【文章內容簡介】 芯片有一個省電的“低功耗”或“備用”工作模式。2)應答器至閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸從雷達技術得知：電磁波被大小超過波長一半的物體所反射。一個物體反射電磁波的效率是通過其反射橫截面來說明的。物體與到達它的波產生諧振時，其反射橫截面積要盡可能大，這正是處于適當頻率的天線所用的場合。 圖33示出了反向散射應答器的作用原理。功率P。從閱讀器天線發(fā)射出來，它的一部分只P1`(自由空間衰減)到達應答器的天線，另一部分被天線反射，返回功率為P2。天線的反射性能(等于反射橫截面)會受連接到天線的負載變化的影響。為了從應答器到閱讀器傳輸數(shù)據(jù)，與天線并聯(lián)的附加負載電阻的接通和斷開要與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流一致，從而完成由應答器反射的功率P2振幅的調制(調制后的反向散射)。由應答器反射的功率P2在空問自由輻射，其中的一小部分功率P2`(自由空間衰減)被閱讀器天線接收。 圖3．3反向散射應答器的作用原理3．密耦合采用密耦合方式工作的電子數(shù)據(jù)載體應答器的作用距離一般為0．1～1 cm。1)應答器的能量供應密耦合系統(tǒng)是為0．1～l cm的作用距離而設計的。因此，工作時需將應答器插入閱讀器之中，或放到一個有標記的表面上(touch＆go)。應答器線圈和閱讀器線圈的功能結構相當于一個變壓器。閱讀器線圈相當于變壓器的初級線圈，應答器線圈相當于變壓器的次級線圈。通過初級線圈的高頻交流電，在應答器插入閱讀器之中或者放到使應答器線圈能在環(huán)形鐵芯能準確定位的縫隙中產生高頻磁場。這種高頻磁場也穿過應答器線圈，并在應答器線圈中感應出頻率相同的交流電壓。對此電壓整流，可獲得供芯片使用的電源電壓。2)應答器至閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸 (1)磁耦合：為了從應答器到閱讀器進行磁耦合數(shù)據(jù)傳輸，在密耦合系統(tǒng)中也使用有負載波的負載調制。(2)電容耦合：由于閱讀器和應答器之間的距離很小，在密耦合系統(tǒng)中也使用電容耦合來進行數(shù)據(jù)傳輸。4．閱讀器至應答器的數(shù)據(jù)傳輸在全雙工系統(tǒng)和半雙工系統(tǒng)中，所有已知的數(shù)字調制方法都可用于從閱讀器到應答器的數(shù)據(jù)傳輸，而與工作頻率或耦合方式無關。大致可以分為以下三種基本方法：振幅鍵控(ASK)。頻移鍵控(FSK)。相移鍵控(PSK)。為了便于解調，多數(shù)系統(tǒng)使用振幅鍵控調制。3．2．2時序法時序系統(tǒng)中常采用電感耦合方式進行從應答器到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸。1．電感耦合應答器下面從應答器的供電、時序系統(tǒng)的優(yōu)點以及應答器至閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)葞追矫鎸﹄姼旭詈蠎鹌鬟M行分析。1)應答器的供電用電感耦合的時序系統(tǒng)只適合在135 kHz以下的頻率范圍內工作。在閱讀器線圈和應答器線圈問存在著變壓器耦合作用。通過閱讀器交變場的作用，在應答器線圈中所感應的電壓被整流，可作供應電壓使用。為了使能量可以高速傳輸，必須使應答器的諧振頻率與閱讀器的頻率一致，而且應答器線圈還具有高品質因數(shù)。所以，應答器含有一個片上微調電容器，該電容器用于補償諧振頻率的容差。與全雙工系統(tǒng)和半雙工系統(tǒng)不同，在時序系統(tǒng)中，閱讀器的發(fā)送器并不是連續(xù)工作的。在傳輸過程中，傳給發(fā)送器的能量用于電容器充電，以存儲能量。在充電過程中，應答器的芯片需要切換到省電或備用模式，從而使接收到的能量幾乎完全用于充電電容器的充電。在固定的充電時間結束后，將閱讀器的發(fā)送器重新斷開。