無線射頻卡的原理與應(yīng)用

文章出處：http://www.fang1.net 作者：空軍第一航空學(xué)院 曹乃森 孫亞偉   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月30日

     0 引言 

    IC卡在我們的日常生活中經(jīng)常見到，它的發(fā)展經(jīng)歷了接觸式存儲(chǔ)卡、加密卡，現(xiàn)正在向著非接觸卡、CPU卡的方向發(fā)展。無線IC卡使用非接觸方式，它利用射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)射頻卡和讀寫設(shè)備之間的通信，與條碼、磁卡等早期或同期識(shí)別技術(shù)相比，具有工作距離大、無接觸、信息處理速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以這種高技術(shù)產(chǎn)品除應(yīng)用在機(jī)密、金融產(chǎn)品中，還可以廣泛應(yīng)用在家用電器、身份證明控制、防盜報(bào)警、電子防偽標(biāo)簽、動(dòng)物耳標(biāo)分類等領(lǐng)域。本文以工作頻率為13．56MHz的BL75R06SM無線射頻識(shí)別芯片為例，介紹無線射頻卡的優(yōu)點(diǎn)、基本組成、工作原理和應(yīng)用。

    1 無線射頻卡的優(yōu)點(diǎn) 

    無線射頻識(shí)別技術(shù)簡稱RFID(Radio Frequency Identification)，是非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和電磁的空間耦合、傳播的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)物體的自動(dòng)識(shí)別，是一種綜合多學(xué)科、多技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)。無線IC卡，又稱方便卡、雷達(dá)卡、感應(yīng)卡、非接觸卡、RF卡、魔術(shù)卡、射頻卡、聰明卡，它將無線射頻識(shí)別技術(shù)與IC卡技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，解決了無源(卡內(nèi)無電源)和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。它具有以下優(yōu)點(diǎn)： 

    (1)無線IC卡具有高可靠性。它與讀寫器之間無機(jī)械接觸，避免了由于接觸讀寫器而產(chǎn)生的各種故障。例如，粗暴插卡，非卡外物插入，灰塵或油污導(dǎo)致錯(cuò)讀卡或接觸不良等。 

    (2)因IC卡表面無裸露的芯片，無須擔(dān)心芯片脫落、靜電擊穿、彎曲損壞等問題。 

    (3)操作方便。它在距讀寫器30~200mm的范圍內(nèi)晃動(dòng)小于10ms的時(shí)間，就可以與讀寫器雙向交易，因此，放把公交卡放在錢包里的仍可交易。
 
    (4)交易速度快。它內(nèi)部有快速防沖突機(jī)制，能防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，其讀寫時(shí)間小于10ms，經(jīng)認(rèn)證、交易的時(shí)間也小于100ms。 

    (5)加密性能好。其芯片內(nèi)設(shè)有64bit的資料數(shù)據(jù)，包含又一個(gè)9bit的標(biāo)題、40bit的資料數(shù)據(jù)內(nèi)容和14bit校驗(yàn)位以及一個(gè)停止位，它的序列號(hào)是唯一的，制造廠家的芯片出廠前已將此序列號(hào)固化，一經(jīng)固化不能再修改。IC卡和讀寫器之間采用雙向驗(yàn)證機(jī)制，即讀寫器驗(yàn)證IC卡的合法性，非法卡無法進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行交易，具有很強(qiáng)的安全性、保密性和使用性。

    2 BL75R06的功能特點(diǎn) 

    BL75R06SM是一款8kbE2PROM的非接觸加密存儲(chǔ)IC卡芯片，由射頻通信接口、數(shù)字邏輯控制模塊(包括安全控制單元)和8kb的E2PROM存儲(chǔ)器三部分集成在一個(gè)Die上組成。圖1是BL75R06的內(nèi)部拓樸結(jié)構(gòu)。該芯片在應(yīng)用時(shí)直接連接在由線圈組成的天線，用來進(jìn)行無線傳輸，讀寫距離為10cm。 

    射頻通信接口部分由與天線導(dǎo)入的射頻通信接口、整流、穩(wěn)壓、調(diào)制／解調(diào)器、上電復(fù)位和時(shí)鐘等部分組成；數(shù)字邏輯控制模塊由要求應(yīng)答、防沖突、應(yīng)用選擇、認(rèn)證和訪問控制、控制和算術(shù)單元、RAM、ROM、密碼單元等部分組成；E2PROM存儲(chǔ)器部分由接口和8kb的E2PROM存儲(chǔ)器組成。 

