（通信与信息系统专业论文）基于数字合成（dds）技术的频率自适应rfid识读器设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 一 第1 页 手葡芰 射频识别( r a di0f r e q u e n c y id e n tific a tio n ，r f id ) ，又称 电子标签( e - t a g ) ，是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相 关信息的技术。在飞速发展的信息技术时代，r f i d 广泛应用在物流管 理、交通运输、工业控制等方方面面，在国民经济中起发挥了巨大的 作用。同时人们对于r f id 系统进一步开发和完善工作也是目前科学研 究的重点和热点之一，对于如何降低成本、提高效率、扩大其应用领 域等方面都在进行积极的探索。 通过理论分析和实验验证表明，在传统的r f i d 识读系统中由于天 线的谐振频率离散性，使得在天线辐射场能量传输不能达到最大化， 因此降低了传输与工作距离。本文主要研究在射频识别器设计中的天 线耦合方面的改进问题，提出了采用了基于d d s ( d i r e c td i g i t a l f r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 数字合成技术的自适应频率工作模式，自动搜索 应答器的谐振工作频率，实现了识读器和r f 卡片之间的频率最佳匹 配。从而消除不同应答器的频率误差，最大限度扩展了r f id 应用系统 的使用距离。 本文重点对频率自适应识读器的基本实现方法和相关硬件电路 以及p c b 天线等部分进行了详细的分析与设计，阐述了基于a d 9 8 5l 和 m fr c 5 0 0 的验证电路的软、硬件设计过程。通过验证结果表明，设计 的白适应识读系统工作稳定、可靠，达到了设计预期，为r f id 系统的 改进提供了有益的参考。 关键字：r f id ；识读器；d d s ；频率自适应；m fr c 5 0 0 ： 亘直奎适盔堂亟丛窒笙堂丝迨室 箜! ! 戛 a b s tr 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 so n e t e c h n o l o g yo f a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n ，w h i c hi su s e dw i t ht h er a d i os i g n a lt oi d e n t i f y t h e1 t e m s a u t o m a t i c a l l ya n dr e a l i z ec o m m u n i c a t i o n i th a sm a n v p r o m l s i n gf e a t u r e ss u c ha s ! a r g ei n f o r m a t i o nc a p a c i t y ，l o n ge f f e c t i v e d i s t a n c ea n di s w i d e l y u s e d i n l o g i s t i c s m a n a g e m e n t ，t r a f f i c t r a n s p o r t a t i o n ，i n d u s t r i a lc o n t r o la n do t h e ra r e a ，e t c n o w ，i th a sb e e n f u r t h e rr e s e a r c h e da b o u th o wt or e d u c et h ec o s t ，i m p r o v ee f f i c i e n c va n d b r o a d e n i n gt h er a n g eo fi t sa p p l i c a t i o n i ti n d i c a t e sb yt h e o r y a n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s u l t t h a t t h e a n t e n n ar a d i a t i o nf i e l d c a n tm a x i m i z ea t t a i n a b l e e n e r g vw h e ni t t r a n s f e r se n e r g yi nt h et r a d i t i o n a lr f i dr e a d e rb e c a u s eo fa n t e n n a c a v i t yf r e q u e n c yd i s p e r s e t h e r e f o r e ，am e t h o dw a ss y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r