2)時序系統(tǒng)的優(yōu)點全雙工系統(tǒng)的缺點在于，從閱讀器到應答器的能量傳輸與數(shù)據(jù)的雙向傳輸是同時進行的，所以芯片永遠處于工作模式。應答器天線(電流源)與作為負載的芯片(電流消耗)問的功率匹配是合理利用所傳輸?shù)哪芰康睦硐胪緩?。然而，如果實現(xiàn)了精確的功率匹配，那么電源電壓(等于線圈的開路電壓)只能有一半供芯片使用。為了提高供使用的工作電壓，只有增大芯片阻抗(等于負載電阻)，而這也意味著功率消耗的降低。當設計全雙工系統(tǒng)時，在功率匹配和電壓匹配之間必須找到一個折衷的方案。時序系統(tǒng)的情況是完全不同的，充電過程中芯片處于備用模式或低功耗模式，這意味著芯片幾乎沒有消耗功率。與全雙工系統(tǒng)和半雙工系統(tǒng)相比，時序系統(tǒng)芯片能量供應的優(yōu)點如下：應答器線圈的全部電源電壓供芯片工作使用。因此供使用的工作電壓是全雙工和半雙工系統(tǒng)的工作電壓的兩倍。供芯片使用的能量是由充電電容器的電容量以及充電時間決定的。從理論上說，這兩個可能選擇的值是任意大的。而對全雙工和半雙工系統(tǒng)來說，芯片的最大功率消耗受功率匹配點(就是說，通過線圈幾何圖形和場強H)的限制。3)應答器至閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸在時序系統(tǒng)中，一個完整的讀出周期由兩個階段構成：充電階段和讀出階段。充電階段的結束是由“脈沖串結束探測器”探測到的。該探測器監(jiān)視應答器線圈上的電壓曲線，并識別閱讀器場斷開的時刻。隨著充電階段的結束，芯片上的振蕩器被激活。該激蕩器的頻率的決定因素取決于應答器線圈所構成的振蕩回路。應答器線圈產生的弱交變磁場能被閱讀器接收，與全雙工系統(tǒng)和半雙工系統(tǒng)相比，可改善信號干擾的狀況，典型芝有20 dB。這對時序系統(tǒng)的作用距離產生積極的影響。應答器的發(fā)送頻率與應答器線圈的諧振頻率相符，它在制造時就調整為閱讀器的發(fā)射頻率。2．表面波應答器表面波應答器也是時序系統(tǒng)中的一種。表面聲波元件是以壓電效應和與表面彈性相關的低速傳播電聲波為依據(jù)的。表面聲波裝置工作在微波頻率，通常在2．45 GHz的工業(yè)和醫(yī)學科學范圍內進行工作。表面波應答器一般由偶極子天線、內部數(shù)字轉換器、反射器、壓電晶體基片構成。由于電極之間的壓電效應，加在導電板上的電脈沖會導致基片表面發(fā)生機械變形，這種變形作為表面波的形式向兩個方向傳播。對常用的基片來說，傳播速度介于3000~4000 m／s之間。反之，由于壓電效應，進入轉換器的表面波在內部數(shù)字轉換器的導電板上就形成了電脈沖。把單獨的電極放在表面波應答器的剩余長度上，電極邊緣便形成了反射帶，并反射一小部分入射的表面波。把閱讀器產生的高頻掃描脈沖從應答器的偶極子天線輸送到內部數(shù)字轉換器中，并轉換成聲表面波。一部分表面波被每個分布在基片上的反射帶所反射，而剩余部分則到達基片的終端并被吸收。 一部分反射波返回到內部數(shù)字轉換器，轉換成高頻脈沖序列，并被偶極子天線反射回來。這種脈沖能被閱讀器所接收，接收到的脈沖數(shù)量與基片上的反射帶數(shù)量相符。 由于基片上的表面波傳輸速度緩慢，在閱讀器的掃描脈沖發(fā)送后經過1．5 ms的滯后時間．第一個應答脈沖才到達。這對于脈沖接收來說是一個很關鍵的優(yōu)點。關于表面波應答器的詳細論述，可以閱讀參考文獻[1]。3．3 電子數(shù)據(jù)載體的結構 根據(jù)射頻識別系統(tǒng)所用數(shù)據(jù)載體的功能不同，把它們區(qū)分為兩種：以集成電路(IC芯片)為基礎的電子數(shù)據(jù)載體和利用物理效應的數(shù)據(jù)存儲載體。1 bit應答器和表面波元件都屬于后一類的范疇。電子數(shù)據(jù)載體的結構如圖34所示。圖3．4 電子數(shù)據(jù)載體的結構3．3．1 具有存儲功能的應答器 具有存儲器功能的應答器包括RAM、ROM或EEPROM以及一個用于能量供應并與閱讀器通信的高頻界面，如圖3．5所示。