實驗2、HF高頻RFID通訊協(xié)議

1、.實驗二、HF高頻RFID通信協(xié)議一、 實驗目的1.1 掌握高頻讀卡器的通訊協(xié)議1.2 掌握本平臺高頻模塊的操作過程1.3 掌握高頻模塊工作原理二、 實驗設備硬件：RFID實驗箱套件，電腦等。軟件：Keil，串口調(diào)試助手。三、 實驗原理 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）和電子標簽（Tag，也稱應答器Responder）。電子標簽通常選用非接觸式IC卡，全稱集成電路卡又稱智能卡，可讀寫，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)、消費系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、公交消費系統(tǒng)等。目前市場上

2、使用最多的是PHILIPS的Mifare系列IC卡。讀寫器(也稱為“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，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，同時接收來自卡的數(shù)據(jù)。此外，大多數(shù)非接觸式IC卡讀寫器都配有上傳接口，以便將所獲取的數(shù)據(jù)上傳給另外的系統(tǒng)(個人計算機、機器人控制裝置等)。IC卡由主控芯片ASIC（專用集成電路）和天線組成，標簽的天線只由線圈組成，很適合封狀到卡片中，常見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)圖較常見的高頻RFID應用系統(tǒng)如圖2.2所示，IC卡通過電感耦合的方式從讀卡

3、器處獲得能量。圖 2.2 常見高頻 RFID 應用系統(tǒng)組成下面以典型的IC卡MIARE 1為例，說明電子標簽獲得能量的整個過程。讀卡器向IC卡發(fā)送一組固定頻率的電磁波，標簽內(nèi)有一個LC串聯(lián)諧振電路(如圖 2.3)，其諧振頻率與讀寫器發(fā)出的頻率相同，這樣當標簽進入讀寫器范圍時便產(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單向通的電子泵，將電容內(nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)儲存，當儲存積累的電荷達到2V時，此電源可作為其他電路提供工作電壓，將標簽內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(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，各類IC卡特點及工作特性如圖1.4所示，PHILIPS的Mifare 1卡(簡稱M1卡)屬于PICC卡，該類卡的讀寫器可以稱為PCD。圖2.4 IC卡分類高頻RFID系統(tǒng)選用PICC類IC卡作為其電子標簽，這里以 Philips公司典型的PICC卡Mifare 1為例，詳細講解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技術已經(jīng)被制定為IS0 14443 TYPE A國際標準。本平臺選用用Mifare 1（S50）卡作為電子標簽，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。它可將讀寫器發(fā)出的12.5

5、6MHZ的無線電調(diào)制頻率接收，一方面送調(diào)制/解調(diào)模塊，另一方面進行波形轉(zhuǎn)換，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然后對其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對電壓進行進一步的處理，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接收到的數(shù)據(jù)進行相關處理，包括選卡、防沖突等。Mifare1卡片采取EEPROM作為存儲介質(zhì)，其內(nèi)部可以分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)由4塊組成，（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2.6所示：圖 2.6 MFI卡片存儲結(jié)構(gòu)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。其中：第 03 個字節(jié)為卡片的序列號；第4

6、個字節(jié)為序列號的校驗碼；第5個字節(jié)為卡片內(nèi)容“size”字節(jié)，第67個字節(jié)為卡片的類型字節(jié)。每個扇區(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)塊可作兩種應用：用作一般的數(shù)據(jù)保存，可以進行讀、寫操作。例如在食堂消費時采用輸入飯菜金額的方式扣款。用做數(shù)據(jù)值，可以進行初始化加值、減值、讀值操作。例如在食堂消費時對于定額套餐采用輸入餐號的方式加以扣款，又如公交/地鐵等行業(yè)的檢票/收費系統(tǒng)中的扣費。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 A5FF 07 80 69B0 B1 B2 B3 B4 B5其中其中 A0A5 代表密

