rfid實驗箱實驗指導書

1、參考廣州飛瑞敖電子科技有限公司RFID實驗箱實驗指導書廣州飛瑞敖電子科技有限公司實驗一 開發(fā)環(huán)境的搭建及硬件測試實驗3一、實驗目的3二、實驗設(shè)備3三、實驗原理3四、實驗步驟3實驗二 LF低頻RFID實驗7一、實驗目的7二、實驗設(shè)備7三、實驗原理7四、實驗過程10實驗三、HF高頻RFID通信協(xié)議16一、 實驗目的16二、 實驗設(shè)備16三、 實驗原理16四、 實驗步驟24實驗四 UHF特高頻RFID實驗28一、 實驗目的28二、 實驗設(shè)備28三、 實驗原理28四、 實驗步驟34實驗五 2.4G有源RFID低功耗實驗40一、 實驗目的40二、 實驗設(shè)備40三、 實驗原理40四、 實驗步驟43實驗六

2、HF高頻RFID應用49一、 實驗目的49二、 實驗設(shè)備49三、 實驗原理49四、 實驗步驟49實驗七 2.4G 人員定位實驗55一、 實驗目的55二、 實驗設(shè)備55三、 實驗原理55四、 實驗步驟56實驗一 開發(fā)環(huán)境的搭建及硬件測試實驗一、實驗目的1.1 Keil開發(fā)環(huán)境的安裝1.2 掌握Keil開發(fā)環(huán)境的使用1.3 掌握STM32單片機固件的燒寫方式二、實驗設(shè)備硬件：RFID實驗箱套件，電腦等。軟件：Keil三、實驗原理本實驗箱使用基于Cortex-M3體系的STM32F103VET6單片機作為主控CPU，運行相應的程序，它通過GPIO可以控制實驗箱上的其它組件(數(shù)碼管，矩陣鍵盤，LED流

3、水燈、LCD液晶屏等)。STM32F103VET6單片機有兩路UART通信接口，其中UART1經(jīng)由MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片與實驗箱上的UART-STM32 DB9串口相連負責和上位機進行通信。而UART2與實驗箱上的SWICH鏈路選擇芯片組相連，通過PD12和PD13兩個管腳進行鏈路選擇，并最終和相對應的RFID模塊進行通信。更詳細的原理圖請參考配套光盤附件實驗箱原理圖 目錄下的文檔。本實驗熟悉和學習Keil開發(fā)環(huán)境，下載相應的程序到STM32F103VET6上，并對實驗箱上的硬件進行檢測。在之后的實驗中，將會詳細的講解STM32F103VET6單片機是如何控制各個組件并且如何和不同的RFID

4、模塊進行通信的。四、實驗步驟 4.1 安裝光盤應用程序JLINK 驅(qū)動安裝下的JLink驅(qū)動。安裝完成后，使用實驗箱內(nèi)的Jlink仿真器將PC機的USB接口和RFID實驗箱上液晶屏下方的20pin JTAG接口相連，如果PC能夠檢測到JLink則驅(qū)動安裝成功否則請從新安裝驅(qū)動。4.2 安裝光盤應用程序STM32芯片開發(fā)環(huán)境下的MDK414.exe軟件(既KeilVersion4)。4.3 打開keiluVision4開發(fā)環(huán)境(注：請在網(wǎng)上搜索破解方法)，界面如圖1.1。圖1.1 開發(fā)環(huán)境界面4.4 打開測試工程，路徑為光盤源代碼測試程序 APP下的工程文件。如圖 1.2 及1.3。圖 1.2

5、打開工程圖1.3 打開工程4.5 編譯源文件，生成hex文件，如圖 1.4。圖 1.4 編譯工程4.6 燒寫可執(zhí)行文件，如圖1.5。圖 1.5 燒寫可執(zhí)行文件。燒寫完成后可觀察實驗箱。4.7 本次程序使用了實驗箱硬件測試程序，請根據(jù)光盤附件測試說明文檔測試說明文檔 來測試RFID實驗箱的各個硬件是否正常工作。實驗二 LF低頻RFID實驗一、實驗目的1.1 了解ID卡內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)1.2 掌握符合ISO 18000-2標準的無源ID卡識別系統(tǒng)的工作原理1.3 掌握符合ISO 18000-2標準的無源ID卡識別系統(tǒng)的工作流程1.4 掌握本平臺ID模塊的操作過程二、實驗設(shè)備硬件：RFID實驗箱套件，電

6、腦等。軟件：Keil，串口調(diào)試助手。三、實驗原理3.1 低頻RFID系統(tǒng)與ID卡低頻RFID系統(tǒng)讀卡器的工作頻率范圍一般從120KHz到134KHz。該頻段的波長大約為2500m，除了金屬材料影響外，一般低頻能夠穿過任意材料的物品而不降低它的讀取距離。低頻RFID系統(tǒng)使用ID卡，全稱為身份識別卡(Identification Card)，作為其電子標簽。ID卡是一種不可寫入的感應卡，其內(nèi)部唯一存儲的數(shù)據(jù)是一個固定的ID卡編號，其記錄內(nèi)容(卡號)是由芯片生產(chǎn)廠商封卡出廠前一次性寫入，封卡后不能更改，開發(fā)商只可讀出卡號加以利用。ID卡與我們通常使用磁卡一樣，僅僅使用了“卡的號碼”而已，卡內(nèi)除了卡號

