使用32位MCU解決RFID智能標簽/智能卡系統(tǒng)設計難題

文章出處：http://www.fang1.net 作者：C.K. Phua Rob Cosaro   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月15日

無線射頻識別 (RFID) 將成為第一種與條碼技術并存并最終將在低成本識別和個人數(shù)據(jù)存儲領域取代條碼技術的新興技術。 與條碼技術相比，它具有多種優(yōu)勢，包括： 1.) 可以存儲更多數(shù)據(jù)，2.) 可以在標簽中集成一定智能，3.) 可以在一定距離外掃描，以及 4.) 可以減少人為干預。 所有這一切皆因MCU 的使用而成為可能。

　　EPC 技術對智能標簽的影響

　　在消費層的部署中，下一代標簽系統(tǒng)必須發(fā)展一種新的復雜級別，以應對新應用和全球互操作性所帶來的復雜性。

　　就像統(tǒng)一產(chǎn)品編碼 (UPC) 是條碼技術的基本標識一樣，一個名為 EPCglobal 的企業(yè)聯(lián)盟也為 RFID 創(chuàng)建了電子產(chǎn)品編碼 (EPC)。 EPC 代碼為 64 位或 96 位長。它將作為聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中的一個查找項，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)必須能夠?qū)崟r訪問。

　　在某些時候，標簽必須與位于公司內(nèi)聯(lián)網(wǎng)之外的主機系統(tǒng)進行通信。 公司可以與其合作伙伴協(xié)作，提供 EPC 信息服務 (EPCIS)。 這將需要更多的標準化、互操作性和安全性。

 

圖 1： 標簽應用貫穿從入庫到零售的整個過程

　 32 位 MCU 適于復雜RFID系統(tǒng)

　　由于它們經(jīng)濟有效，32 位 MCU 非常適合用于復雜 RFID 自動 ID 系統(tǒng)。 正如前面指出的那樣，大部分重新設計工作將是對閱讀器進行的。

圖 2 顯示了一個基本閱讀器的框圖。

圖 2： 使用 MCU 和閱讀器 IC 的 RFID 閱讀器

　　MCU 可以使用幾種流行串行接口中的任一種接口與較大的 EPCIS 數(shù)據(jù)庫通信，這些接口包括 UART 和 USB 串行通道。 閱讀器和標簽之間的通信由 MCU 負責。

　　系統(tǒng)依賴于存儲在 EEPROM 中的數(shù)據(jù)，并具有幾個基本特性：
　　· 每個標簽有一個唯一的串行編號，存儲在 EEPROM 塊 1 和 2 中。
　　· 兩個特殊功能控制代碼：電子商品防竊 (EAS) 和安靜模式，用于解決安全和開/關操作（存儲在塊 3 中）。
　　· 每個標簽擁有一個 8 位系列碼和一個 8 位應用標識號（均存儲在塊 4 中）。 這兩個代碼對標簽并不是唯一的。
　　· 余下的存儲器用于用戶數(shù)據(jù)。
　　· 定義了 256 個時隙，標簽在其中的一個時隙中進行廣播

　　如果一個閱讀器尋找某個特定標簽或一組標簽，它可以使用系列碼和應用標識號標準詢問位于其操作范圍內(nèi)的所有標簽。

　　閱讀器需要對標簽進行一系列詢問操作。 這種交互操作通常是對標簽中用戶數(shù)據(jù)的讀操作，但也有可能發(fā)生后續(xù)的寫操作。　

　　整個過程大體如下：
　　· 重復詢問標簽的操作，直到不再檢測到數(shù)據(jù)逋唬畝療饕蚜私飧澆段詰乃斜昵┪埂?BR>　　· 當符合所需系列和應用代碼的標簽被找到時，閱讀器將通過整個排序過程為它們分配時隙。
　　· 不符合該系列/應用代碼標準的標簽被指示停止廣播其串行編號。
　　· 為了使排序過程進行得盡可能快，采用了優(yōu)化算法。優(yōu)化是根據(jù)對完成該過程所需命令的平均數(shù)的仿真進行的。 使用一個32位 MCU 可以最好地完成這些算法的快速執(zhí)行。

　　所有這些合起來，對 MCU 構成嚴重負荷。 標簽需要具有更高的性能。 使用 32 位 MCU 和大容量片上閃存，就可以實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)庫信息存儲，而不必與主機進行無休止的通信。

　　智能卡閱讀器數(shù)據(jù)加密和解密結構

　　加密可通過軟件來實現(xiàn)，也可以通過硬件和軟件的組件來實現(xiàn)。 純軟件加密的主要優(yōu)點就是便宜。 另一方面，基于硬件/軟件的安全措施會更安全，性能也會有相當多的提升。

