第5章ppt.ppt

1、第5章 IC 卡技术,前言 5.1 IC卡 5.2 IC卡系统硬件结构 5.3 IC卡接口软件设计 5.4 射频识别技术（RFID）,第5章 IC 卡技术,IC 卡(Integrated Circuit Card) 这一章介绍目前物联网技术所需要的关键技术：（1）IC卡；（2）RFID技术。这是近几年发展起来的技术。,第5章 IC 卡技术,IC卡的特点：虽然比磁卡的成本高,但由于其本身具有较大的存储容量，很强的保密性和防伪能力,灵活的信息管理功能,使用寿命较长,而且运行稳定，维护费用低。 IC卡的应用：作为信息媒介,在金融、交通、通信、医疗、身份证及餐饮等行业得到广泛的应用。,第5章 IC 卡

2、技术,1.什么是物联网 通过射频自动识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器、环境传感器、图像感知器等信息设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。,第5章 IC 卡技术,物联网关键技术,5.1 IC 卡,将一个集成电路芯片嵌于塑料卡片中,即构成 IC 卡(Integrated Circuit Card)“。它标志着又一种新的信息处理手段的问世。 卡片作为交易的凭证最早始于英国 , 1970年代,法国BULL 公司研制出第一个使用，在美国得到发展。 在金融、交通、通信、医疗、身份证及餐饮等行业

3、得到广泛的应用。,5.1 IC 卡,5.1.1 IC卡分类 5.1.2 IC卡的物理特性,5.1.1 IC卡分类,5.1.1 IC卡分类 1.接触式。接触式IC卡与读/写器之间的信息和能量传递通过机械式触点进行,5.1.1 IC卡分类,2.非接触式IC卡：建立在现代微电子技术及RFID技术的基础之上,借助电磁波,以无线方式传输信息。,5.1.1 IC卡分类,常见非 接触I/C卡,5.1.1 IC卡分类,作为数据的载体的IC 卡，根据内部设置的结构,可分为多种类型。 1.存储型IC卡 2.智能型IC卡 内部加设微处理器 （2）密码卡 （3）增强型智能卡 非接触式IC卡,5.1.2 接触式IC卡的

4、物理特性,图5.2 非接触式智能卡结构图,5.1.2 接触式IC卡的物理特性,IC 卡的触点: C1：VCC 电源,输入, +5V0.25V 。 C2：RST 复位(总清)信号,输入端 。 允许两种复位方式: 在加电时由IC 卡的内部复位控制电路。 由外接设备通过RST 触点进行复位。 C3：CLK 时钟信号,输入端 。 C4：NC C5：GND 信号地 。 C6：VPP EPROM 编程电压, 输入端 。( 对于E2PROM 、NVRAM 型IC卡,因其内部设有电压泵电路,此引脚无用 )。 C7：I/O 数据输入/输出, 双向端 。IC卡与读卡器之间的命令、地址、数据都经此传输。 C8：NC

5、 国际标准 ISO 78162 中对IC 卡的触点没有作出具体定义,可由各厂家根据 使用情况赋予相应的定义。,5.1.2 接触式IC卡的物理特性,2. 使用 （1）平时只用C1、C2、C5、C7 ,只在存储数据的过程中才用到 C3 和 C7。 （2）信号线: 使用I2C 总线 。现在，有一些单片机本身带有I2C总线接口，如8XC552、8XC652/654、8XC751/752、8XCL410等,IC卡与读写器之间存在着 “读卡器卡片 (PCDPICC)(下行通信)” “卡片读卡器 (PICCPCD)(上行通信)”,5.2 IC卡系统硬件结构,5.2 IC卡系统硬件结构,5.2.1 IC卡读写

6、器 5.2.2 IC卡供电电路,5.2.1 IC卡读写器,5.2.1 IC卡读写器 IC卡读写器是实现IC卡与系统之间的数据通信的重要装置。 通用型IC卡读写器能够完成对IC卡信息的读出、写入和擦除等操作,并具有与外部设备,如:计算机、MODEM、终端等,进行通信。,5.2.1 IC卡读写器,图5.4IC卡读 写装置硬件框图,5.2.1 IC卡读写器,通过上述过程，可以总结出正常用卡步骤: 把IC卡插入 IFD 并接通各触点。(插入前,IFD 未加电；IC卡插入后也仅为相接触而已。之后,才接通电源。 使 IC卡复位,同时在IC卡与终端之间建立通信( 确认、传送信息 )。 释放触点( 关掉I/C

