RFID与非接触式卡

1、自动化学院RFIDRFID与非接触式卡与非接触式卡余顯強專用簡報智能卡家族(依ISO标准分类)2ISO 7810Chip cadISO 7816ContactlessChip cardsMemorycardProcessorcardProcessorcardMemorycardProcessorcardMemorycardClose couplingISO 10536ProximityISO 14443Vicinity couplingISO 15693CombiCard -ICombiCard -II余顯強專用簡報3RFIDn无线射频识别系统无线射频识别系统余顯強專用簡報4RFID系统结构电

2、源標签芯片读写器信号標签信号读写器天线射頻模組控制模組Copyright: 余顯強nRFID RFID 系系统统n读写器(Reader)n标签 (Transponder;Tag)：IC卡u芯片u天线、线圈和金属片-耦合元件(Coupling element)u封膜(Housing)余顯強專用簡報卡与读写器之间的信号 余顯強專用簡報6RFID类型-按频率划分125kHz134kHz13.56MHz860MHz930MHz 2400MHz2483.5MHz频率频率优点优点缺点缺点应用应用低频低频125134KHz部署广泛部署广泛金属干扰低金属干扰低读取范围小读取范围小(1.5m内内)动物识别；容器

3、管理；动物识别；容器管理；防窃系统防窃系统高频高频13.56MHz部署广泛部署广泛湿气影响低湿气影响低读取范围小读取范围小(1.5m内内)易受金属干扰易受金属干扰图书馆应用；存取控制；图书馆应用；存取控制；行李管理；零售商品追行李管理；零售商品追踪踪超高频超高频860960MHz部署广泛部署广泛通信范围高于其它标通信范围高于其它标准准易受湿气影响易受湿气影响Tag太近时，易产生频太近时，易产生频差差(detuning)货柜、容器追踪；货柜、容器追踪；货车追踪货车追踪微波微波2.45GHz读取范围高读取范围高普及率不高；实作复杂；普及率不高；实作复杂；未完全标准化未完全标准化ETC余顯強專用簡報

4、工作原理读写器读写器天线天线1.包含AC电能的电波(Continuous Wave, CW)及时钟脉冲信号通过天线发送标签标签2.标签标签天线將AC电能转成DC供给標签芯片運作的电源，並將接受信号中的脉冲信号截取出來3.標签模块將接收的信号解码，并将运作后的资料回传给读写器的天线4.读写器将接收到標签回传的信号解码并获取资料余顯強專用簡報8RFID类型-按结构分所有物品都成为通信对象1RFID种类种类特征特征应用应用成本成本读取专用型读取专用型只能读取数据。由数十只能读取数据。由数十bits构成构成的特定的特定ID编号编号制程管控制程管控物流系统物流系统防止伪造防止伪造行李管理行李管理低低可写

5、入资料型可写入资料型内建数内建数bytes数数Mb内存内存(EEPROM、FeRAM等等)，可读，可读写数据写数据低低中中内建微处理器型内建微处理器型内建微处里器，使用内建内建微处里器，使用内建ROM储存之储存之OS运作，用于提高安全性运作，用于提高安全性的用途的用途电子结帐电子结帐出入管理出入管理会员卡务会员卡务高高含有感应器型含有感应器型以内建温度、压力感应器为主流以内建温度、压力感应器为主流动物识别动物识别轮胎管理轮胎管理高高店頭倉庫即時庫存耐污、熱性強不需拆箱即可同時讀取多筆資料讀取器讀取器橘色參考書一本藍色字典一本灰色小說一本余顯強專用簡報10同時读取理论n可通讯范围内多个可通讯范围

6、内多个RFIDRFID，对，对readerreader发出的信号发出的信号会一起回应，而发生冲突会一起回应，而发生冲突n解决方式解决方式1234ID 00 11 01 00ID 10 01 01 00ID 10 10 00 00ID 10 10 11 00符合前两bit者回应回应回应符合次两bit者回应回应回应衝衝突突符合後两bit者回应依binary code先後次序回应先3後4余顯強專用簡報项目实现之第二步硬件实现MCUMIFARE卡卡读写模块读写模块EEPROM存储器存储器RS232接口接口显示显示报警报警天线天线卡余顯強專用簡報卡的信号调制方式 Type A与Type B调制程度的比较