這個應答器家族的主要特點是用狀態(tài)自動機在芯片上實現(xiàn)尋址和安全邏輯。 1．高頻界面 高頻界面在從閱讀器到應答器的模擬、高頻傳輸通路與應答器的數(shù)字電路間形成了接口，因此，高頻界面執(zhí)行的任務就像經電話線傳送模擬數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)的Modem一樣。具有存儲器功能的射頻識別數(shù)據(jù)載體如圖35所示。從閱讀器發(fā)出的調制高頻信號，在高頻界面經解調后重新構建，以產生在地址和安全邏輯中進一步加工的數(shù)字式串行數(shù)據(jù)流(數(shù)據(jù)輸入)。時鐘脈沖產生電路從高頻場的載波頻率中產生出用于數(shù)據(jù)載體的系統(tǒng)節(jié)拍(系統(tǒng)時鐘)。圖3．5具有存儲器功能的射頻識別數(shù)據(jù)載體 為了將數(shù)據(jù)返回到閱讀器，高頻界面包括負載調制器或反向散射調制器(或其他方法，例如分頻器)，由所傳送的數(shù)字化數(shù)據(jù)控制。圖36給出了一個具有負載調制器的電感耦合應答器的高頻界面的方框圖。 無源應答器，即自己沒有電源供給的應答器，由閱讀器的高頻場供應能量。其工作原理是高頻界面從應答器天線吸收電流，整流穩(wěn)壓后作為電源供應芯片使用。圖3．6具有負載調制器的電感耦合應答器的高頻界面2．地址和安全邏輯地址和安全邏輯是數(shù)據(jù)載體的心臟，控制著芯片上的所有過程，如圖37所示圖3．7地址和安全邏輯電路 通過電源接通邏輯電路可以保證數(shù)據(jù)載體處于規(guī)定的狀態(tài)，并在進入閱讀器高頻場時立即供應足夠的工作能量。特殊的I／O寄存器用于與閱讀器進行數(shù)據(jù)交換?？蛇x的加密部件是鑒別數(shù)據(jù)加密和密鑰管理所需要的。 數(shù)據(jù)存儲器，如用于不可更改數(shù)據(jù)(如序列號)的ROM以及EEPROM，經過芯片內部的地址總線和數(shù)據(jù)總線與地址和安全邏輯電路相連。 過程控制和系統(tǒng)同步所需要的系統(tǒng)時鐘經高頻界面從高頻場取得，然后被輸送到地址和安全邏輯電路(如圖37所示)。通過狀態(tài)機(固件)對所有過程進行與狀態(tài)有關的控制。用狀態(tài)機可達到的復雜性完全接近于微處理器(高檔應答器)的復雜性。這個自動裝置的程序化過毛是通過芯片設計確定的，因此，可滿足特殊要求的修改只有通過芯片設計才能實現(xiàn)。所以，只有針對大量的需求才會改動芯片。 3．寄存器結構 寄存器是數(shù)據(jù)載體的重要部分。根據(jù)不同的寄存器結構，應答器可分為以下幾種： 1)只讀應答器 只讀應答器構成射頻識別系統(tǒng)數(shù)據(jù)載體的低檔和低成本部分。一旦只讀應答器進入了司讀器的作用范圍內，就開始輸出它自己的特征標記。這個特征標記通常只是一個簡單的序列號。序列號由幾個字節(jié)和有關的校驗數(shù)字組成。通常，芯片生產廠家保證對每個序列號的賦值是惟一的，用戶不能改變這個序列號，也不能改變芯片上的任何數(shù)據(jù)。 應答器與閱讀器的通信只能在單方向上進行，它不斷地將自己的特征標記發(fā)送給閱讀器。從閱讀器到應答器的數(shù)據(jù)傳輸是不可能的。 只讀應答器的典型應用領域有動物識別、出入檢查和具有中央數(shù)據(jù)控制的工業(yè)自動化等方面。2)可寫入的應答器 可寫入應答器閱讀器能將數(shù)據(jù)寫入，其存儲器容量為l B～64 KB(具有SRAM靜態(tài)隨磯存取存儲器的微波應答器)。 閱讀器對應答器的寫入和讀出訪問大多是按字組進行的。字組通常是把事先規(guī)定數(shù)目的字節(jié)匯總起來而形成的，然后將它作為整體讀出或寫入。如果要修改一個單獨字組的數(shù)據(jù)內容，必須先從應答器讀出整個字組，然后將同一字組中包括修改的字節(jié)重新寫回應答器。 常見系統(tǒng)的字組大小一般是16 bit、40 B或16 B。存儲器的字節(jié)結構使閱讀器對芯片的尋址更加簡單。 