i t i sm a i n l yr e s e a r c h e dt oi m p r o v et h ec o u p l i n go fa n t e n n ai nt h ed e s i g no f r f i ds y s t e ma n dp u tf o r w a r dt ou s i n ga d a p t i v ef r e q u e n c ym o d eb a s e d o n t h ed i r e c td i g i t a l s y n t h e s i s ( d d s ) t e c h n o l o g ya n ds e a r c h i n g a u t o m a t i c a l l yf o rc a v i t yf r e q u e n c y i nt h ee n d ，i ti sr e a l i z e da b o u tt h e o p t i m a lm a t c hb e t w e e nr f i dr e a d e ra n dr fc a r d i ta l s oe l i m i n a t e st h e f r e q u e n c ye r r o ri nt h ed i f f e r e n tr e a d e r sa n de x t e n d st ot h ea p p l i c a t i o n s d i s t a n c ei nt h er f i ds y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h ea n a l y s i sa n dd e s i g no ft h er e a d e ra r ee l a b o r a t e d e m p h a t i c a l l y ，i n c l u d i n g t h eb a s i c r e a l i z e dm e t h o da n dr e l a t e d h a r d w a r ec i r c u i ta n dp c ba n t e n n a ，a n ds o o n s i m u l t a n e o u s l y ，i ti s a l s od e s c r i b e da b o u tt h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eb a s e do nt e s t c i r c u i tc o n c e r n i n ga d 9 8 5 1a n dm fr c 5 0 0 c h i p s t h ee x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h er e a d e ro f t h i ss y s t e mh a s s a t i s f i e dt h ed e m a n do f p r a c t i c a la p p l i c a t i o na n di th a ss o m e c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s s e c u r i t y ，r e l i a b i l i t ye t c i ta l s op r o v i d e sa u s e f u lr e f e r e n c eo ft h ei m p r o v e m e n tr f i ds y s t e m k e y w o rds ： r f i d ；r e a d e r ；d d s ；a d a p t a t i o nf r e q u e n c y ；m fr c 5 0 0 ； 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，使用本授权书。 学位论文作者签名：王走：受 日期：zb 。2 6 2o 指导老师签名： 多写全泺 a 胬：w 亳 6f 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、通过对现有r f id 识读器和应答器的工作原理学习，对识读过 程中的电磁耦合接口的参数进行了分析，发现了普遍存在的天 线参数离散性对r f id 工作的影响。 2 、采用频率自适应技术实现了最佳化的天线耦合参数匹配，扩 大了系统作用距离。 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 对于很多人来说，对于r f id 并不感到陌生，r f id 的全称是r a dio f r e q u e n c yid e n t ific a tio n ，中文翻译为射频识别。它是一种无线、 非接触式的自动信息识别技术，可以实现自动对象识别和远程实时 监控和管理，通信距离可以从几厘米至十几米远。