7、 TYPE A：100%ASKTYPE B：10%ASK余顯強專用簡報从读写器到卡的调制与编码n载波载波: :fc=13.56MHzn数据传输速率：数据传输速率：13.56MHz/128=106kbit/s（9.4s/bit）n调制方式：调制方式：TYPE ATYPE A用用100%ASK100%ASK， TYPE BTYPE B用用10%ASK10%ASK， n编码方式：编码方式：TYPE ATYPE A用改进的用改进的MILLERMILLER编码，编码， TYPE BTYPE B用用NRZNRZ编码（不归零制数位编码）编码（不归零制数位编码） 余顯強專用簡報从卡到读写器的调制与编码n副载波

8、副载波: :fc/16 =847.5kHz 847.5kHz n数据传输速率：数据传输速率：106kbit/sn调制方式：副载波调制调制方式：副载波调制n编码方式编码方式：TYPE ATYPE A用用MANCHESTER-ASKMANCHESTER-ASK， TYPE BTYPE B用用BPSK-NRZ(BPSK-NRZ(二进制相移键控数位编二进制相移键控数位编码码) )余顯強專用簡報非接触式IC卡系统构成n非接触式非接触式IC卡：数据载体，应答器卡：数据载体，应答器n非接触式非接触式IC卡读写器：卡接口设备，阅读器，寻卡读写器：卡接口设备，阅读器，寻呼器呼器非接触式IC卡读写器非接触式IC卡

9、数据时序能量耦合元件（线圈、微波天线）余顯強專用簡報 非接触式IC卡的基本构成 n非接触式非接触式IC 卡：芯片卡：芯片+ +天线天线+ +卡基卡基耦合元件外壳芯片余顯強專用簡報余顯強專用簡報非接触式IC卡系统构成n非接触式非接触式IC卡：数据载体，应答器卡：数据载体，应答器n非接触式非接触式IC卡读写器：卡接口设备，阅读器，寻卡读写器：卡接口设备，阅读器，寻呼器呼器非接触式IC卡读写器非接触式IC卡数据时序能量耦合元件（线圈、微波天线）余顯強專用簡報非接触式IC卡与读写器接口电路电电压压调调节节解调器解调器读写器PCD卡PICCCLOCKVDDGND数据输出数据输入卡内嵌天线读写器天线余顯強

10、專用簡報（1 1）读写器发射激励信号（一组固定频率的电磁波），数字信）读写器发射激励信号（一组固定频率的电磁波），数字信息息调制调制在该射频信号上。在该射频信号上。（2 2）ICIC卡进入读写器工作区内，被读写器信号激励。在电磁波卡进入读写器工作区内，被读写器信号激励。在电磁波的激励下，卡内的激励下，卡内的的LCLC串联谐振电路产生共振，从而使电容内有串联谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，当所积累的电荷达到了电荷，当所积累的电荷达到2V2V时，此电容可以作为电源为其时，此电容可以作为电源为其他电路提供工作电压，供卡内集成电路工作所需。他电路提供工作电压，供卡内集成电路工作所需。（谐振、整

11、（谐振、整流、滤波、稳压）流、滤波、稳压）。（3 3）同时卡内的电路对接收到的谐振信号进行）同时卡内的电路对接收到的谐振信号进行解调解调，还原数字，还原数字信息，对信息进行分析信息，对信息进行分析处理处理，判断发自读写器的命令，如需在，判断发自读写器的命令，如需在EEPROMEEPROM中写入或修改内容，还需将中写入或修改内容，还需将2V2V电压提升到电压提升到15V15V左右，以左右，以满足写入满足写入EEPROMEEPROM的电压要求。的电压要求。（4 4）ICIC卡对读写器的命令进行处理后，卡对读写器的命令进行处理后，发射应答信息发射应答信息（将应答（将应答信息信息调制调制到射频信号上）

12、给读写器。到射频信号上）给读写器。（5 5）读写器）读写器接收接收ICIC卡的射频信号并卡的射频信号并进行进行解调还原出应答信息解调还原出应答信息。 余顯強專用簡報读写模块MCMn功能：功能：读写器读写器MCU与与MIFAREMIFARE卡之间的接口，负责读写卡，卡之间的接口，负责读写卡，其基本功能包括产生发送其基本功能包括产生发送/ /接收射频信号、调制接收射频信号、调制/ /解调、解调、防冲突处理和安全管理。防冲突处理和安全管理。n工作频率：工作频率：13.56MHz。通信速率：通信速率：106Kbps 106Kbps n工作距离：工作距离：MCM20025mm，MCM500100mmn防