7、卡的电源 )。 取出IC卡。,5.2.2 IC 卡的供电电路,正常用卡时,把IC卡插入 IFD 并接通各触点。之后,才接通电源。,图5.5 采用DC-DC 转换器为IC卡供电,5.3 IC卡接口软件设计,CPU卡软件功能： (1)操作系统软件:负责操作命令的解释 (2)应用软件:负责应用的逻辑关系与命令结果的处理。,5.3 IC卡接口软件设计,5.3.1 IC卡的操作系统 5.3.2 IC卡的应用软件,5.3.1 IC卡的操作系统,操作系统需要具备如下几种功能: 文件管理: 即通过对存储器中的管理完成对用户专用文件的管理。 传输管理: 实现ISO/IEC 7816-3通信协议，保证数据可靠传输

8、，且不被窃取/篡改。 安全管理: 是操作系统的核心。对卡实现密码的输入、存储、修改、核实等的安全管理， 确保对卡的鉴别与核实,以及对文件访问权限的控制。 命令解释: 对接收的各项参数进行检查,进而执行操作,或作出相应的回答。,5.3.2 IC 卡的应用软件,主要是读写存储器，也就是通信软件，根据读写存储器的方法决定。如：SPI, I2C等。 下面I2C是总线时序图。,图5.6 写字节时序图,5.3.2 IC 卡的应用软件,（1）开始位 C_START: JNB SCL, C_START；等待时钟高有效 SETB SDA;置位数据线 CLR SDA；产生数据由高到低的跳变 RET (2)写1位

9、C_WBIT: JB SCL, C_WBIT；时钟低电平时SDA变化 MOV SDA,C；送数据 C_WBIT1: JNB SCL, C_WBIT1 ；等待SCL线高电平 RET,5.3.2 IC 卡的应用软件,(3)写1字节 C_WBYTE: MOV R3,#08H；写8位数据 C_WBYTE1:RLC A；A中存放写入I/C卡的数据 LCALL C_WBIT；调用写1位子程序 DJNZ R3, C_WBYTE1；判断是否写完 RET (4)写卡应答 C_ACK: JB SCL,CW_ACK；在第8位稳定写入后 C_ACK1： JNB SCL,CW_ACK1；在SCL下跳沿把数据写入I/C卡

10、 C_ACK2： JNB SDA,CW_ACK2；I/O应答，读到应答返回 RET,5.3.2 IC 卡的应用软件,(5) 写1字节停止状态；读应答后的稳定 C_STOP: JB SCL,C_STOP；等待SCL线进入高电平 C_STOP1: JB SCL,C_STOP1；在CL线高电平时给出由低到 高的变化，结束 CLR SDA；一个写字节周期 STB SDA RET,5.4 射频识别技术(RFID),RFID：射频识别技术(Radio Frequency Identification) 。 RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作

11、无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID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。射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。,5.4 射频识别技术(RFID),5.4 射频识别技术(RFID),非接触式IC卡的优点： 可靠性高 操作方便,快捷 安全防冲突,5.4 射频识别技术(RFID),5.4.1 非接触式IC卡的结构与原理 5.4.2 RFID技术的分类 5.4.3 RFID 技术标准 5.4.4 125 kHz RFID技术 5.4.5 13.56 MHz RFID技术,5.4.1 非接触式I

12、C卡的结构与原理,RFID原理和结构,I/C卡,读写器,PC机,PC机,RFID系统的工作原理 读写器将要发送的信息，经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送，进入读写器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给读写器，读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理；若为修改信息的写命令，有关控制逻辑控制卡内部的电荷泵提升工作电压，提供给擦写E2PROM中的内容进行改写，若经过判断其对应的密

13、码和权限不符，则返回出错信息。,5.4.2 RFID技术的分类,1.根据电子标签工作频率的不同通常可分为： （1）低频（LF, 30300kHz）,系统常用工作频率有125kHz、134.2kHz。 （2）高频（HF, 330MHz），系统常用工作频率有13.56MHz. （3）特高频系统（UHF, 3003GHz），工作频率为433 MHz ，866MHz960MHz和2.45GHz、5.8GHz等。 （4）超高频（SHF, 330GHz），工作频率为5.8GHz等。,5.4.2 RFID技术的分类,5.4.2 RFID技术的分类,2.根据电子标签的有源和无源: （1）有源：有源电子标签使用

