【文章內(nèi)容簡介】 分析 射頻 卡特點(diǎn) 操作快捷便利 由于采用非接觸無線通信，讀寫器對在感應(yīng)范圍內(nèi)的卡就可以進(jìn)行操作，免去了插拔卡過程，所以非常方便用戶使用。而且射頻卡在使用時既沒有正反而之分也沒有方向性與角度限制，卡片可以隨意方向掠過讀寫器表面，完成一次操作僅需 秒，這就大大提高了每次使用的速度。同時，由于卡與讀寫器進(jìn)行通訊時的載波頻率較高，卡內(nèi)芯片可以工作在較高的系統(tǒng)時鐘下，使二者的通信速率很高。 可靠性高、壽命長 卡與讀寫器之間無機(jī)械接觸，故不存在接觸式 IC 卡讀寫時出現(xiàn)的各種故障?？?和讀寫器均無裸露觸點(diǎn)，則無需擔(dān)心觸點(diǎn)損壞或脫落所 致的卡片失效及因讀寫器 ―吃卡 ‖而使用戶的 現(xiàn)象。這些都將大大提高了卡和讀寫器的可靠性與使用壽命。 抗干擾能力強(qiáng) 射頻卡有快速防沖突機(jī)制，能有效防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，當(dāng)多張卡片同時進(jìn)入讀寫器的天線有效范圍內(nèi)時，讀寫器可一一對卡片進(jìn)行處理，這就提高了應(yīng)用的并行性，也無形中提高了系統(tǒng)工作的速度。 一卡多用 用戶可以根據(jù)需要靈活定義各存儲扇區(qū)的密碼和訪問條件，以便互不影響地分別滿足不同場合 、不同用途的要求。 高安全性 射頻卡的序列號是唯一的，制造商在產(chǎn)品出廠前將此序列號固化于卡內(nèi)芯片中，不可再更改，使用時射頻卡與讀寫器要進(jìn)行三次相互認(rèn)證，而且通訊過程中所有的數(shù)據(jù)都加密，卡內(nèi)各個扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件。 射頻識別系統(tǒng)原理 MIFARE 射頻卡由天線和 ASIC（ 專用集成電路 ） 組成，天線是只有兒組繞線的線圈，卡上的 ASIC 由一個高速 （ 波特率 106kbit/s 的 RF 接口，一個控制單元和一個 8K理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 位 EEPROM 組成。讀寫器向射頻卡發(fā)送一組固定頻率的電磁載波，卡片內(nèi)有一個 LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)送的頻率相同，在電磁波的激勵下， LC 諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)產(chǎn)生電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)存儲，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到 2V 時，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)。 發(fā)生在閱讀器和電子標(biāo) 簽之間的射頻信號的耦合 類型有兩種： 電感 耦合。變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實(shí)現(xiàn)禍合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。 電磁反向散射耦合 。雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波，碰到目標(biāo)后反射，同時攜帶回目 標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。 射頻識別系統(tǒng)組成 射頻識別系統(tǒng)一般由以下三部分組成 ： 讀卡器 （ Reader） 一臺典型的讀卡器應(yīng)包含射頻信號發(fā)射單元器、高頻接收單元和控制單元。此外，許多讀卡器還都有附加的接口 （ RS232， RS485， USB） ，以便將所獲的數(shù)據(jù)傳輸給另外的系統(tǒng)作進(jìn)一步的處理或存儲。 發(fā)送部分和接收部分和起來稱為讀卡器的高頻接口，它負(fù)擔(dān)以下任務(wù) ： 產(chǎn)生高頻的發(fā)射功率，以啟動應(yīng)答器并為它提供能量 ； 對發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給應(yīng)答器 ； 接收并解調(diào)來自應(yīng)答器的高頻信號 。 