    BL75R06的RF接口符合ISO／IECl4443TypeA要求，芯片無需電池，接收讀卡器發(fā)射的能量即能激活，無線回傳芯片內(nèi)的ID號(hào)碼和所需信息數(shù)據(jù)；操作距離可達(dá)10cm，當(dāng)然，其距離與天線的幾何形狀和效率有關(guān)；工作頻率為13．56MHz；數(shù)據(jù)傳輸率為106kbps；16位CRC校驗(yàn)、奇偶校驗(yàn)、位編碼、位計(jì)數(shù)等確保傳輸數(shù)據(jù)的完整性和可靠性；典型交易時(shí)間，包括備份管理時(shí)間小于100ms。E2PROM分成16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)分成4塊，每塊16字節(jié)；每個(gè)存儲(chǔ)塊的訪問條件可由客戶自己定義；數(shù)據(jù)保持時(shí)間最少10年；擦寫次數(shù)最少10萬個(gè)周期。 

    BL75R06支持IS014443TypeA射頻接口和支持PHILIPS標(biāo)準(zhǔn)讀卡器芯片。

    3 IC卡的主要架構(gòu)與安全體系 

    IC卡主要采用類似印刷電路板腐蝕成型的銅簿環(huán)狀天線和綁定在其上的裸芯片(見圖2)構(gòu)成，外加卡的兩面彩塑封裝。 

    IC卡的天線形狀和匝數(shù)與工作頻率有關(guān)，既要有精確的計(jì)算，也需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累，以及與芯片的匹配。在原始設(shè)計(jì)時(shí)需要用網(wǎng)絡(luò)分析儀來驗(yàn)證和調(diào)整天線的幾何圖形及網(wǎng)絡(luò)匹配。

    為了提供高安全等級(jí)，BL75R06采用了符合ISO／IECDIS9798—2協(xié)議的三重相互認(rèn)證體制：
    (1)讀卡器先確定要訪問的扇區(qū)，然后選擇密鑰A或密鑰B；
    (2)第一重是卡從扇區(qū)的Trailer塊讀出密鑰和訪問條件，發(fā)送一個(gè)隨機(jī)數(shù)給讀卡器：
    (3)第二重是讀卡器用密鑰和附加的輸入計(jì)算卡的響應(yīng)，然后向卡發(fā)送一個(gè)響應(yīng)和另一個(gè)隨機(jī)數(shù)；
    (4)第三重是卡驗(yàn)證讀卡器的響應(yīng)，然后計(jì)算一個(gè)響應(yīng)，發(fā)給讀卡器；
    (5)讀卡器再驗(yàn)證卡的響應(yīng)；
    執(zhí)行完以上步驟，再發(fā)送第一個(gè)隨機(jī)數(shù)后，卡和讀卡器的通信就都是加密的了。

    4 通信工作原理 

    射頻識(shí)別(RFID)是無線電頻率識(shí)別的簡稱，即通過無線電波進(jìn)行識(shí)別處理。射頻識(shí)別系統(tǒng)通常由讀卡器(閱讀器)和應(yīng)答器(卡)兩部分組成，基本組成見圖3。讀卡器也稱非接觸式IC卡讀寫終端，一般由電源、微處理器、天線板等組成，通過外圍接口與計(jì)算機(jī)相連。應(yīng)答器是一種非接觸卡，在應(yīng)答器內(nèi)有感應(yīng)線圈(天線)及用于存儲(chǔ)有關(guān)應(yīng)用標(biāo)識(shí)信息的存儲(chǔ)器，該卡自身不帶電源，當(dāng)卡進(jìn)入閱讀器的電磁場(chǎng)范圍時(shí)，便可通過耦合無線電波的能量，并經(jīng)整流穩(wěn)壓后獲得工作電源。 

    無線射頻卡的工作過程為： 

    (1)讀卡器不斷向周圍發(fā)一組固定頻率為13．56MH2的電磁波。 

    (2)帶有BL75R06芯片的無線射頻卡的天線串聯(lián)諧振頻率與讀卡器發(fā)送信號(hào)的頻率相同，當(dāng)它進(jìn)入讀卡器的工作區(qū)域內(nèi)，在電磁激勵(lì)下，諧振電路產(chǎn)生共振。 