3)具有密碼功能的應答器 使用具有密碼功能的應答器的必要性是：如果可寫的應答器沒有保護措施，則屬于同一射頻識別系統(tǒng)的任何閱讀器都可對它讀出或寫入。這并不總是符合需要的，因為敏感的應用會由于對應答器中的數(shù)據(jù)未經認可的讀出或寫入而受到損害。如作為公共交通車票系統(tǒng)的非接觸IC卡和電子地面固定系統(tǒng)的車輛鑰匙中的應答器就是典型的例子。 為了阻止對應答器的未經認可的訪問，可采用如下兩種方法： (1)檢查口令的寫入和讀出保護是最簡單的方法。在這種情況下，IC卡將發(fā)送來的口令與一個存儲的基準口令相比較，如果二者一致，就允許訪問數(shù)據(jù)存儲器。 (2)若要求相互認證使用資格，或者必須檢查兩個部件是否都屬于同一應用系統(tǒng)，那么應當采用鑒別的方法。原則上，鑒別法總是包含對兩個不經過界面?zhèn)鬏數(shù)拿荑€的比較。密碼術的認證通?？偸前殡S著對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流的加密，從而有效地防止了用無線電接收機監(jiān)聽無線應答器的接口以竊取傳輸數(shù)據(jù)。 具有密碼功能的應答器除了使用數(shù)據(jù)存儲區(qū)以外，總是使用包含著用于存儲密鑰的附加存儲區(qū)和一個配置寄存器(存取寄存器，Acc)，以便有選擇地保護選擇地址區(qū)的寫入。在生產廠家提供應答器之前由他們將密鑰寫入密鑰存儲器。出于安全的原因，密鑰存儲器絕不能被讀出。 (1)分級的密鑰概念。某些系統(tǒng)提供這樣的選擇：分別存儲兩個具有不同存取權限的密鑰——密鑰A和密鑰B。應答器和閱讀器之間的認證可從密碼A或密碼B來進行。在應用中可以選擇：給兩種密鑰分配不同的訪問權限(ACC)，從而規(guī)定不同的安全等級。 圖38說明了分級密鑰概念的原理。應答器中包含有兩個密碼存儲器，分別由密鑰A和密鑰B初始化。閱讀器在成功地認證后是否被分配給較大的存取權限取決于在應答器(訪問寄存器)中對選用的密鑰的設置。一方面，閱讀器1只具有密鑰A，在認證成功后，訪問寄存器(ACC)中選取的設置只允許它從應答器存儲器中讀出；另一方面，閱讀器2具有密鑰B。在用密碼B認證成功后，訪問寄存器(ACC)中選取的設置既可從應答器存儲器讀出，也可寫入。圖3．8按等級授予訪問權限的應答器 (2)分級密鑰應用舉例。下面以短途公共交通所用的乘車證系統(tǒng)作為分級密鑰應用的實例。把閱讀器分為兩組：用于付款的“減值者”和使用非接觸Ic卡充值的“升值者”。應答器的兩個存取寄存器A和B的訪問權配置為：在用密鑰A認證成功后，系統(tǒng)僅許可從現(xiàn)金賬上扣除(使應答器中的計數(shù)器減少)；只有在用密鑰B認證成功后，才能使現(xiàn)金賬增加(同一個計數(shù)器增大)。 為了防止可能的欺騙，汽車或地鐵入口的閱讀器，即檢票裝置，僅提供了密鑰A。這樣就不可能用檢票裝置的應答器來升值，甚至也不能通過軟件操縱一個被偷竊的檢票裝置。除非用正確的密鑰授權，應答器本身拒絕內部計數(shù)器的增大。 高安全性的密鑰B只裝入被選中防盜竊的安全的閱讀器內。應答器只有用這些閱讀器才能升值。 4)分塊存儲應答器 用認證的方法，可以防止其他應用中的閱讀器非法訪問應答器中的數(shù)據(jù)。 具有較大存儲量的應答器，可將整個存儲器分為較小的稱做塊的單元，并將各個塊用單獨的密鑰保護以防止未經過認同的訪問。這樣的分塊應答器可以把不同應用的數(shù)據(jù)完全獨立地存儲。 只有用適當?shù)拿荑€成功認證后，才能獲得對某塊的訪問權。因此，屬于某種應用的閱讀器如果只知道應用自己的密鑰，就只能取得它自己存儲塊的訪問權。 大多數(shù)塊式存儲系統(tǒng)采用固定大小的塊。在這些系統(tǒng)中，用戶不能改變塊內的存儲空間。固定塊長的優(yōu)點是在應答器的微型芯片上容易實現(xiàn)，而且成本低。 然而，某應用所需存儲空間與應答器塊長相符的情況極為罕見。一方面，對于較小規(guī)模的應用，應答器上有價值的存儲器空間只有一部分被利用而其他就被浪費了。另一方面，更大規(guī)模的應用需要分布在多塊之上。這就是說，被