其主要优点是环 境适应性强、可全天候、无接触地完成自动识别、跟踪与管理，并 可穿透非金属物体进行识别，抗干扰能力强。因此，r f i d 技术已在 世界各地得到广泛应用。 它在历史上的首次应用可以追溯到第二次世界大战期间( 2 0 世纪 4 0 年代) ，当时用于分辨敌对双方飞机的if f ( id e n t if yf rie n do rf o ) 系统。到了7 0 年代末，美国政府通过l o s a 1a m o s 科学实验室将r f id 技术 用于民间，在商业上最早用于牲畜身上。到了8 0 年代，美国与欧洲几 家公司开始着手生产r f id 卷标。而今天，r f id 技术已经广泛应用于各 个领域，典型的应用包括：物流和供应管理、生产制造和装配、航空 行李处理、邮件快运包裹处理、文档追踪图书馆管理、动物身份 标识运动计时、门禁控制电子门票和道路自动收费等。 r f id 产业 潜力无穷，应用范围遍及制造、物流、医疗、运输、零售，国防等领 域。 射频识别( r f id ) 是一种发展非常迅速的新技术，具有巨大的产业 发展潜力，专家预计，2 0 10 年全球r f id 市场将达3 0 0 0 亿美元，随之而 来的还有服务器、资料储存系统、资料库程序、商业管理软件、顾问 服务，以及其他电脑基础建设的庞大需求。我国在这方面则处于起步 阶段，大多数设备仍需采用引进的技术成果，为推动r f id 技术在生产、 生活中应用，研究该技术己成为当今国民经济发展的必需。 1 2 国内外研究现状 r f i d 已经在全世界得到了广泛的推广和应用，依靠r f i d 技术的独 亘直奎遵盔堂亟丛窒生堂焦途銮篁至夏 有优势，无线射频识别技术( r fi d ) 正在成为全球热门新科技，已经在 全球形成一个巨大的产业。面对巨大的商业应用前景，全球许多高科 技公司正在加紧开发r fid r 用的软件和硬件，这些公司包括英特尔、 微软、甲骨文、s a p 年is u n 。在r f id 的应用方面全球最大的零售商沃尔 玛已经全面使用r f id 技术对商品进行管理；在韩国已经成功地将研究 成果应用到了公交行业：欧盟将r f id 技术用到“i c a r e ”和”c a l y p s o ”项 目上，形成了一个基于r f id 技术的“信用卡 系统：德国汉莎航空公司 对高频率乘客发放的m i1e s m o r e 卡，也是用r f i d 技术的，大大提高 了机场的效率，节省了乘客的时间。这些应用的成功标志着r f id 系统 已经取得了信息系统中举足轻重的地位。现在国外已经在许多领域， 比如：服务领域、货物销售、后勤分配、商业部门、生产企业和材料流 通等领域都得到了快速的推广与应用。 在我国也有很多公司在进行这项技术的开发，如上海科芯智能卡 科技有限公司、烟台威尔数据系统有限公司、杭州力汇电子有限公司、 t a g m a st e r ( 中国) 有限公司、北京兰德华电子技术有限公司、上海华虹 集成电路有限公司等，且己经开发了许多产品。这些产品已广泛用于 服务、销售、分配等领域，如动物识别器、卡门禁机、指纹考勤机、 电子闭锁防盗专置、产品产量统计、产品质量跟踪、产品防伪、道路 交通系统等。并将研究成果成功的应用于第三代身份证中以及城市一 卡通系统建设中。经过多年的发展，中国r f i d 产业链基本形成，但是 还很不完善，特别在r f i d 中间件设备供应和产品较少；此外，我国的 r f i d 标准尚未出台，r f i d 系统特别是标签的价格较高等方面都对 r f i d 产业及技术的发展造成一定的阻碍。研究人员还在对r f i d 技术中 的数据安全、隐私保护等相关技术问题进行深入研究，可以相信而随 着芯片制造工艺的不断发展和r f i d 应用范围的扩展，成本问题也必将 大大降低，必然带来r f i d 技术发展的新的高潮。 1 3 本文主要研究内容 1 3 1 对r fid 系统性能改善 一个典型的识别系统见图1 1 ，在电子标签和耦合天线之间经 亘直銮逗太堂亟塑究生堂焦迨塞筮圣亟 过能量交换获取卡片识读信息，经过信号处理电路和通信接口将得 到的数据发往上位机及应用系统，完成了识别、处理、应用的工作 过程。 射频信号处理控制系统 。劝 感应器 ( 电子标签) 罡要蜀 图1 1r f i d 应用系统 在数据通信过程中，信号耦合和识别的关键是天线以及天线之间 的能量传递效率与匹配，为进一步提高耦合效率、增加识别距离， 必须对天线回路进行精确频率调谐和设计。本设计提出了一种有利 于提高识读卡片识别距离的方案，并进行了相关电路设计和验证。 1 3 2 主要研究范围 针对识读系统天线能量耦合的的过程分析，提出了识读器自动跟 踪应答卡片天线回路谐振点的技术方案，并采用d d s 扫频技术进行 了电路的实现，主要工作如下： 1 对基于m if a r e 非接触式i c 卡的射频识别系统体系结构、其通信 协议进行了研究。 2 对射频识别系统和d d s 直接数字频率合成技术的理论知识进行 了研究。 