在高頻接口中有兩個分隔開的信號通道，分別用于往來于應(yīng)答器的兩個方向的數(shù)據(jù)流。傳送到應(yīng)答器中去的數(shù)據(jù)通過發(fā)送器分支，而來自于應(yīng)答器的數(shù)據(jù)通過接收器分支來接收。 閱讀器的控制單元則擔(dān)負(fù)著以下任務(wù) ： 與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令 ； 控制與應(yīng)答器的通信過程 （ 主一從原則 ） ； 信號的編碼與解碼 。 對于復(fù)雜的系統(tǒng)還有下列附加的功能 ： 執(zhí)行反碰撞算法 ； 對應(yīng)答器與閱讀器之間要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密 ； 進(jìn)行應(yīng)答器和讀取器之間的身份驗(yàn)證。 為了完成這些復(fù)雜的任務(wù)，在絕大多數(shù)情況下控制單元都擁有微處理器作為核心部件。加密邏輯過程，如應(yīng)答器與閱讀器之間的加密、還有信號編碼，常常是交由附加的理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 ASIC 組件來完成的，以減輕處理器計算密集型過程的負(fù)擔(dān)。出于性能上的原因，對 ASIC的訪問是通過微處理器總線 （ 面向寄存器的 ） 實(shí)現(xiàn)的。 應(yīng)用系統(tǒng)軟件與閱讀器之間的數(shù)據(jù)交換是通過 RS232 或 RS485 串口來進(jìn)行的。這里同普通的 PC 機(jī)一樣使用 的是 NRZ 編 碼 （ 8 位異步 ） 。作為通信協(xié)議使用的是各不相同的、常常是自定義的協(xié)議。 標(biāo)簽 （ Tag） 射頻識別標(biāo)簽是一種以無線方 式傳送數(shù)據(jù)的信息載體形式，它具有數(shù)據(jù)處理及安全認(rèn)證等特有的優(yōu)點(diǎn)。射頻識別標(biāo)簽是射頻識別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，主要由天線、諧振電容以及 IC 芯片組成，其種類可以分為無源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽兩種。 射頻標(biāo)簽與讀卡器之間采用雙向驗(yàn)證機(jī)制，即讀卡器驗(yàn)證射頻標(biāo)簽的合法性，同時射頻標(biāo)簽也驗(yàn)證讀卡器的合法性 ： 處理前，標(biāo)簽要與讀卡器進(jìn)行三次相互認(rèn)證，而且在通訊過程中所有數(shù)據(jù)都加密。此外，標(biāo)簽中各個扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件。 天線 （ Antenna） 射頻識別系統(tǒng)中的天線用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向無源標(biāo)簽提供能量并在讀卡 器和標(biāo)簽之間傳送信息 。 Mifare1卡存儲結(jié)構(gòu) M1 卡分為 16 個扇區(qū)，每個扇區(qū)由 4 塊（塊 0、塊 塊 塊 3）組成，（我們也將 16 個扇區(qū)的 64 個塊按絕對地址編號為 0~63，存貯結(jié)構(gòu)如下圖 所示： 第 0 扇區(qū)的塊 0（即絕對地址 0 塊），它用于存放廠商代碼，已經(jīng)固化，不可更改。 每個扇區(qū)的塊 0、塊 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： （ 1）用作一般的數(shù)據(jù)保存，可以進(jìn)行讀、寫操作。 （ 2）用作數(shù)據(jù)值，可以進(jìn)行初始化值、加值、減值、讀值操作。 