實(shí)驗(yàn)2、HF高頻RFID通訊協(xié)議

1、.實(shí)驗(yàn)二、HF高頻RFID通信協(xié)議一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1 掌握高頻讀卡器的通訊協(xié)議1.2 掌握本平臺(tái)高頻模塊的操作過(guò)程1.3 掌握高頻模塊工作原理二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備硬件：RFID實(shí)驗(yàn)箱套件，電腦等。軟件：Keil，串口調(diào)試助手。三、 實(shí)驗(yàn)原理 2.1 高頻RFID系統(tǒng)典型的高頻HF（12.56MHz）RFID系統(tǒng)包括閱讀器（Reader）和電子標(biāo)簽（Tag，也稱(chēng)應(yīng)答器Responder）。電子標(biāo)簽通常選用非接觸式IC卡，全稱(chēng)集成電路卡又稱(chēng)智能卡，可讀寫(xiě)，容量大，有加密功能，數(shù)據(jù)記錄可靠。IC卡相比ID卡而言，使用更方便，目前已經(jīng)大量使用在校園一卡通系統(tǒng)、消費(fèi)系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、公交消費(fèi)系統(tǒng)等。目前市場(chǎng)上

2、使用最多的是PHILIPS的Mifare系列IC卡。讀寫(xiě)器(也稱(chēng)為“閱讀器”)包含有高頻模塊(發(fā)送器和接收器)、控制單元以及與卡連接的耦合元件。由高頻模塊和耦合元件發(fā)送電磁場(chǎng)，以提供非接觸式IC卡所需要的工作能量以及發(fā)送數(shù)據(jù)給卡，同時(shí)接收來(lái)自卡的數(shù)據(jù)。此外，大多數(shù)非接觸式IC卡讀寫(xiě)器都配有上傳接口，以便將所獲取的數(shù)據(jù)上傳給另外的系統(tǒng)(個(gè)人計(jì)算機(jī)、機(jī)器人控制裝置等)。IC卡由主控芯片ASIC（專(zhuān)用集成電路）和天線組成，標(biāo)簽的天線只由線圈組成，很適合封狀到卡片中，常見(jiàn)IC卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖 2.1 IC卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖較常見(jiàn)的高頻RFID應(yīng)用系統(tǒng)如圖2.2所示，IC卡通過(guò)電感耦合的方式從讀卡

3、器處獲得能量。圖 2.2 常見(jiàn)高頻 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)組成下面以典型的IC卡MIARE 1為例，說(shuō)明電子標(biāo)簽獲得能量的整個(gè)過(guò)程。讀卡器向IC卡發(fā)送一組固定頻率的電磁波，標(biāo)簽內(nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路(如圖 2.3)，其諧振頻率與讀寫(xiě)器發(fā)出的頻率相同，這樣當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器范圍時(shí)便產(chǎn)生電磁共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，在電容的另一端接有一個(gè)單向通的電子泵，將電容內(nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)儲(chǔ)存，當(dāng)儲(chǔ)存積累的電荷達(dá)到2V時(shí)，此電源可作為其他電路提供工作電壓，將標(biāo)簽內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)。圖 2.3 IC卡功能結(jié)構(gòu)圖2.2 非接觸式IC卡目前市面上有多種類(lèi)型的非接觸式IC卡，它們按照遵從的不同協(xié)議大

4、體可以分為三類(lèi)，各類(lèi)IC卡特點(diǎn)及工作特性如圖1.4所示，PHILIPS的Mifare 1卡(簡(jiǎn)稱(chēng)M1卡)屬于PICC卡，該類(lèi)卡的讀寫(xiě)器可以稱(chēng)為PCD。圖2.4 IC卡分類(lèi)高頻RFID系統(tǒng)選用PICC類(lèi)IC卡作為其電子標(biāo)簽，這里以 Philips公司典型的PICC卡Mifare 1為例，詳細(xì)講解IC卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Philips是世界上最早研制非接觸式IC卡的公司，其Mifare技術(shù)已經(jīng)被制定為IS0 14443 TYPE A國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。本平臺(tái)選用用Mifare 1（S50）卡作為電子標(biāo)簽，其內(nèi)部原理如圖2.5所示。圖2.5 M1卡內(nèi)部原理射頻接口部分主要包括有波形轉(zhuǎn)換模塊。它可將讀寫(xiě)器發(fā)出的12.5