3 采用a d 9 8 5l 和m f r c 5 0 0 对基于m if a r e t 接触式i c 卡读写器的频 率自适应识读器软硬件设计、调试过程进行研究。 4 通过实验结果验证了自适应频率识读系统的优点，为系统的 进一步改进提供了依据。 第2 章r f i d 系统概述 2 1 非接触式ic 卡的技术分类与国际标准 2 1 1 基本的r fid 系统的组成 一个r f i d 识别系统由标签、阅读器、天线等三部分构成。 1 标签( t a g ，即射频卡) ：如图2 1 ，由耦合元件及芯片组成，标签 含有内置天线，用于和射频天线进行通信。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。 图2 1 各种识别标签 2 阅读器( r e a d e r ) ：读取( 或者写入) 标签信息的设备，可设计为手 持式或固定式。 3 天线( a n te n n a ) ：在标签和阅读器问传递射频信号。 天线是一种转能器。发射时，它把发射机的高频电流转化为空 间电磁波；接收时，它又把从空间截获的电磁波转换为高频电流送 入接收机。 射频卡系统具体的工作流程为： ( 1 ) 读写终端不断向周围发出一组固定频率的电磁波； ( 2 ) 对应于读写终端的特定频率的射频卡内有一个l c 串联振荡谐 振电路，当它进入读写终端的工作区域内。在电磁激励下，l c 谐 振电路产生共振； ( 3 ) 共振使射频卡内的电容积蓄了电荷，当所积蓄的电荷达到指定 电压时，可作为电源为射频卡集成电路提供工作电压； ( 4 ) 射频卡的c m o s 集成电路中的有关控制逻辑电路对接收到的信 酉直銮逗盔堂亟丛窒生堂焦迨塞篁曼亟 号进行解码； ( 5 ) 根据解码信息判断读写终端发来的命令要求，读取存储器 ( e e p r o m ) 有关信息或对存储器进行重新编程； 耦合元件 ( 线圈、微波大线) 图2 2 射频卡工作过程 射频卡电路中的电容放电时，再将从存储器中读取的数据及相关信 息通过发射电路发送给读写终端，实现一次完整的信息互通整套 系统的结构如图2 2 所示 2 3 2 5 1 1 33 2 1 2r fid 系统的国际标准和分类 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 ie c15 6 9 3 。其中i s o i e c10 5 3 6 - 1 2 3 已讨论通过，定为正 式标准，而is o ie c14 4 4 3 和is o ie c 15 6 9 3 尚为草案。由于目前 使用的非接触式ic 卡大多为pi c c ( 近耦合卡) ，因此近年来国际标准 化组织多次举行国际会议以推进is o ie c14 4 4 3 的正式实施。 现阶段is o ie c 14 4 4 3 ( 草案) 主要有两个体系并存：is o ie c 1 4 4 4 3 - t y p ea 和i s o i e c1 4 4 4 3 - t y p eb 。其中t y p ea 以p h i li p s 公司为代表，包括s i e m e n s 、h i t a c h i 、g e m p l u s 、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；t y p eb 以s t ( 意法半导体) 、m o t o r ola 、韩国s a m s u n g 和日本的n e c 等公司为代表。也有其他大公司力图再建议其他类别， 如日本s o n y 公司的f e 1ic a 卡、以色列的o t i 卡、瑞士的l e gic 卡 笙 寸o 1 主要分类 ( 1 ) 按照能量耦合方式分类，可以分为密耦合、近耦合和疏耦合 等重 直壶銮道盔堂亟瑟窒生堂焦迨銮篁垒夏 三类，如表2 1 所示 表2 1非接触式i c 卡分类 i c 卡读写器国际标准读写距离：l = 作频率 c i c cc c d i s o 正c1 0 5 3 6 密耦合( o 1c m ) o 3 0 m h z p i c cp c di s 0 正c1 4 4 4 3 近耦合( 7 1 0c m ) 1 3 5k h z ，6 7 5m h z ，1 3 5 6 v i c cv c di s 0 正cl5 6 9 3 疏耦合( l o 负载调制 电感褐合式， l k b 双线r 申行e e p r o mr f 写保护 m a n c h e s t e r 编码m i l l e r 编码 a t 2 4 r f 0 8 o 1 0c m 1 9 5 3b s7 8 1 2b s 1 3 5 6m h z ， k a b a ，l e g i c 电感耦合式， e e p r o m序列号； 负载调制， 2 2 2 5 6b 密码认证 a s k o 5 0c m 带负载波 0 t i 1 3 5 6m h z 1 6 k b 掩膜r o m ，8 k b8b c p u ： 1 3 5 6m h z 负载调制 电感耦合式， e e p r o m ， d e s 。 