14、卡内电流的能量、识别距离较长，可达十几米，甚至上百米。但是它的寿命有限（310年），且价格较高； （2）无源：无源电子标签不含电池，它接收到读写器（读出装置）发出的微波信号后，利用读写器发射的电磁波提供能量，一般可做到免维护、重量轻、体积小、寿命长、较便宜，但它的发射距离受限制，一般是几十厘米，且需要读写器的发射功率大。,5.4.3 RFID技术标准,1ISO/IEC 11784和ISO/IEC 11785技术标准 （1）ISO/IEC 11784和ISO/IEC 11785分别规定了动物识别的代码结构和技术准则，标准中没有对应答器(电子标签)样式尺寸加以规定，因此可以设计成适合于所涉及的动物

15、的各种形式，如玻璃管状、卫标或项圈等。 （2）代码结构为64位，其中的27至64位可由各个国家自行定义。技术准则规定了应答器的数据传输方法和读写器规范。,5.4.3 RFID技术标准,（3）工作频率为134.2kHz，数据传输方式有全双工和半双工两种，读写器数据以差分双相代码表示，应答器件采用FSK调制，NRZ编码。由于存在较长的应答器充电时间和工作频率的限制，通信速率较低。,5.4.3 RFID技术标准,2 ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693技术标准 （1）SO/IEC 14443和ISO/IEC 15693标准在1995年开始操作，其完成则是在2000年之后，二者皆以1

16、3.56MHz交变信号为载波频率。 （2）ISO/IEC 15693读写距离较远，而ISO/IEC 14443读写距离稍近，但应用较广泛。 （3）ISO/IEC 14443-3规定了TYPE A和TYPE B的防冲撞机制。,5.4.3 RFID技术标准,3ISO/IEC 18000技术标准： （1）ISO/IEC 18000是一系列标准，此标准是目前较新的标准，原因是它可用于商品的供应链，其中的部分标准也正在形成之中。 （2）工作频率分别为135kHz，13.56MHz，433 MHz，860930 MHz，2.45 GHz，和5.8 GHz。 （3）作用距离从数厘米到十多米不等。无源和被动方

17、式多在10m以内，超越10m 则需要采用带电池的主动方式。 （4）采用FSK键控法。,5.4.4 125 kHz RFID技术,功能特点及电路组成 采用低功耗、低电压结构； 采用非接触电感耦合方式来获取电源； 工作频率为； 内含位非易失性E2PROM存储器，其中位可供用户自由使用； 具有存储区块保护和密码保护功能； 位传送速率可选。根据需要可以选择射频频率、分频速率进行数据传送； 能提供二进制码、幅移键控、频移键控、曼彻斯特编码和双相位码等多种调制方式； 具有多种工作方式可供选择。,功能特点及电路组成,（）引脚功能,1.Coill-天线连接端 2.Test-测试引脚 3.Vdd, Vss-电源

18、,()内部结构及工作模式设置,功能特点及电路组成, 模拟前端 主要用来完成电源和信号的传送。 与电子标签天线直接连接，它通过电子标签天线与RFID卡读写器基站天线电感耦合作用来为芯片提供工作电源，同时通过磁场进行双向数据传送。,功能特点及电路组成, 主控制器 功能： 上电后从2中“”数据块读取工作模式。 控制对寄存器读写访问。 进行数据传送和错误信息处理 对传送数据流操作码进行解码 在密码保护模式下进行密码验证。,功能特点及电路组成, 比特率生成器 通过速率发生器可按照用户设定数据传送速率（8、16、32、40、50、64、100、128分频）来产生相应时钟信号。,功能特点及电路组成, 写解码

19、器 对写操作是靠严格控制磁场间隙时间来完成，数据“”和“”对应着不同磁场宽度。该回路主要用于从带有间隙磁场中检出真实数据流。,功能特点及电路组成,模式寄存器 位，主要用于存储从2“”数据块读出用户模式设置数据，每次上电后或程序复位后将自动执行一次调用操作。 初始化时要设置,功能特点及电路组成, 调制器 调制器由数据编码器和调制电路组成。用于对基站传送数据进行编码和调制。,功能特点及电路组成,（1）编码方式 曼彻斯特码（Manchester）： 每一位中点都发生变化 1比特中点位置上从负电平到正电平的跳变， 0 比特中点位置上从正电平到负电平的跳变。 二相位码(Biphase)：每一位开始电平发