7、碼 A 的六個字節(jié)；B0B5 代表密碼 B 的六個字節(jié)；FF 07 80 69 為四字節(jié)存取控制字的默認值，F(xiàn)F 為低字節(jié)。每個扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨立的，可以根據(jù)實際需要設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，在存取控制中每個塊都有相應的三個控制位，定義如下：塊 0：C10C20C30塊 1：C11C21C31塊 2：C12C22C32塊 3：C13C23C33三個控制位以正和反兩種形式存在于存取控制字節(jié)中，決定了該塊的訪問權(quán)限（如進行減值操作必須驗證 KEY A，進行加值操作必須驗證 KEY B

8、，等等）。三個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)議標準簡介ISO 14443協(xié)議是超短距離智慧卡標準，該標準定義出讀取距離7-15公分的短距離非接觸智能卡的功能及運作標準，ISO 14443 標準分為TYPE A和 TYPE B兩種。TYPE A 的產(chǎn)品具有更高的市場占有率，如Philips公司的MIFARE系列占有了當前約80%的市場，且在較為惡劣的工作環(huán)境下有很高的優(yōu)勢。而TYPE B在安全性、高速率和適應性方面有很好的前景，特別

9、適合于CPU卡。這里重點介紹MIFARE 1符合的ISO 14443 TYPE A標準。1) ISO 14443 TYPE A標準中規(guī)定的基本空中接口基本標準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)制工作場的值是1.5A/mrms（以Hmin表示），最大未調(diào)制工作場的值是7.5A/mrms (以Hmax表

10、示) ，鄰近卡應持續(xù)工作在Hmin和Hmax之間l PICC的能量是通過發(fā)送頻率為12.56MHz的閱讀器的交變磁場來提供。由閱讀器產(chǎn)生的磁場必須在1.5A/m-7.5A/m之間2) ISO 14443 TYPE A標準中規(guī)定的PICC標簽狀態(tài)集，讀卡器對進入其工作范圍的多張IC卡的有效命令有：l REQA：TYPE A請求命令l WAKE UP：喚醒命令l 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):在沒有提供足夠的載波能量的情況下，PICC不能對PCD發(fā)射的命令做出應答，也不能向PCD發(fā)送反射波；當PICC進入耦合場后，立即復位，進入閑置狀態(tài)。l 閑置狀態(tài)(IDLE STATE)：當PICC進入閑置狀態(tài)時，標簽已經(jīng)上電，能夠解調(diào)PCD發(fā)射的信號；當PICC接收到PCD發(fā)送的有效的REQA（對A型卡請求的應答）命令后，PICC將進入就緒狀態(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PICC標簽處于就緒狀態(tài)時，采用防沖突方法，用UID(惟一標識符)從多張P

12、ICC標簽中選擇出一張PICC；然后PCD發(fā)送含有UID的SEL命令，當PICC接收到有效的SEL命令時，PICC就進入激活狀態(tài)（ACTIVE STATE）。l 激活狀態(tài)（ACTIVE STATE）：在激活狀態(tài)下，PICC應該完成本次應用所要求的所有操作（例如，讀寫PICC內(nèi)部存儲器）；當處于激活狀態(tài)的PICC接收到有效的HALT命令后，PICC就立即進入停止狀態(tài)。l 停止狀態(tài)（HALT STATE）： PICC完成本次應用所有操作后，應進入停止狀態(tài)；當處于停止狀態(tài)的PICC接收到有效的WAKE_UP命令時，PICC立即進入就緒狀態(tài)。注意:當PICC處于停止狀態(tài)下時，在重新進入就緒狀態(tài)和激活狀

13、態(tài)后， PICC接受到相應命令，不在是進入閑置狀態(tài)，而是進入停止狀態(tài)。2.4 高頻系統(tǒng)讀寫器2.4.1 通信流程高頻RFID系統(tǒng)讀寫器與IC卡通信過程如圖2.8所示，主要步驟有：l 復位應答（Answer to request）：M1射頻卡的通訊協(xié)議和通訊波特率是定義好的，當有卡片進入讀寫器的操作范圍時，讀寫器以特定的協(xié)議與它通訊，從而確定該卡是否為M1射頻卡，即驗證卡片的卡型。l 防沖突機制(Anticollision Loop）：當有多張卡進入讀寫器操作范圍時，防沖突機制會從其中選擇一張進行操作，未選中的則處于空閑模式等待下一次選卡，該過程會返回被選卡的序列號。具體防沖突設計細節(jié)可參考相關