e y e c o n 1 0 6 k w s 1 0 6 k b s 0 1 5c m1 2 5 5 1 2br a mr s a p h i l i p s 1 3 5 6m h z 3 2b 序列号： m i f a r e 电感祸合式， e e p r o m密码认证： 1 3 5 6m h z 4 8b 加密： a s k 。 负载调制 l i g h to 1 0c m1 0 6 k b s 1 0 6 k b s 防冲突 m 正a r el 同上 1 0 2 4b 同卜同上 同上 3 2b 廖列弓： 1 5k b 掩膜r o m 密码认证： m 匝a r e 同上8 k be e p r o m 加密：同| ：同上 p l u s 触点 防冲突 8b c p u m 正a r e 2 0 k b 掩膜r o m 。2 ：5 6b8b c p u ： p r o 同上 r a m 8i e e p r o m t r i p p l e d e s 同上同上 触点协处理器 3 5 6m h z 3 4 8b 6 4b 序列号 i s o1 5 6 9 3i s o1 5 6 9 3 i c o d e 电感耦合式， ib e a s 功能 防冲突 o l ，5 m 1 2 5 k h z ， 1 2 5 k h z 负载调制， h i t a g电感耦合式， e e p r o m3 2b 序列弓： a s k 2 5 6b 加密m a n c h e s t e r 编码 0 1 0c m 4k b s s g s 1 3 5 6m h z 1 6 k b 掩脱r o m ，3 8 4 b t h o m s o nr a m 。2 k be e p r o m ， 不详 a s k s t l 6 r f 4 2 电感耦合式 1 0 6 k b s 负载调制 7 8 1 6 接触j s i e m e n s 1 35 6 m h z ， 3 2b 序列k t - - j ： l 乜感褐合式， 1 0 2 4 b 密码认证： 1 3 5 6m h z 负载调制 s l e 4 4 r 3 5 加密： a s k ，1 0 6i d e s 1 0 6 k b s o 1 0 c m m 冲突 s o n v 1 3 5 6m h z 电感耦合式， lk b 密码认证： 修政的a s k 小详 f e l i c a 加密2 5 0 k b s o 1 0c m 负载调制 r e m i c 1 2 5 k h z f s k 、p s k i u 感耦合式， 3 3be e p r o m 写锁定位 a s k ，脉冲日j 隙编 t k 5 5 5 0 码 m a n c h e s t e r 编 o l oc m码，双相， 最人1 5b s t e x a s1 3 4k h z ， i n s t r u m e n t s i 【l 感耦合式， 1 7 0 b e e p r o m不详 小详 f s k l 3 4 2 1 2 4 2k h z t r r i s s e q 酉壶套道盔堂亟塑窒生掌焦迨塞篁垒亟 2 i s 014 4 4 3 t y p ea 和is 0 14 4 4 3 t y p eb is 014 4 4 3 和is o15 69 3 标准在l9 9 5 年开始操作，单个系统于 l9 9 9 年进入市场，两项标准的完成则是在2 0 0 0 年之后。二者皆以 l3 5 6 m h z 交变信号为载波频率：is 015 6 93 读写距离较远，当然这也 与应用系统的天线形状和发射功率有关；而is 0l4 4 4 3 读写距离稍近， 但应用较广泛，目前的第二代电子身份证采用的标准是i s o14 4 4 3 t y p eb 协议。 is 0l4 4 4 3 定义了t y p ea 、t y p eb 两种类型协议。通信速率为 l0 6 k bits s ，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。 从p c d 向p ic c 传送信号时，t y p ea 采用改进的mi1 1e f 编码方 式，调制深度为l0 0 的a s k 信号；t y p eb 则采用n r z 编码方式，调 制深度为10 的a s k 信号。 t y p ea 无信号 一 t y p eb 1 0 信号调制 t y p ea ：发送1 0 0 a s k 调制t y p ea ：接收副载波调制8 4 7 5k 修i f 的m i l l e r 编码；m a n c h e s t e r 编码 4 输率10 6k b s二传输率1 0 6k b s i o | 1 l o | o l 1 l ；| o | 1 l o l o l 1 t y p eb ：发送1 0 a s k 调制 数侮编码n r z ( d - yi 零制) f 0 输率1 0 6k b s l ol | o l o l l t y p eb ：接收副载波调制8 4 7 5k 数何编码b p s k ( 二进制卡【| 移键控) 传输率1 0 6k b s ol 1 lo ；oi 1 图2 3t y p ea 和t y p eb 卡与读写器之间的信弓 亘壹銮道盔堂亟塑窒生堂焦迨窒复旦夏 从p i c c 向p c d 传送信号时，二者均通过调制载波传送信号，副 载波频率皆为8 4 7 k h z 。