　　除了 8 位和 16 位系統(tǒng)處理軟件加密時的性能弱勢以外，對于內(nèi)存受限的設計來說，軟件使用的代碼也常常會顯得太多，并且?guī)缀蹩偸谴嬖诤箝T，從而造成安全風險。 當系統(tǒng)設計者沒有其他選擇，只能通過增加外部存儲器來容納剩余代碼時，安全風險就會進一步增加。 32 位 MCU 提供了足夠的片上內(nèi)存資源（512 K 字節(jié)閃存），而后續(xù)產(chǎn)品還將隨著時間流逝而不斷擴展。

　　設計團隊經(jīng)常想當然地以為硬件加密會造成令人無法接受的 BOM 成本和 IP 成本增加。 盡管 DES 和 Triple DES 等算法不受版權限制，不需要交納牌照費，但能夠改善其效率的那些實現(xiàn)方法卻是受專利保護的。

　　好消息是當使用帶有安全內(nèi)核和豐富 IP 庫的 32 位 MCU 時，設計者實際上可從兩個領域均受益。 一方面，32 位 MCU 擁有通過軟件來執(zhí)行加密算法所需的全部處理能力。 另一方面，具有優(yōu)化加密引擎的安全內(nèi)核可以提供所需的所有硬件安全性。 受專利保護的實現(xiàn)算法則是作為 MCU 的 IP 庫的一部分。

　　軟件可配置性對閱讀器/標簽系統(tǒng)來說特別重要。 例如，很快將進入市場的支持 EPCIS 的下一代智能標簽系統(tǒng)，將能夠在使用中改變其加密算法。

　　對于以前的智能標簽系統(tǒng)，系統(tǒng)智能的大部分將保留在閱讀器模塊中。 當閱讀器采用基于安全 ARM 內(nèi)核和適當 IP 的 32 位 MCU 標準元件來提供支持時，實現(xiàn)基于硬件的安全造成的額外成本將非常小。

　　使用 32 位元件如飛利浦的 LPC2000 系列元件的另一個優(yōu)勢是它們能夠提供額外的內(nèi)存容量。 通過在閱讀器的 MCU 中嵌入足夠內(nèi)存，可以消除通常在 8 位和 16 位設計中見到的 MCU 與內(nèi)存之間的外部總線。 沒有了這種總線，也就避免了一種安全威脅，因為從此黑客們將無法再監(jiān)測閱讀器的內(nèi)存總線。

圖 3： AES 加密和解密結構

　　32 位 MCU在未來應用中更具優(yōu)勢

　　在下一代智能標簽和非接觸式智能卡應用中，32 位 MCU 具有明顯優(yōu)勢。 例如，它們能夠進行更多智能標簽的識別和排序處理，可以使用更多內(nèi)存，而不必像 8 位 MCU 那樣采用內(nèi)存換頁 (memory banking) 技術來實現(xiàn)。

　　當加密成為 RFID 閱讀器/標簽系統(tǒng)特性列表的一部分時，優(yōu)勢就更加明顯。 例如，DES 和 Triple DES 需要使用 32 位乘法器，而在基于 ARM7TDMI-S 的 MCU 如飛利浦半導體公司的 LPC213x 系列 MCU 上，乘法器早已內(nèi)置其中。

　　軟件執(zhí)行加密算法具有許多優(yōu)點，比如可以在使用中更改加密密鈅等。 但軟件執(zhí)行需要使用大量嵌入式內(nèi)存，而 32 位 MCU 可以提供這些內(nèi)存。 使用內(nèi)存映射 I/O 的能力使系統(tǒng)設計變得更加容易，32 位 MCU 上的 I/O 選項一般包括多種高位速率接口。

　　LPC213x 和 LPC214x 系列擁有豐富的外圍通信接口，包括用于板外通信的 UART 和 USB 串行通道，以及用于板上通信的 SPI 和 I2C 總線。

　　過去，32 位 MCU 的不足之處在于成本較高。 然而，自從飛利浦半導體公司等廠商引入基于標準 ARM 的 MCU 之后，價格已經(jīng)下降。 采用前沿半導體工藝進行大批量生產(chǎn)縮小了管芯尺寸，降低了 32 位標準規(guī)格 MCU 的價格。 當然，32 位 MCU 的成本仍然比最便宜的 8 位 MCU 要高，但系統(tǒng)設計者現(xiàn)在還是采用了可以提供他們所需性能的 32 位 MCU，并且能夠符合整個系統(tǒng)的材料預算。

　　RFID 和自動識別技術與安全性和保密性問題的融合，勢必將促進 32 位 MCU 在智能標簽和非接觸式智能卡市場的發(fā)展。

　　近期之內(nèi)，我們將看到它們?nèi)谌胫Ц丁齑婧弯N售點系統(tǒng)中；而不久我們就會看到增強的技術或非接觸式智能卡大量進入電子護照等敏感領域。