20、生跳变，当数据位为“1”时，其位中间增加一次跳变。 直接码（二进制编码）：和通常二进制编码一样，“1”为高电平，“0”为低电平。,功能特点及电路组成,图5.18 编码和调制时序图,功能特点及电路组成,（2）调制方式 相移键控法（PSK），频移键控法(FSK)。 相移键控法（PSK）其载波频率有三种:fc/2,fc/4或fc/8,调制方法有三种： PSK1:每一位开始都跳变180，不管它是从“1”编为“0”，还是相反。 PSK2:每一个数位“1”结束时，相位跳变180。 PSK3:数位从“0”变为“1”（上升沿）时跳变，相位改变180。,功能特点及电路组成,频移键控法常用的有两种情况： FSK1

21、:数据“1”，f1=fc/8； 数据“0”，f2=fc/5。 FSK2:数据“1”，f1=fc/8； 数据“0”，f2=fc/10。,功能特点及电路组成,存储器 内部非易失性存储器共有位， 8（1+32）=264,位数据位,位锁定位,个数据块,工作模式设置 （32位）,功能特点及电路组成,(3)读写模式 读写器从读出数据 卡是利用线圈中产生的阻尼特性的载波信号向读写器传送数据的。,功能特点及电路组成,图5.22 读写器从 读出数 据过程,功能特点及电路组成,读写器向写入数据 图5.23 读写器向写入数据过程,功能特点及电路组成,（4）的编程,2. U2270B读写器芯片,U22708B是工作于

22、125kHz的用于读写器的集成芯片，它是电子标签和微控制器（MCU）之间的桥梁。它可以实现向电子标签传送能量和读写操作，可与x系列等电子标签芯片配套使用。,2. U2270B读写器芯片,U2270B芯片技术指标： 产生载波的频率范围为100 kHz150 kHz； 在125 kHz载波频率下，典型的数据传输速率为5 kbps； 适用于采用曼彻斯特编码及Biphase码调制的电子标签； 电源可采用汽车蓄电池或5 V直流稳压电源； 具有可调谐的能力； 便于和微控制器接口； 可工作于低功耗模式（Standby模式）。,2. U2270B读写器芯片,（1）U22708B芯片引脚,数据输出、 锁存、允许

23、,内部电源,电池电压,驱动器电源,外部电源,线圈驱动器,模式选择,2. U2270B读写器芯片,（2）U2270B芯片的内部电路,2. U2270B读写器芯片,能源输出部分 能源输出部分包括电源、振荡器和驱动器三部分： 电源 U2270B 芯片有三种供电方式：单电源、双电源和电池供电，,2. U2270B读写器芯片,单电源供电,双电源供电,电池电压供电,2. U2270B读写器芯片, 振荡器（OSC） 振荡器的频率范围为100kHz150kHz,受外接于RF和Vs引脚间的固定电阻Rf控制。对125 kHz，Rf取110 k；在其他频率时，Rf=14375(f010-3)-5 k。 驱动器（DR

24、V） 用于向天线提供能量和信息，它有两个独立的输出COIL0和COIL1,可由MS引脚电平选择共模（MS=0,二者同相）或差分（MS=1,二者反同相）工作模式（为增大灵敏度，通常选择差分模式）。CFE引脚可用来控制振荡器信号的输出以便以短间隙中断RF场的办法，实现对电阻标签的写操作。,2. U2270B读写器芯片,数据接收部分 由读写器天线耦合来的电子标签上的微弱调制信号，将首先由外部整流二极管和RC低通滤波进行解调，然后经隔直电容CIN和INPUT输入端送到数据接收部分，最后再经滤波、放大和整形，使输出信号与MCU兼容，并以集电极开路的形式输出。 OE为输出使能控制端，OE=0,允许输出；O

25、E=1,禁止输出。 接在INPUT管脚上的隔直电容CIN和接于HIPASS引脚的去耦电容CHP的取值，与电子标签数据速率线性相关，表5.3即为最常用的取值。,2. U2270B读写器芯片,(3) U2270B 芯片的应用,图5.31 蓄电池供 电方式的 读写器电路,2. U2270B读写器芯片,图5.31电路采用蓄电池电源供电，U2270B芯片的VEXT引脚输出电压可提供微控制器作为电源。VEXT还接至晶体管BC639的基极，控制DVS的产生。Standby引脚电平由微控制器控制，可以方便地进入Standby模式，以节省蓄电池的能耗。这种电路虽然其外接器件增多，但降低了天线设计调整难度，保证了