t y p ea 采用开关键控( o n o f fk e y in g ) 的 m a n c h e st e r 编码；t y p eb 采用n r z - l 的b p s k 编码。 t y p eb 与t y p ea 相比，由于调制深度和编码方式的不同，具有 传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力更强的优点。 两种工作类型的对比图参见2 3 。 图中阴影部分为f c = l3 5 6m h z 载波，数据传输速率= 13 5 6 m h z 12 8 = 10 6 k b s ( 9 4us b ) ，从p i c c 发向p c d 的信号用副载波 ( s u b c a r rie r ) 调制，副载波的频率f s = f c 1 6 = 8 4 7k h z 。一个位时间 等于8 个副载波周期。 可以看到，两种方式最主要的分别在于载波调制程度的不同 ( 如图2 3 a 所示) 以及二进制数据的编码方法不同( 如图2 3 b 所示) 。 从t y p ea 和t y p eb 的比较可以看出以下几点： ( 1 ) 从读写器到卡的调制，t y p ea 用10 0 a s k ，因此其调制 信号区别明显，易于检测，抗干扰能力强；但在每一位的传送( 传送 速率为10 6k b s 时，传送周期为9 4l as ) 中，有约3l as 的信号间 歇，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：而t y p eb 用1o a s k ，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9 ， 抗干扰能力较差。 ( 2 ) t y p ea 卡片能量的中断会导致卡片时钟的中断，而回避 时钟中断问题又可能留一个“后门 ，让“单步跟踪 有机可乘。 ( 3 ) 当试图提速时，如传送速率为2 12k b s 时，位传送周期 仅为4 7l as ，这种情况下3 l as 的中断已大于传送周期的6 0 ，而 传送速率为4 2 4 k b s 时，位传送周期仅为2 3 5ps ，这种情况下3u s 的中断已使系统无法工作，即t y p ea 无法实现这种传送速率。 ( 4 ) t y p ea 的防冲突需要卡片上较高和较精确的时序，因此 需要在卡和读写器中分别加一些硬件，而t y p eb 的防冲突可以用软 件来实现。 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 ilip s 公司的m if a r e 系列占有了当前约 酉直奎道盔鲎亟丛窒生堂焦迨室箜! q 亟 8 0 的市场，且在较为恶劣的工作环境下更有优势。但t y p eb 应该 在安全性、高速率和适应性方面有更好的前景，并且更适合于c p u 卡。 4 1 2 2mlf a r e 非接触式lc 卡系统介绍 2 2 1 f a r e1 非接触式ic 卡的总体描述 m if a r e1 i c 智能( 射频) 卡是由p h ilip s 公司根据is o ie c 14 4 4 3 a 标准开发的r fid 识别应用芯片，它采用先进的芯片制造工 艺制作，内建有高速的c m o se e p r o m 、a si c 等。卡片上除了ic 微晶 片及一副高效率天线外，无任何其他元件，内部框图见2 4 。 图2 4m f a r e 非接触式i c 卡的功能组成图 该芯片的通信层mif a r er f 接口遵从is o ie c1 4 4 4 3 a 标准的 第2 部分和第3 部分，保密层( s e c u r it y la y e r ) 使用经区域验证的 c r y p t 0 1 流密码( fie1d - p r o v e nc r y p t 0 1s t r e a mcip h e r ) ，使典型 m if a r e 系列芯片的数据交换得到保密。 1 mif a r er f 接口( is o ie c14 4 4 3 a ) 一一无线传送数据和能量 ( 1 ) 无线传送数据和能量，即m if a r e 卡片上无源( 无任何电 池) ，m f1i c s 5 0 连接着几匝线圈，线圈嵌入到塑料卡片中，这就形 成了一张无源的无线智能卡。工作时的电源能量由读写器天线发送 无线电载波信号耦合到卡片的天线上而产生电能，一般可达2v 以 上，供卡片上i c 工作，其工作距离最高可达10 0m m ( 由天线的结构 亘直奎道盔堂亟婴窒垒堂焦迨窒簋! 】亟 决定) 。 ( 2 ) 工作频率为13 5 6m h z 。 ( 3 ) 数据传送速率快，且为10 6k b s 。 2 真正的防冲突 智能的防冲突功能允许同一工作区域中有不止一张卡同时工 作，防冲突算法每次只选择一张卡，确保对被选中的卡正确执行操 作，而且同一区域中的其他卡不会破坏数据。 