13、冲突：真正的防冲突功能。防冲突：真正的防冲突功能。n安全性与可靠性：每个扇区设有安全性与可靠性：每个扇区设有3套密码及其认证和密码套密码及其认证和密码存储器存储器 ，模块与卡片通信时，数据加密模块与卡片通信时，数据加密 ，多种通信校验，多种通信校验机制机制n接口：标准接口：标准MIFARE并行接口并行接口余顯強專用簡報MCM与MCU接口电路 MCU控制器MCS-51MCM模块-CSP3.3-RD-WRH-RD-WRMODEHUSEALEALEP3.2ALE-IRQP0.0P0.7D0D7n直接用数据总线传送地直接用数据总线传送地址和数据：址和数据：MODE、USEALE接高电平，接高电平，AL

14、E对接；对接；A0A3A0A3悬空悬空nP3.3驱动驱动-CS，即，即P3.3为低时选中（激活）为低时选中（激活）MCM200模块模块nMCM200的的-IRQ接接P3.2；可用查询或中断可用查询或中断方式接收方式接收MCMMCM发送的数发送的数据据 余顯強專用簡報EM ID厚卡EM ID薄卡PHILIPS MIFARE 1卡TI （德州仪器）Tag-it电子标签手表卡与钥匙扣卡余顯強專用簡報 特点特点频段频段工作频率工作频率 数据传输数据传输速率速率读写距离读写距离 读写区域读写区域低频低频125134KHz慢慢适中适中(1m)较为均匀较为均匀高频高频13.56MHz较快较快适中适中(1m)

15、较为均匀较为均匀超高频超高频860960MHz快快远远(10m)很难定义很难定义不同频段射频卡的特点余顯強專用簡報非接触式IC卡的国际标准标准组织标准组织阵营阵营频段频段技术规范技术规范EPCglobal 全球产品电子代码全球产品电子代码管理中心管理中心 欧美企业欧美企业 沃尔玛、思科、敦沃尔玛、思科、敦豪快递、麦德龙和豪快递、麦德龙和吉列等吉列等 UHF(860-960 MHz )电子产品代码电子产品代码(EPC)、电子标签规范和互操电子标签规范和互操作性、识读器作性、识读器-电子电子标签通信协议、中间标签通信协议、中间件软件系统接口等件软件系统接口等ISO/IEC 国际标准组织国际标准组织

16、/国国际电工委员会际电工委员会 全球非盈利全球非盈利工业标准组工业标准组织织 多个频段多个频段识别卡与身份识别识别卡与身份识别ISO/IEC14443自动识别自动识别ISO/IEC15693ISO/IEC18000UID 泛在技术核心组织泛在技术核心组织 日本电子厂日本电子厂商、商、IT企业企业 2.45GHz和和13.56MHz 电子标签超微芯片电子标签超微芯片部分规格部分规格 余顯強專用簡報IC 卡 读写器 国际标准 读写距离 工作频率 CICC CCD ISO/IEC10536 密耦合（01cm） 030MHz PICC PCD ISO/IEC14443 近耦合（710cm） VICC

17、VCD ISO/IEC15693 疏耦合（1m） 135kHz,6.75MHz,13.56MHz, 27.125MHz 注释：ICC集成电路卡CICCClose-Coupled ICC，紧密（密耦合）卡；PICCProximity ICC，称为接近（近耦合）卡；VICCVicinity ICC，称为邻近（疏耦合）卡。CD Coupling Device，是读写器中发射电磁波的部分 余顯強專用簡報ISO/IEC14443国际标准现阶段ISO/IEC 14443（草案）主要有两个体系并存：ISO/IEC14443-Type A、ISO/IEC14443-TypeB。 TypeA：以PHILIPS公

18、司为代表，包括SIEMENS、HITACHI、GEMPLUS、G&D和Schlumberger等公司 TypeB：以ST（意法半导体）、MOTOROLA、ATMEL、韩国SAMSUNG和日本的NEC等公司为代表。 余顯強專用簡報目前目前13.56MHz的产品主要包括：的产品主要包括：nISO14443TypeA卡卡Mifare 1 S50卡、卡、Ultra Light卡卡 LEGIC Type A 卡、上海公交卡即华虹卡、上海公交卡即华虹IC卡、复旦微卡、复旦微电子电子Type A 卡卡nISO14443TypeB卡卡ATMEL RF020nISO15693（电子标签）卡（电子标签）卡PHIL