每個扇區(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 A5 FF 07 80 69 B1 B2 B3 B4 B5 密碼 A（ 6 字節(jié)） 存取控制（ 4 字節(jié)） 密碼 B（ 6 字節(jié)） 每個扇區(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 個字節(jié)，共 32 位，扇區(qū)中的每個塊（包括數(shù)據(jù)塊和控制塊）理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 的存取條件是由密碼和存取控制共同決定的。 塊 0 數(shù)據(jù)塊 0 扇區(qū) 1 塊 1 數(shù)據(jù)塊 1 塊 2 數(shù)據(jù)塊 2 塊 3 數(shù)據(jù)塊 3 塊 0 數(shù)據(jù)塊 4 塊 1 數(shù)據(jù)塊 5 扇區(qū) 2 塊 2 數(shù)據(jù)塊 6 塊 3 數(shù)據(jù)塊 7 0 數(shù)據(jù)塊 60 扇區(qū) 15 1 數(shù)據(jù)塊 61 2 數(shù)據(jù)塊 62 3 數(shù)據(jù)塊 63 圖 扇區(qū)結(jié)構(gòu)圖 Mifare 1卡的讀寫控制 每個扇區(qū)的尾塊 （ 16 字節(jié) ） 包含了該扇區(qū)的兩個密碼信息以及對本扇區(qū)中各塊的讀寫權(quán)限信息，是扇區(qū)的控制塊?？刂茐K使用兩個密碼，為用戶提供多重控制方式。例如，用戶可以用一個密碼控制對數(shù)據(jù)塊的讀操作，用另一個密碼控制對數(shù)據(jù)塊的寫操作。 射 頻識別系統(tǒng)分類 根據(jù)射頻識別系統(tǒng)的不同特點(diǎn)，射頻識別系統(tǒng)有多種分類方法，根據(jù)工作頻率劃分，有低頻、中頻、高頻 ； 根據(jù)存儲器是否可寫，可分為只讀型和可讀寫型 ； 根據(jù)讀卡器和應(yīng)答器誰先發(fā)送信息，可分為 TTF 型和 RTF 型 ； 另外根據(jù)應(yīng)答器內(nèi)是否內(nèi)置電源可分為有源型和無源型。 按工作頻率分類 低頻射頻識別的工作頻率主要是 125kHz，中頻為 ，而高頻有 869MHz， 密碼 A 存取控制 密碼 B 密碼 A 存取控制 密碼 B 密碼 A 存取控制 密碼 B 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 902928MHz， ， 等，允許的最大發(fā)射功率電平和頻率分配因國家和地區(qū)的不同而有所不同。其中 125kHz 系統(tǒng)主要應(yīng)用在動物識別和商品流通等領(lǐng)域。 系統(tǒng)一般應(yīng)用在公共交通和門禁系統(tǒng)等領(lǐng)域，其識別距離 一般為幾厘米（ IS014443 標(biāo)準(zhǔn) ） 到幾十厘米 （ IS015693 標(biāo)準(zhǔn) ） ，采用特殊制作的天線最大識別距離為 米左右。在 UHF 頻段 （ 869MHz 和 902928MHz ） ，系統(tǒng)的識別距離遠(yuǎn)，可從幾米到幾十米。 UHF 頻段的自動識別系統(tǒng)主要應(yīng)用在高速公路收費(fèi)、集裝箱識別和鐵路車輛的識別、跟蹤等業(yè)務(wù)中。 被動式系統(tǒng) （ 無源標(biāo)簽 ） 一般可提供 1 米左右的識別距離，主動式系統(tǒng) （ 有源標(biāo)簽 ） 可以達(dá)到十幾米的 識別距離。 系統(tǒng)主要應(yīng)用在交通領(lǐng)域，目前我國公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)暫行標(biāo)準(zhǔn)也把此頻段作為車輛識別的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。 按讀卡器和應(yīng)答器誰先發(fā)送信息分類 RTF （ Reader Talks First，讀卡器先發(fā)言 ） 和 TTF （ Tag Talks First，標(biāo)簽先發(fā)言 ）是兩種讀卡器抗沖突協(xié)議方式。 在一般狀態(tài)下，電子標(biāo)簽處于 ―等待 ‖或稱為 ―休眠 ‖的工作狀態(tài)，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀卡器的作用范圍時，檢測到一定特征的射頻信號，便從 ―休眠 ‖狀態(tài)，轉(zhuǎn)到 ―接收 ‖狀態(tài)，接收讀卡器發(fā)出的命令后，進(jìn)行相應(yīng)的處理，并將結(jié)果返回讀卡 器。