5、6MHZ的無(wú)線電調(diào)制頻率接收，一方面送調(diào)制/解調(diào)模塊，另一方面進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然后對(duì)其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)電壓進(jìn)行進(jìn)一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出供給卡片上的各電路。數(shù)字控制單元主要針對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，包括選卡、防沖突等。Mifare1卡片采取EEPROM作為存儲(chǔ)介質(zhì)，其內(nèi)部可以分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)由4塊組成，（我們也將 16 個(gè)扇區(qū)的 64 個(gè)塊按絕對(duì)地址編號(hào)為 0-63，存貯結(jié)構(gòu)如下圖2.6所示：圖 2.6 MFI卡片存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)第 0 扇區(qū)的塊 0（即絕對(duì)地址 0 塊），它用于存放廠商代碼，已經(jīng)固化，不可更改。其中：第 03 個(gè)字節(jié)為卡片的序列號(hào)；第4

6、個(gè)字節(jié)為序列號(hào)的校驗(yàn)碼；第5個(gè)字節(jié)為卡片內(nèi)容“size”字節(jié)，第67個(gè)字節(jié)為卡片的類(lèi)型字節(jié)。每個(gè)扇區(qū)的塊 0、塊 1、塊 2 為數(shù)據(jù)塊，可用于存貯數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)塊可作兩種應(yīng)用：用作一般的數(shù)據(jù)保存，可以進(jìn)行讀、寫(xiě)操作。例如在食堂消費(fèi)時(shí)采用輸入飯菜金額的方式扣款。用做數(shù)據(jù)值，可以進(jìn)行初始化加值、減值、讀值操作。例如在食堂消費(fèi)時(shí)對(duì)于定額套餐采用輸入餐號(hào)的方式加以扣款，又如公交/地鐵等行業(yè)的檢票/收費(fèi)系統(tǒng)中的扣費(fèi)。每個(gè)扇區(qū)的塊 3 為控制塊，包括了密碼 A、存取控制、密碼 B。具體結(jié)構(gòu)如下，A0 A1 A2 A3 A4 A5FF 07 80 69B0 B1 B2 B3 B4 B5其中其中 A0A5 代表密

7、碼 A 的六個(gè)字節(jié)；B0B5 代表密碼 B 的六個(gè)字節(jié)；FF 07 80 69 為四字節(jié)存取控制字的默認(rèn)值，F(xiàn)F 為低字節(jié)。每個(gè)扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨(dú)立的，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定各自的密碼及存取控制。存取控制為 4 個(gè)字節(jié)，共 32 位，扇區(qū)中的每個(gè)塊（包括數(shù)據(jù)塊和的存取條件是由密碼和存取控制共同決定的，在存取控制中每個(gè)塊都有相應(yīng)的三個(gè)控制位，定義如下：塊 0：C10C20C30塊 1：C11C21C31塊 2：C12C22C32塊 3：C13C23C33三個(gè)控制位以正和反兩種形式存在于存取控制字節(jié)中，決定了該塊的訪問(wèn)權(quán)限（如進(jìn)行減值操作必須驗(yàn)證 KEY A，進(jìn)行加值操作必須驗(yàn)證 KEY B