19、IPS I-Code2、TI Tag-it标签标签nI-CODE（电子标签）卡（电子标签）卡 PHILIPS I-Code、上海贝、上海贝岭岭BL75R02nSONY Felica卡卡香港八达通、深圳通香港八达通、深圳通n中国二代身份证中国二代身份证余顯強專用簡報非接触式IC卡工作原理 n要解决的三大问题：要解决的三大问题：（1）非接触卡如何取得工作电压。（2）读写器与IC卡之间如何交换信息。（3）防冲突问题：多张卡同时进入读写器发射的能量区域（即发生冲突）时如何对卡逐一进行处理。 余顯強專用簡報非接触式IC卡与读写器接口电路电电压压调调节节解调器解调器读写器PCD卡PICCCLOCKVDDG

20、ND数据输出数据输入卡内嵌天线读写器天线余顯強專用簡報（1 1）读写器发射激励信号（一组固定频率的电磁波），数字信）读写器发射激励信号（一组固定频率的电磁波），数字信息息调制调制在该射频信号上。在该射频信号上。（2 2）ICIC卡进入读写器工作区内，被读写器信号激励。在电磁波卡进入读写器工作区内，被读写器信号激励。在电磁波的激励下，卡内的激励下，卡内的的LCLC串联谐振电路产生共振，从而使电容内有串联谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，当所积累的电荷达到了电荷，当所积累的电荷达到2V2V时，此电容可以作为电源为其时，此电容可以作为电源为其他电路提供工作电压，供卡内集成电路工作所需。他电路提

21、供工作电压，供卡内集成电路工作所需。（谐振、整（谐振、整流、滤波、稳压）流、滤波、稳压）。（3 3）同时卡内的电路对接收到的谐振信号进行）同时卡内的电路对接收到的谐振信号进行解调解调，还原数字，还原数字信息，对信息进行分析信息，对信息进行分析处理处理，判断发自读写器的命令，如需在，判断发自读写器的命令，如需在EEPROMEEPROM中写入或修改内容，还需将中写入或修改内容，还需将2V2V电压提升到电压提升到15V15V左右，以左右，以满足写入满足写入EEPROMEEPROM的电压要求。的电压要求。（4 4）ICIC卡对读写器的命令进行处理后，卡对读写器的命令进行处理后，发射应答信息发射应答信息

22、（将应答（将应答信息信息调制调制到射频信号上）给读写器。到射频信号上）给读写器。（5 5）读写器）读写器接收接收ICIC卡的射频信号并卡的射频信号并进行进行解调还原出应答信息解调还原出应答信息。 余顯強專用簡報初始化与防冲突 （AntiCollion）n如果有如果有2张或张或2张以上的张以上的IC卡进入读写器的工作范卡进入读写器的工作范围，称之为冲突（或碰撞围，称之为冲突（或碰撞Collion），），此时就需要此时就需要解决如何对多张解决如何对多张IC卡逐一处理的问题卡逐一处理的问题防冲突防冲突 AntiCollion。n防冲突方案：防冲突方案： 位帧防冲突位帧防冲突（Bit AntiColl

23、ision） 动态时隙动态时隙-ALOHA法（法（Slotted-ALOHA法）法） 余顯強專用簡報协议nISO/IEC10536定义的卡称为密耦合卡；定义的卡称为密耦合卡；nISO/IEC 14443定义的卡是近耦合卡定义的卡是近耦合卡（PICC），对应读卡机具简写为），对应读卡机具简写为PCD；nISO/IEC15693对应的卡是遥耦合卡对应的卡是遥耦合卡（VICC），对应的读卡机具简写为），对应的读卡机具简写为VCD。nVICC比PICC具有更远的读卡距离，二者均采用13.56MHz工作频率，均具有防冲突机制。 余顯強專用簡報ISO/IEC 15693-2协议nISO/IEC 15693