3 保密性( s e c urit y ) m if a r e 卡的一个特殊要点是高保密性，防止欺骗。相互认证 ( m u t u a lc h a lle n g e ) 和响应确认数据保密，报文确认检查防止系统 受到任何干扰；序列号不可修改更保证了每张卡都是惟一的。 ( 1 ) 需要通过三次相互认证( m u t u a lt h r e e p a s s a ut h e n tic a tio n ) ，符合is o ie cd i s 9 7 9 8 - 2 的规定。 ( 2 ) r f 信道的数据加密，多重防攻击保护。 ( 3 ) 每个扇区( 每个应用) 有两套独立的密钥，支持带密钥层次 的多应用( s u p p o r tm o1ti a p plic a t io nw i t hk e yhie r a r c h y ) 。 ( 4 ) 每张卡有全球惟一的序列号。 ( 5 ) 在运输过程中访问e e p r o m 有传输密钥保护( t r a ns p o r tk e y p r o t e c t sa ccesst oe e p r o mo i l c h i pd e li v e r y ) 。 4 数据高度可靠 读写器和卡之间的无线通信链路使用了以下的机制确保数据可 靠地传输。 ( 1 ) 卡片上有高速的c r c 协处理器实现每个块l6 位c r c 。 ( 2 ) 每个字节都有奇偶校验位。 ( 3 ) 位计数检查。 ( 4 ) 用位编码区别l 、0 和没有信息。 ( 5 ) 信道监控( 协议序列和位流分析) 。 5 e e p r o m 存储器结构提供多应用 mif a r e 系统提供了一个实时的多应用功能，每区有两个不同的 密钥，这样系统可以使用密钥层次。 ( 1 ) 内建1k be 2 p r o m ，分成16 个扇区，每扇区又分成4 个数据 亘直銮适盔堂亟硒窒生堂焦迨塞篁12 夏 块，每一块中有l6 个字节。 ( 2 ) 用户可以定义每一个存储器块的访问条件。 ( 3 ) 每个扇区( 每个应用) 有两套独立的密钥，支持带密钥层次 的多应用。 ( 4 ) 数据保存期可达10 年以上。 ( 5 ) 可写10 00 0 0 次以上。 ( 6 ) 卡片抗静电保护能力达2k v 以上。 6 方便用户 系统的设计使用户使用更加方便，例如卡片上还内建有增值减 值的专项的数学运算电路，非常适合公交地铁等行业的定额收费系 统。由于数据传送速率很高，典型的购票处理时间( tic k e tin g t r a n s a c tio n ) 小于10 0m s ( 包括备份管理) ，这样m if a r e 卡用户就不 需要停在读写器前面，增大了通道门的吞吐量，减少了上公共汽车 的时间；如果卡放在钱包中，甚至钱包中有硬币也可以进行交易。哺1 2 2 2mif a r e1 非接触式ic 卡的功能组成 1 r f 射频接口电路 在应答器( r f 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13 5 6m h z 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i 最终输出提供卡片上各 电路的工作电压。 p o r 模块主要是对卡片上的各个电路进行p o w e r o n r e s e t ( 上电 复位) ，使各电路同步启动工作。 而数字电路模块送出的数字信息则经由调制r e 调模块调制为 l3 5 6 m h z 的无线电调制信号，再送往波形转换模块发送给读写器， 如图2 5 所示。 读写器 p c dp i c c 图2 5非接触式i c 卡与读写器接口的电路概况 c l o c k 数据输入 v o d g n d 数据输出 2 数字电路部分模块 ( 1 )a t r 模块：a n s w e rt or e q u e s t ( “请求与应答 ) 当一张m if a r el 卡处在读写器的天线工作范围之内时，程序 员控制读写器向卡发出r e q u e s ta ll ( 或r e q u e s ts t d ) 命令后，卡的 a t r 将启动，将卡片b 1o c k0 中2 个字节的卡类型号( t a g t y p e ) 传送 给读写器，建立卡与读写器的第一步通信联络。 如果不进行第一步的a t r 工作，读写器对卡的其他操作( 读写 操作等) 将不会进行。 ( 2 )a n tic o llisio n 模块：防( 卡片) 冲突功能 如果有多张m if a r e1 卡处在读写器的天线工作范围之内，则 a n tic o llisio i l 模块的防冲突功能将被启动工作。读写器将会首先与 每一张卡进行通信，读取每一张卡的序列号( s e ria ln u m b e r ) 。由于 每一张m if a r e1 卡都具有惟一的序列号，决不会相同，因此程序员 将启动读写器中的a n t ic ol lisio n 防重叠功能配合卡上的防重叠功 能模块，根据卡序列号来选定其中一张卡。