26、读写距离。 由U2270B 芯片与89S52 构成的E5550 卡读写电路, P1.1 为输入端, P1.0 为控制端, C1 、天线线圈及R7组成125 kHz 的谐振电路。 D5 、R5 、R6 、C5 构成解调器对天线信号进行解调然后经C4 耦合输入芯片,在片内进行滤波,放大,整形等送入单片机。 电阻R3 和R4 用于调节发射频率,D1D4 构成输入反馈电路以稳定频率,C2 构成芯片退耦电路。,2. U2270B读写器芯片,图5.32 差分模式的电路,2. U2270B读写器芯片,图5.32采用单电源和差分工作模式。为避免“零调制”问题，它除了采用图5.28中的振荡电路外，还通过89S5

27、2的P1.2管脚控制晶体电容的方法（见图5.32左下角），来改变读写器的谐振频率，使两个频差范围扩大一倍，进一步改善通信距离,2. U2270B读写器芯片,图5.33 用U2270B卡设计的读写器典型应用电路。,2. U2270B读写器芯片,图中89C2051单片机为控制器，通过U2270B可完成对卡片的读写。 在读卡时，单片机通过I/O接口，对由U2270B输入的调制信号解调成二进制数据； 写卡也是利用I/O接口的，把二进制数据调制成两间隙(gap)间宽度不等的脉冲，经U2270B以射频形式发射出去。 单片机通过MAX232可完成与上位PC机的通信。此硬件配合适当的软件可构成不同的应用系统。

28、,2. U2270B读写器芯片,（4）读写器程序设计 读电子标签数据程序,2. U2270B读写器芯片,写电子标签数据程序,5.4.5 13.56 MHz RFID技术,ISO/IEC 14443标准定义了TYPE A、TYPE B两种类型协议，它们包括电子标签（PICC）和读写器(PCD)两部分。随着非接触电子标签的开发和研究，已经生产出多种适合于该标准的PICC和PCD。因而使设计更加简便。 目前，比较常用的PICC芯片有H4006和MCRF335/360等。而常用的PCD有MF RC500和SLF9000芯片。本节主要介绍MCRF335/360和MF RC500。,1.MCRF335/3

29、60,MCRF355/360芯片是Microchip公司生产的工作于13.56 MHz射频存储器电子标签。 主要性能有：,1.MCRF335/360,载波频率：13.56 MHz； 数据调制频率：70 kHz 采用曼彻斯特编码协议； 用户存储器：154位； 内含100pF谐振电容（MCRF360）； 休眠（SLEEP）时间：100ms40； 具有防碰撞能力； 采用接触式编程，编程后为只读器件； 采用低功耗CMOS电路设计； 采用COB、PDIP或SOIC封装方式。 其作用是芯片无需电池，接收读卡器发射的能量即能激活。,1.MCRF335/360,（1）MCRF355/360的引脚,编程和测试,

30、接震荡线圈 Ant.B ，Ant.B,1.MCRF335/360,(2) MCRF355/360的内部结构,1.MCRF335/360,射频前端部分由天线耦合回路、整流、稳压、调制解调器、上电复位（POR）等部分组成，它是射频电子标签的核心部分。天线耦合回路由LC谐振回路组成。它的作用是：将从读写器的射频电磁场中获得的耦合能量转换成工作电源。,1.MCRF335/360,调制器的作用是完成负载调制功能。 采用曼彻斯特编码。 调制方法采用2ASK(二进制幅移键控法)。 “1”导通，有信号 “0”截止，无信号,1.MCRF335/360,数字逻辑控制模块由解码电路、时钟产生电路、调制逻辑、休眠定时、读/写控制和措施逻辑等电路组成，它的主要作用是防冲突、应用选择、认证和读/写访问控制和密码验证等。,1.MCRF335/360,（3）MCRF355/360的工作原理 读卡器向周围发一组固定频率为1356MH2的电 磁波。 进入读卡器的工作区域内电子标签与读写器发送信 号的频率相同，谐振电路产生共振。 共振使卡内电容有了