這類只有接收到讀卡器特殊命令才發(fā)送數(shù)據(jù)的電子標(biāo)簽被稱為 RTF（ Reader Talk First，即讀卡器先發(fā)言 ）方式 ； 與此相反，進(jìn)入讀卡器的能量場即主動發(fā)送自身 ID號的電子標(biāo)簽被稱為 TTF（ Tag Talk First，即標(biāo)簽先發(fā)言 ） 方式。 TTF0 和 RTF 協(xié)議相比， TTF 方式的射頻卡具有識別速度快點(diǎn)，適用于需要高速應(yīng)用的場合 ； 另外，它在噪聲環(huán)境中更穩(wěn)健，在處理標(biāo)簽數(shù)量動態(tài)變化的場合也更為實(shí)用。因此，更適于工業(yè)環(huán)境的跟蹤和追蹤應(yīng)用。 按電子標(biāo)簽的供電方式分類 射頻識別系統(tǒng)按電子標(biāo)簽的供電方式可分為有 源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽兩類。無源標(biāo)簽所需工作能量需要從讀卡器發(fā)出的射頻波束中獲取能量，經(jīng)過整流、穩(wěn)壓后提供電子標(biāo)簽所需的工作電壓。與有源標(biāo)簽相比，具有成本低、不需要維護(hù)、使用壽命長等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是讀卡器要發(fā)射更大的射頻功率，識別距離相對較近等。然而，目前的集成電路設(shè)計技術(shù)能使所需工作電壓進(jìn)一步降低至 1V 甚至 ，這使得無源射頻識別系統(tǒng)可以達(dá)到 20 米以上的識別距離。這在不同的無線電規(guī)則限制情況下，可以滿足大部分實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的需要。有源標(biāo)簽本身帶有微型電池，由于不需要射頻供電，其識別距離更遠(yuǎn)，讀卡器需要的功率較小 。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 射頻識別系統(tǒng)中信號的 編碼 與 調(diào)制 圖 是一個典型的數(shù)字通信系統(tǒng)模型，與數(shù)字通信系統(tǒng)相類似，射頻識別系統(tǒng)中閱讀器和應(yīng)答器之間的數(shù)據(jù)傳輸，需要三個主要的功能塊 :按從閱讀器到應(yīng)答器的數(shù)據(jù)傳輸方向，它們是閱讀器 （ 發(fā)送器 ） 中的信號編碼 （ 信號處理 ） 和調(diào)制器 （ 載波信號處理電路 ） 、傳輸介質(zhì) （ 信道 ） 、以及應(yīng)答器 （ 接收器 ） 中的解調(diào)器 （ 載波回路 ） 和信號譯碼（ 信號處理 ） 。 信號編碼系統(tǒng)的作用是使傳輸?shù)男畔⒑退男盘柋硎颈M可能最佳的與傳輸通道的性能相匹配，也就是將發(fā)送的數(shù)據(jù)信息變換為適合于信道傳輸特性的頻譜結(jié)構(gòu)。這樣的處理對信息提供某種程度的保護(hù)，以防止信息受干擾或相碰撞，以及對某些信號特性的蓄意改變。 信 道噪 聲信號處理載波回路載波回路信號處理發(fā) 送 器接 收 器信 號 源接 受 信 號 圖 數(shù)字通信系統(tǒng)中的信號和數(shù)據(jù)流 調(diào)制是對信號源的編碼信息進(jìn)行處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合傳輸?shù)男问?，一般是將基帶信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號。傳輸介質(zhì) （ 信道 ） 把信息傳輸過一段預(yù)定的距離，射頻識別系統(tǒng)中采用的傳輸介質(zhì)是磁場 （ 電感禍合 ） 或電磁波 （ 微波 ） 。解調(diào)是一種另外的調(diào)制過程，以再生基帶信號。解碼的任務(wù)也就是從基帶編碼的接收信號中恢復(fù)的原來的信息，并識別和標(biāo)識出傳輸錯誤。 基帶編碼 常用的編碼有 NRZ（ 反相不歸零制 ） 編碼、曼徹斯特 （ Manchester） 編碼、單極性歸零制編碼 （ Unipolar RZ） 、差動雙相編碼 （ DBP） 、米勒 （ Miller） 編碼、差動編碼。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文