被选中的卡将被激活， 可以与读写器进行数据交换；而未被选中的卡处于等待状态，随时 准备与读写器进行通信。 a n tic 0 1 lisio n 模块( 防重叠功能) 启动工作时，读写器将得到 卡片的序列号( s e r ia ln u m b e r ) 。序列号存储在卡的b l o c k0 中，共 有5 个字节，实际有用的为4 个字节，另一个字节为序列号的校验 字节。 酉- 直銮道盔堂亟丛窒圭堂焦迨窒 篁】垒亟1 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - - - - - - - - - - _ _ _ 一 ( 3 )s ele cta p plic a tio i l 模块：卡片的选择 当卡与读写器完成了上述两个步骤，读写器要想对卡进行读 写操作时，必须对卡进行“se1e ct 操作，以使卡真正地被选中。 被选中的卡将卡片上存储在b 1o c k0 中的卡容量“s ize ”字 节传送给读写器。当读写器收到这一字节后，方可对卡进行进一步 的操作，如密码验证等。 ( 4 )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：认证及存取 控制模块 完成上述的三个步骤后，读写器对卡进行读写操作之前，必 须对卡上已经设置的密码进行认证，如果匹配，则允许进一步的读 写操作。 m if a r e1 卡上有16 个扇区，每个扇区都可分别设置各自的密 码，互不干涉，必须分别加以认证，才能对该扇区进行下一步的操 作。因此每个扇区可独立地应用于一个应用场合，整个卡可以设计 成一卡多用( 一卡通) 的形式来应用。 密码的认证采用了三次相互认证的方法，具有很高的安全性。 如果事先不知卡上的密码，则因密码的变化可以极其复杂，试图靠 猜测密码而打开卡上一个扇区的可能性几乎为零。 特别需要注意的是，无论是程序员还是卡的使用者，都必须牢 记卡中的l6 个扇区的每一个密码，否则，遗忘某一扇区的密码将使 该扇区中的数据不能读写。没有任何办法可以挽救这种低级错误。 但是，卡上的其他扇区可以照样使用。 ( 5 )c o n t r 0 1 a rit h m e ticu nit ：控制及算术运算单元 这一单元是整个卡的控制中心，是卡的“头脑 。它主要对卡 的各个单元进行操作控制，协调卡的各个步骤：同时它还对各种收 发的数据进行算术运算处理、递增递减处理和c r c 运算处理等，是 卡中内建的中央微处理器( m c u ) 单元。 ( 6 )r a m r o m 单元 r a m 主要配合控制及算术运算单元，将运算的结果进行暂时存 储，例如将需存储的数据由控制及算术运算单元取出送到e e p r o m 存 储器中；将需要传送给读写器的数据由控制及算术运算单元取出， 酉壶銮遒盔堂亟丛窒生耋焦诠塞篁! 曼亟 经过r f 射频接口电路的处理，通过卡片上的天线传送给读写器。r a m 中的数据在卡失掉电源后( 卡片离开读写器天线的有效工作范围) 将 会丢失。 同时，r o m 中则固化了卡运行所需要的必要的程序指令，由控制 及算术运算单元取出，对每个单元进行指令控制，使卡能有条不紊 地与读写器进行数据通信。 ( 7 )c r y p t ou nit ：数据加密单元 该单元完成对数据的加密处理及密码保护。加密的算法可以为 d e s 标准算法或其他。 ( 8 ) e e p r o m 存储器及其接口电路：e e p r o mi n t e r f a c e e e p r o m m e m o r y 该单元主要用于存储用户数据，在卡失掉电源后( 卡片离开读 写器天线的有效工作范围) 数据仍将被保持。 m if a r e1 卡片中的这一单元容量为819 2b ( 1k b ) ，分为l6 个 扇区。1 2 2 3mif a r e1lc 智能( 射频) 卡的卡片上天线的研究 电感耦合式射频识别系统的读写器天线用于产生磁通量，而磁通 量用于向非接触式i c 卡提供电源并在读写器与非接触式i c 卡之间传输 信息。因此，对读写器天线的构造就有三个基本要求： ( 1 ) 使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量： ( 2 ) 功率匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可用能量： ( 3 ) 足够的带宽，以无失真地传送用数据调制的载波信号。 1 口串联天线回路谐振特性分析1 ( 1 ) 谐振频率 当该网络发生谐振时，其端口电压与电流同相位。即 m l l 钌= o( 2 - 1 ) 得到谐振角频率 国n = 1 c( 2 2 ) 定义谐振时的感抗甜或容抗l uc 为特性阻抗p ，特性阻抗p 与电阻尺的比值为品质因数q ，即 酉直銮道盔堂亟塑窒生堂焦诠塞箜! 垒夏 g = p 尺- - = ( 0 0 l r = 4 l c r ( 2 3 ) ( 2 ) 谐振时，电路的阻抗最小。当端口电压【厂一定时，电路的电 流达到最大值( 图2 6 ) ，