24、-2所规定的所规定的VCD与与VICC通通信物理层协议全部由信物理层协议全部由ASIC实现，用户通过同实现，用户通过同步串行接口（步串行接口（SPI）遵照）遵照ASCI的通信求和的通信求和ASIC打交道就可以实现打交道就可以实现VICC的读写操作。的读写操作。余顯強專用簡報nMCU和和ASIC的通信接口有三根线：的通信接口有三根线：SCLOCK、DIN、DOUT，分别代表时钟线、数据输入线、数据输出线。，分别代表时钟线、数据输入线、数据输出线。n时钟线是双向的，发送数据时由MCU控制，接收数据时由ASIC控制，在时钟的上升沿ASIC锁存数据。DOUT除了在接收数据期间的数据输出功能外，还用来表

25、征ASIC内部FIFO的情况。DOUT内部下拉，平时为低电平。输入数据过程中，当ASIC的16位FIFO寄存器满时，DOUT线会自动跳变为高电平，直到FIFO寄存器空出，DOUT线又会跳变为低电平。在DOUT为高电平期间，输入数据无效。除了通信线外，M_ERR线用来在同时读多张卡的时候表征数据的冲突情况。同样，M_RR线内部下拉，平时为低电平，冲突时此线会升为高电平。 余顯強專用簡報n命令结构命令结构在普通模式下，命令序列结构如下：在普通模式下，命令序列结构如下：余顯強專用簡報n起始位起始位S1：起始位波形是当：起始位波形是当SCLOCK位高电位高电平时平时DIN发生一个上升沿。发生一个上升沿

26、。n 余顯強專用簡報n命令字节：规定命令字节：规定ASIC与与VICC通讯时的有关参通讯时的有关参数。例如，数。例如，2DH，表示支持的射频协议是，表示支持的射频协议是15693（1 out of 4），），AM调制方式，调制调制方式，调制率率100%，返回数据波特率，返回数据波特率6.67kb/s。u注意：命令字节的发送顺序是高位在先，即：MSB FIRST。 n数据：数据域内容由数据：数据域内容由15693-3所规定。所规定。余顯強專用簡報n15693-3命令的一般格式是：命令的一般格式是：n15693命令序列中，FLAGS规定着命令内容中某些可选域存在与否。注意到S1和ES1在ASIC命

27、令序列中已经存在，所以只须把15693命令序列中FLAGS、命令序号、命令内容、CRC16等域的内容取出填入ASIC序列中的数据域打包。u注意：数据域发送顺序是低位在先，即：LSB FIRST。 余顯強專用簡報通信过程要注意的问题n时间寄存器初始化。初始化序列是：时间寄存器初始化。初始化序列是：S1 01111011 00000001 11000ES1。 n发送顺序。命令字节（发送顺序。命令字节（8位）发送的顺序是位）发送的顺序是MSB FIRST，其它数据均是，其它数据均是LSB FIR nFIFO管理。发送每一位时都要检测管理。发送每一位时都要检测DOUT的的电平。电平。DOUT高电平时停

28、止发送，直到高电平时停止发送，直到DOUT恢复为低电平。恢复为低电平。 余顯強專用簡報n时钟线切换。命令发送过程中，双向时钟时钟线切换。命令发送过程中，双向时钟SCLOCK线由线由MCU控制，发送完毕，在接收控制，发送完毕，在接收VICC响应之前必响应之前必须进行时钟线的切换，将控制权交由须进行时钟线的切换，将控制权交由ASIC控制。控制。 nMCU放弃时钟线控制波形（放弃时钟线控制波形（TRAN1）：）：nCRC校验。校验。CRC16校验是对校验是对15693-3规定的规定的FLAGS、命令序列号、命令内容等字节的校验，不包括起始命令序列号、命令内容等字节的校验，不包括起始位和命令字节（位和

29、命令字节（8位）。位）。 n适当延时。例如：发送命令字节后适当延时约适当延时。例如：发送命令字节后适当延时约100s，以利，以利ASIC正确动作。正确动作。余顯強專用簡報n举例举例n以读一个扇区为例，采用普通模式，以读一个扇区为例，采用普通模式，VCD和和VICC交互的完整交互的完整过程如下：过程如下：n（发送）（发送）nS1（起始位）2D（命令字节）40（FLAGS）n20（读扇区命令序号）01（扇区号）00n（校验LOW BYTE）F2（校验HIGH BYTE）nES1（结束位）（结束位）TRAN1（SCLOCK切换）切换）n（接收）（接收）nS2（起始位）00（FLAGS）00（扇区安全状态）n31（数据1）32（数据2）33（数据3）34（数据4）BD 7F（校验）ES2（结束位） 余顯強