8、，等等）。三個(gè)控制位在存取控制字節(jié)中的位置，以塊 0 為例，如下所示： Bit 7 6 5 4 3 2 1 0C20_bC10_bC10C30_bC30C20字節(jié)6字節(jié)7字節(jié)8字節(jié)92.3 ISO 14443協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介ISO 14443協(xié)議是超短距離智慧卡標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義出讀取距離7-15公分的短距離非接觸智能卡的功能及運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)，ISO 14443 標(biāo)準(zhǔn)分為T(mén)YPE A和 TYPE B兩種。TYPE A 的產(chǎn)品具有更高的市場(chǎng)占有率，如Philips公司的MIFARE系列占有了當(dāng)前約80%的市場(chǎng)，且在較為惡劣的工作環(huán)境下有很高的優(yōu)勢(shì)。而TYPE B在安全性、高速率和適應(yīng)性方面有很好的前景，特別

9、適合于CPU卡。這里重點(diǎn)介紹MIFARE 1符合的ISO 14443 TYPE A標(biāo)準(zhǔn)。1) ISO 14443 TYPE A標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的基本空中接口基本標(biāo)準(zhǔn)l PCD到PICC（數(shù)據(jù)傳輸）調(diào)制為：ASK，調(diào)制指數(shù)100% l PCD到PICC（數(shù)據(jù)傳輸）位編碼為：改進(jìn)的Miller編碼l PICC到PCD（數(shù)據(jù)傳輸）調(diào)制為： 頻率為847kHz的副載波負(fù)載調(diào)制l PICC到PCD位編碼為：曼徹斯特編碼l 數(shù)據(jù)傳輸速率為106kbpsl 射頻工作區(qū)的載波頻率為12.56MHzl 最小未調(diào)制工作場(chǎng)的值是1.5A/mrms（以Hmin表示），最大未調(diào)制工作場(chǎng)的值是7.5A/mrms (以Hmax表

10、示) ，鄰近卡應(yīng)持續(xù)工作在Hmin和Hmax之間l PICC的能量是通過(guò)發(fā)送頻率為12.56MHz的閱讀器的交變磁場(chǎng)來(lái)提供。由閱讀器產(chǎn)生的磁場(chǎng)必須在1.5A/m-7.5A/m之間2) ISO 14443 TYPE A標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的PICC標(biāo)簽狀態(tài)集，讀卡器對(duì)進(jìn)入其工作范圍的多張IC卡的有效命令有：l REQA：TYPE A請(qǐng)求命令l WAKE UP：?jiǎn)拘衙頻 ANTICOLLISION：防沖突命令l SELECT：選擇命令l HALT：停止命令圖 2.7為PICC（IC卡）接收到PCD（讀卡器）發(fā)送命令后，可能引起狀態(tài)的轉(zhuǎn)換圖。傳輸錯(cuò)誤的命令(不符合ISO 14443 TYPE A協(xié)議的命令)

11、不包括在內(nèi)。圖 2.7 PICC狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖l 掉電狀態(tài)(POWER OFF):在沒(méi)有提供足夠的載波能量的情況下，PICC不能對(duì)PCD發(fā)射的命令做出應(yīng)答，也不能向PCD發(fā)送反射波；當(dāng)PICC進(jìn)入耦合場(chǎng)后，立即復(fù)位，進(jìn)入閑置狀態(tài)。l 閑置狀態(tài)(IDLE STATE)：當(dāng)PICC進(jìn)入閑置狀態(tài)時(shí)，標(biāo)簽已經(jīng)上電，能夠解調(diào)PCD發(fā)射的信號(hào)；當(dāng)PICC接收到PCD發(fā)送的有效的REQA（對(duì)A型卡請(qǐng)求的應(yīng)答）命令后，PICC將進(jìn)入就緒狀態(tài)。l 就緒狀態(tài)( READY STATE)：在就緒狀態(tài)下，執(zhí)行位幀防碰撞算法或其他可行的防碰撞算法；當(dāng)PICC標(biāo)簽處于就緒狀態(tài)時(shí)，采用防沖突方法，用UID(惟一標(biāo)識(shí)符)從多張P