14、協(xié)議手冊。l 選擇卡片(Select Tag）選擇被選中的卡的序列號，并同時返回卡的容量代碼。l 三次互相確認(3 Pass Authentication）：選定要處理的卡片之后，讀寫器就確定要訪問的扇區(qū)號，并對該扇區(qū)密碼進行密碼校驗，在三次相互認證之后就可以通過加密流進行通訊（在選擇另一扇區(qū)時，則必須進行另一扇區(qū)密碼校驗）。l 對數(shù)據(jù)塊的操作：包括讀、寫、加、減、存儲、傳輸、終止。圖2.8 讀卡器與IC通訊流程2.4.2 防沖突當讀寫器讀寫范圍內(nèi)部有多張PICC標簽時，讀寫器利用各卡的UID(惟一標識符)從多張標簽中選擇出一張PICC標簽。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)封裝在幾個串聯(lián)級別中發(fā)送給讀卡器，每個串聯(lián)級別內(nèi)包含5個數(shù)據(jù)字節(jié)，其中包括3個或4個UID字節(jié)，見圖2.9，從圖可知PICC最多會發(fā)送三個串聯(lián)級別(串聯(lián)級別數(shù)又可以稱為UID大小)。圖2.9 UID結(jié)構(gòu)圖中CT為級聯(lián)信號，表示在下一級中還有UID；BCC為本級檢驗碼。由圖可知，PICC最多應處理3個串聯(lián)級別，以得到所有UID字節(jié)。閱讀器防沖突過程如下：1）首先由PCD發(fā)送REQA命令或WAKE UP命令，使卡進入READY狀態(tài)（參見標簽狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖）。這兩個命令的差別是：REQA命令使卡從IDLE狀態(tài)進入READY狀態(tài)，而WAKE UP命令使

16、卡從HALT狀態(tài)進入READY狀態(tài)。2）PICC接收到命令后，所有處在PCD電磁場范圍內(nèi)的PICC同步發(fā)出ATQA應答，說明本卡UID的大小(1、2或3)，之后進入READY狀態(tài)，執(zhí)行防沖突循環(huán)操作。3）PCD通過發(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 上位機與高頻RFID模塊間的通訊協(xié)議在LF低頻RFID實驗中，上位機和低頻RFID模塊之間沒有任何的協(xié)議通信，這是因為低頻RFID功能簡單，低頻RFID模塊只有一個工作狀態(tài)就是監(jiān)聽狀態(tài)，此時模塊只需將監(jiān)聽到的標簽數(shù)據(jù)傳給上位機即可。而高頻RFID以及之后將要學習的超高頻RFID、2.4GRF

17、ID模塊的功能就要多得多。除了簡單的讀卡外，還有寫入數(shù)據(jù)，修改密碼的功能，這就需要上位機和這些RFID模塊之間進行通信。以下便是上位機和高頻RFID之間的一些協(xié)議。以下數(shù)據(jù)均為16進制，第一字節(jié)表示此次發(fā)生的字節(jié)長度讀卡號 02 A0讀數(shù)據(jù) 09 A1 Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5 Kn.例:0xA1為讀數(shù)據(jù)標志。該卡密碼A為16進制:ff ff ff ff ff ff 對應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為寫數(shù)據(jù)標志。該卡密碼A為16進制:FF FF FF FF FF FF 對應Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5；要寫的塊數(shù)為第4塊 即 Kn=4；要寫的數(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、 實驗步驟4.1為實驗箱上電，將低頻模塊旁的S4 DB9選擇開關撥打至中間檔，此時，UART4號DB9接頭與節(jié)點2上的高頻模塊通信。4.2 將PC機的串口與UART4 DB9串口相連，在PC機上打開物聯(lián)網(wǎng)R