb、lan、modem 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 等多种计算机接口； （3） 扩展灵活： 可加装指纹采集器， 现场比对持证人的指纹， 进行“人证同一性”认定。 也可以外接数码采集设备，采集个人相片、文字等信息，作信息采集设备； 1.3 研究内容及创新点 本论文首先研究 rfid 系统的组成，工作原理，分类，能量传输，信息传输，负载调制 原理和副载波调制原理， 然后研究 iso14443-b 标准协议以及 mifare 1 卡和二代身份证的特 征，逻辑结构和存储结构，在硬件方面，设计出硬件框图，包括微控制器模块，射频读写模 块，串口通信模块，详细研究了功率放大电路和滤波匹配电路。通过设计天线线圈尺寸和调 节品质因数 q 等方法，设计了适合长距离的读卡器天线。在软件方面，设计出系统总体流程 图，介绍了开发平台 iar ewarm；分析了三个核心子程序：stm32 初始化程序，射频读写 芯片 thm3060 初始化配置及读写卡程序，spi 总线配置程序。 本论文的创新点在于突破 iso14443 协议规定的读卡距离 10cm 以内，通过加入功率放大 电路以增加辐射功率，加大天线的尺寸和效率实现读卡器工作距离为 025cm。 本文设计的二代证读卡器功能符合实际需要，性能稳定可靠，其具体参数为： （1）符合二代证读卡器通用技术要求，符合 iso14443-b 标准； （2）工作频率：13.56mhz； （3）天线能量输出：天线表面磁场强度的范围是 1.5a/m（rms）7.5a/m（rms） ； （4）接口：串口 uart； （5）读卡距离：025cm； （6）读卡时间小于 1s； （7）适用于 win98/2000/xp 平台。 1.4 论文章节安排 论文的章节安排如下： 第一章 介绍 rfid 技术的背景，意义及国内外研究现状，本论文的研究内容，创新点和 具体章节安排。 第二章 介绍 rfid 系统的组成，工作原理，分类，能量传输，信息传输，负载调制原理 和副载波调制的频谱图。 第三章 分别介绍了 mifare1 卡与二代证的特点，逻辑结构和存储结构，iso14443 标准 协议，还仔细研究了读卡器与标签之间的通信命令，具体描述了命令代表的内容，以及防碰 撞算法的流程。 第四章 介绍了读卡器硬件框图，微控制器模块，射频读写模块，天线模块，还仔细分析 了功率放大电路和天线匹配网络，以实现长距离 025cm 的读卡。 第五章 介绍了读卡器软件系统总体流程图，所选取的开发环境和编程语言，微控制器初 始化，spi 总线时序，还仔细研究了射频读写芯片寄存器配置，发送与接收命令的程序，射 杭州电子科技大学硕士学位论文 4 频卡状态转换流程。 第六章 读卡器结果分析。 第七章 总结全文内容，并且给出未来的研究方向。 杭州电子科技大学硕士学位论文 5 第二章 rfid 系统结构及信号传输 2.1 rfid 系统结构 2.1.1 系统组成及工作原理 rfid 最基本的三部分组成（见图 2.1） ： 图 2.1 rfid 系统基本模型图 （1）电子标签 电子标签由耦合线圈及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目 标对象。其中芯片内储存一定格式的电子数据，作为待识别物品的标识性信息，是 rfid 系 统真正的数据载体，内置耦合线圈用于和读卡器射频天线进行通信6。 （2）读卡器 读取或读写电子标签信息的设备，主要任务是通过串口控制射频模块向电子标签发射读 取信号命令，接收电子标签的应答命令，同时对电子标签标识信息进行解码，将数据信息传 输到 mcu 处理。 （3）天线 电子标签与读卡器之间传输数据信息的发射及接收装置。 读卡器和电子标签之间射频信号的耦合类型有两种： （1）电感耦合 变压器模型，通过交变磁场实现耦合，运用电磁感应定律，一般适合于中，低频的近距 离 rfid 系统，工作频率有：125khz，225khz，13.56mhz，识别距离小于 1m，典型工作距 离为 1020cm。 （2）电磁反向散射耦合 雷达原理模型，发射的电磁波遇到目标后反射回来7，并且携带回具体的目标信息，根 据电磁波的空间传播规律，微波工作的远距离射频识别系统，典型的工作频率有：433mhz， 915mhz，2.45ghz，5.8ghz，识别作用距离大于 1m，典型作用距离为 3-10m。 pc 读卡器 天 线 电子标签 电磁场 杭州电子科技大学硕士学位论文 6 2.1.2 rfid 系统的分类 电子标签耦合就是用不同的方法传送不同的信号。 rfid 系统中电子标签与读卡器之间的 作用距离是 rfid 系统应用中的一个重要问题，通常情况下这种作用距离定义为电子标签与 读卡器之间能够可靠交换数据的距离，rfid 系统的作用距离是一项综合指标，与电子标签及 读卡器的匹配情况密切相关，根据 rfid 系统作用距离的远近情况，电子标签天线与读卡器 之间的耦合可分为三类8。 （1）密耦合系统 系统的工作距离范围为 01cm，实际应用中，通常需要将电子标签插入读卡器