12、ICC標(biāo)簽中選擇出一張PICC；然后PCD發(fā)送含有UID的SEL命令，當(dāng)PICC接收到有效的SEL命令時(shí)，PICC就進(jìn)入激活狀態(tài)（ACTIVE STATE）。l 激活狀態(tài)（ACTIVE STATE）：在激活狀態(tài)下，PICC應(yīng)該完成本次應(yīng)用所要求的所有操作（例如，讀寫(xiě)PICC內(nèi)部存儲(chǔ)器）；當(dāng)處于激活狀態(tài)的PICC接收到有效的HALT命令后，PICC就立即進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。l 停止?fàn)顟B(tài)（HALT STATE）： PICC完成本次應(yīng)用所有操作后，應(yīng)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)處于停止?fàn)顟B(tài)的PICC接收到有效的WAKE_UP命令時(shí)，PICC立即進(jìn)入就緒狀態(tài)。注意:當(dāng)PICC處于停止?fàn)顟B(tài)下時(shí)，在重新進(jìn)入就緒狀態(tài)和激活狀

13、態(tài)后， PICC接受到相應(yīng)命令，不在是進(jìn)入閑置狀態(tài)，而是進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。2.4 高頻系統(tǒng)讀寫(xiě)器2.4.1 通信流程高頻RFID系統(tǒng)讀寫(xiě)器與IC卡通信過(guò)程如圖2.8所示，主要步驟有：l 復(fù)位應(yīng)答（Answer to request）：M1射頻卡的通訊協(xié)議和通訊波特率是定義好的，當(dāng)有卡片進(jìn)入讀寫(xiě)器的操作范圍時(shí)，讀寫(xiě)器以特定的協(xié)議與它通訊，從而確定該卡是否為M1射頻卡，即驗(yàn)證卡片的卡型。l 防沖突機(jī)制(Anticollision Loop）：當(dāng)有多張卡進(jìn)入讀寫(xiě)器操作范圍時(shí)，防沖突機(jī)制會(huì)從其中選擇一張進(jìn)行操作，未選中的則處于空閑模式等待下一次選卡，該過(guò)程會(huì)返回被選卡的序列號(hào)。具體防沖突設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)可參考相關(guān)

14、協(xié)議手冊(cè)。l 選擇卡片(Select Tag）選擇被選中的卡的序列號(hào)，并同時(shí)返回卡的容量代碼。l 三次互相確認(rèn)(3 Pass Authentication）：選定要處理的卡片之后，讀寫(xiě)器就確定要訪問(wèn)的扇區(qū)號(hào)，并對(duì)該扇區(qū)密碼進(jìn)行密碼校驗(yàn)，在三次相互認(rèn)證之后就可以通過(guò)加密流進(jìn)行通訊（在選擇另一扇區(qū)時(shí)，則必須進(jìn)行另一扇區(qū)密碼校驗(yàn)）。l 對(duì)數(shù)據(jù)塊的操作：包括讀、寫(xiě)、加、減、存儲(chǔ)、傳輸、終止。圖2.8 讀卡器與IC通訊流程2.4.2 防沖突當(dāng)讀寫(xiě)器讀寫(xiě)范圍內(nèi)部有多張PICC標(biāo)簽時(shí)，讀寫(xiě)器利用各卡的UID(惟一標(biāo)識(shí)符)從多張標(biāo)簽中選擇出一張PICC標(biāo)簽。不同IC卡其內(nèi)部的UID大小不同，通常UID由4、7