    (3)共振使卡內(nèi)的電容有了負(fù)荷，在電容的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2V時(shí)，此電容可作為電源為集成電路提供工作電壓。 

    (4)BL75R06芯片通過天線與讀卡器進(jìn)行交互，由讀卡器發(fā)送命令，通過BL75R06內(nèi)部的數(shù)字邏輯控制模塊，根據(jù)要訪問的相應(yīng)扇區(qū)的訪問控制條件來決定命令的可操作性，并發(fā)送相應(yīng)的信息或數(shù)據(jù)。 

    (5)讀卡器向工作區(qū)射頻場(chǎng)內(nèi)所有的卡發(fā)送請(qǐng)求響應(yīng)的命令，智能卡在上電后，根據(jù)IS0／IECl4443A協(xié)議的ATQA，可以響應(yīng)請(qǐng)求命令。在防沖突循環(huán)過程中，讀卡器讀出卡的ID序列號(hào)，如讀卡器在其工作范圍內(nèi)有幾張卡時(shí)，可通過唯一的卡ID序列號(hào)來識(shí)別，并選中其中一張卡作為下一步操作的對(duì)象，沒被選中的卡返回到待命模式，等待下一個(gè)請(qǐng)求命令。 

    (6)讀卡器發(fā)出選卡命令后，選中一張卡來認(rèn)證并對(duì)相關(guān)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作，卡返回ATS代碼，該代碼表示被選中卡的類型?？ㄟx中后，讀卡器根據(jù)要訪問的存儲(chǔ)器位置，采用響應(yīng)的密匙來進(jìn)行三重相互認(rèn)證過程，認(rèn)證通過后，對(duì)存儲(chǔ)器的操作都是加密的。在認(rèn)證通過后即進(jìn)行讀塊、寫塊、加、減、恢復(fù)、轉(zhuǎn)移、終止的操作。加是將塊中的內(nèi)容加上一個(gè)值，并把結(jié)果保存到一個(gè)臨時(shí)的數(shù)據(jù)寄存器中；減是將塊中的內(nèi)容減去一個(gè)值，并把結(jié)果保存到一個(gè)臨時(shí)的數(shù)據(jù)寄存器中；恢復(fù)是將塊中內(nèi)容移到臨時(shí)的數(shù)據(jù)寄存器中；轉(zhuǎn)移是將臨時(shí)寄存器中的內(nèi)容寫到指定的塊中。讀卡器和智能卡的無線通信是采用信息塊的16位CRC，以及對(duì)每個(gè)字節(jié)帶一個(gè)奇偶校驗(yàn)位來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘?。讀卡器和智能卡通信工作交易流程如圖4所示。 

    5 無線射頻卡的廣泛應(yīng)用 

    無線射頻卡工作在近場(chǎng)距離內(nèi)，通過智能卡天線和讀卡器天線的電感耦合(一種類似變壓器的耦合)的方式從發(fā)射天線上獲取能量和下行指令，用負(fù)載調(diào)制(LoadModulation)的方法向讀卡器返回?cái)?shù)據(jù)，并且當(dāng)工作頻率越高，讀卡器和卡之間的通訊速度就越快，系統(tǒng)的工作時(shí)間就越短。 

    近年來，13．56MHz的RFID無線射頻卡正在越來越多地贏得各種智能卡、消費(fèi)卡、題材卡的市場(chǎng)。購物卡、校園卡、網(wǎng)吧卡、電話卡、加油卡、停車卡、公交卡、門禁卡等已與人們的生活發(fā)生親密接觸，主要適用于各種證件、電子錢包、自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)和公共交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)等領(lǐng)域，成為人們不可缺一的電子錢包和身份識(shí)別重要證件。該芯片支持IS014443 TypeA射頻接口，支持PHILIPS標(biāo)準(zhǔn)讀卡機(jī)芯片。近距離非接觸卡的廣泛應(yīng)用使得金卡市場(chǎng)由接觸式向近距離的非接觸式過渡，預(yù)計(jì)13．56MHz的RFID近距離非接觸卡市場(chǎng)將有飛快的增長。