15、或10個(gè)UID字節(jié)組成。PICC將這些字節(jié)按照其字節(jié)數(shù)封裝在幾個(gè)串聯(lián)級(jí)別中發(fā)送給讀卡器，每個(gè)串聯(lián)級(jí)別內(nèi)包含5個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，其中包括3個(gè)或4個(gè)UID字節(jié)，見(jiàn)圖2.9，從圖可知PICC最多會(huì)發(fā)送三個(gè)串聯(lián)級(jí)別(串聯(lián)級(jí)別數(shù)又可以稱(chēng)為UID大小)。圖2.9 UID結(jié)構(gòu)圖中CT為級(jí)聯(lián)信號(hào)，表示在下一級(jí)中還有UID；BCC為本級(jí)檢驗(yàn)碼。由圖可知，PICC最多應(yīng)處理3個(gè)串聯(lián)級(jí)別，以得到所有UID字節(jié)。閱讀器防沖突過(guò)程如下：1）首先由PCD發(fā)送REQA命令或WAKE UP命令，使卡進(jìn)入READY狀態(tài)（參見(jiàn)標(biāo)簽狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖）。這兩個(gè)命令的差別是：REQA命令使卡從IDLE狀態(tài)進(jìn)入READY狀態(tài)，而WAKE UP命令使

16、卡從HALT狀態(tài)進(jìn)入READY狀態(tài)。2）PICC接收到命令后，所有處在PCD電磁場(chǎng)范圍內(nèi)的PICC同步發(fā)出ATQA應(yīng)答，說(shuō)明本卡UID的大小(1、2或3)，之后進(jìn)入READY狀態(tài)，執(zhí)行防沖突循環(huán)操作。3）PCD通過(guò)發(fā)送ANTICOLLISION和SELECT命令執(zhí)行防沖突循環(huán)操作，命令格式如下所示：2.5 上位機(jī)與高頻RFID模塊間的通訊協(xié)議在LF低頻RFID實(shí)驗(yàn)中，上位機(jī)和低頻RFID模塊之間沒(méi)有任何的協(xié)議通信，這是因?yàn)榈皖lRFID功能簡(jiǎn)單，低頻RFID模塊只有一個(gè)工作狀態(tài)就是監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，此時(shí)模塊只需將監(jiān)聽(tīng)到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)即可。而高頻RFID以及之后將要學(xué)習(xí)的超高頻RFID、2.4GRF

17、ID模塊的功能就要多得多。除了簡(jiǎn)單的讀卡外，還有寫(xiě)入數(shù)據(jù)，修改密碼的功能，這就需要上位機(jī)和這些RFID模塊之間進(jìn)行通信。以下便是上位機(jī)和高頻RFID之間的一些協(xié)議。以下數(shù)據(jù)均為16進(jìn)制，第一字節(jié)表示此次發(fā)生的字節(jié)長(zhǎng)度讀卡號(hào) 02 A0讀數(shù)據(jù) 09 A1 Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5 Kn.例:0xA1為讀數(shù)據(jù)標(biāo)志。該卡密碼A為16進(jìn)制:ff ff ff ff ff ff 對(duì)應(yīng)Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5；要讀的塊數(shù)為第4塊 即 Kn=4；則發(fā)送:09 A1 ff ff ff ff ff ff 04 .返回第4塊的16字節(jié)數(shù)據(jù).寫(xiě)數(shù)據(jù)

18、19 A2 Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5 Kn Num0 Num1 Num2 Num3 Num4 Num5 Num6 Num7 Num8 Num9 Num10 Num11 Num12 Num13 Num14 Num15.例:0xA2為寫(xiě)數(shù)據(jù)標(biāo)志。該卡密碼A為16進(jìn)制:FF FF FF FF FF FF 對(duì)應(yīng)Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5；要寫(xiě)的塊數(shù)為第4塊 即 Kn=4；要寫(xiě)的數(shù)據(jù)位 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F則發(fā)送:19 A2 FF FF FF FF FF FF 04 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F.四、 實(shí)驗(yàn)步驟4.1為實(shí)驗(yàn)箱上電，將低頻模塊旁的S4 DB9選擇開(kāi)關(guān)撥打至中間檔，此時(shí)，UART4號(hào)DB9接頭與節(jié)點(diǎn)2上的高頻模塊通信。4.2 將PC機(jī)的串口與UART4 DB9串口相連，在PC機(jī)上打開(kāi)物聯(lián)網(wǎng)R