7、外，無任何保密功能，其“卡號”是公開、裸露的。目前市場上主要有臺灣SYRIS的EM、美國HID、TI、MOTOROLA等各類ID卡。本實驗平臺使用EM系列ID卡，它符合ISO 18000-2標準，工作頻率為125KHZ，后續(xù)的講解也圍繞這種標簽展開。ID 標簽中保存的唯一數(shù)據(jù)標簽標識符（UID）以 64 位唯一識別符來識別。UID 由標簽制造商永久設(shè)置，符合 ISO/IECDTR15693。UID 使每一個標簽都唯一、獨立的編號。UID 包含（圖2.1）：l 固定的8位分配級“EO”l 根據(jù)ISO/IEC 7816-6/AM1定義的8位IC制造商代碼l 由IC制造商指定的唯一48位制造商序列號

8、MSN圖2.1 UID結(jié)構(gòu)圖3.2 ISO18000-2 標準實驗平臺的低頻ID模塊符合ISO18000-2標準。詢問器載波頻率為125KHZ。ISO18000-2標準中規(guī)定了基本的空中接口的基本標準：l 詢問器到標簽之間的通信采用脈沖間隔編碼；l 標簽與詢問器之間通過電感性耦合進行通信，當詢問器以標準指令的形式訪問標簽時載波需加載一個4K位/秒曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)信號；l 調(diào)制采用ASK調(diào)制，調(diào)制指數(shù)100%； 在實際通信系統(tǒng)中，很多系統(tǒng)都不能直接傳送基帶信號，必須用基帶信號對載波波形的某些參量進行控制，是載波的這些參量隨基帶信號的變化而變化。由于正弦信號形式簡單，便于產(chǎn)生和接收，大多數(shù)數(shù)字通信

9、系統(tǒng)中都采用正弦信號作為載波，即正弦波調(diào)制。數(shù)字調(diào)制技術(shù)是用載波信號的某些離散狀態(tài)來表示所傳送的信息，在接收端也只要對載波信號的離散調(diào)制參量進行檢測。數(shù)字調(diào)制方式，一般有振幅鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)和移相鍵控(PSK)三種基本調(diào)制方式，如圖2.2所示：圖 2.2 數(shù)字調(diào)試方式在二進制振幅鍵控(ASK)方式下，當基帶信號的值為1時，載波幅度為u1；當基帶信號的值為0時，載波幅度為u2。定義調(diào)制系數(shù)為 M=(u1-u2)/(u1+u2),當u2為0時，調(diào)制系數(shù)m=100%。圖 2.3 振幅鍵控調(diào)制l 射頻工作區(qū)的載波頻率125KHz；l 工作頻率精度0.1kHz之內(nèi)；l 標簽以64位唯一

10、識別符來唯一識別；更多內(nèi)容參考ISO 18000-2。3.3 低頻RFID系統(tǒng)讀卡器本實驗平臺使用EM系列ID卡，符合ISO 18000-2標準，工作頻率為125KHZ，經(jīng)讀卡器譯碼后輸出其十位十進制卡號。圖2.4是ID卡及其讀卡器的工作原理框圖,其中上半部分是ID卡的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu);下半部分是ID讀卡器的組成結(jié)構(gòu)。ID卡的天線與其讀卡器的天線之間構(gòu)成空間耦合“變壓器”,讀卡器天線作為“變壓器”初級線圈向空間發(fā)射125KHz的交變電磁場,進入該電磁場的ID卡通過其天線(“變壓器”的次級線圈)獲取能量,為其內(nèi)部各功能部件提供工作電壓。由于ID卡為只讀型RFID卡,讀卡器無須向ID卡發(fā)送任何數(shù)據(jù)或指

11、令,一旦ID卡進入讀卡器有效的工作區(qū)域內(nèi),其內(nèi)部功能部件就開始工作,時序發(fā)生器部件控制存儲器陣列和數(shù)據(jù)編碼單元將其內(nèi)部的64位信息調(diào)制后按順序發(fā)送給讀卡器,其中調(diào)制方式為ASK(移幅鍵控)調(diào)制。圖2.4 ID卡及讀卡器的組成結(jié)構(gòu)讀卡器中的4MHz振蕩源經(jīng)過32分頻后得到125kHz的基準頻率信號,該頻率一方面為讀卡器發(fā)射125kHz的交變電磁場提供工作時鐘,另一方面為讀卡器中微控制器解碼提供基準時鐘.當讀卡器的工作區(qū)域內(nèi)沒有ID卡時,讀卡器的檢波電路沒有輸出,一旦有ID卡進入交變電磁場并將其曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)信息調(diào)制后發(fā)送出來,讀卡器的濾波電路、解調(diào)電路、檢波電路和整形單元將調(diào)制在125kHz

12、頻率信號中的采用曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)信息解調(diào)還原,微控制器接收到曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)信息后利用軟件解碼,從而讀取ID卡的64位數(shù)據(jù)信息。ID卡內(nèi)部的曼徹斯特編碼和原始數(shù)據(jù)信息關(guān)系見圖2.5。曼徹斯特編碼采用下降沿表示1采用上升沿表示0。讀卡器的微控制器軟件的主要功能就是對從ID卡接收到的曼徹斯特編碼進行解碼,得到ID卡內(nèi)部的64位數(shù)據(jù)信息,然后進行CRC校驗,如果校驗成功,那么就完成了一次讀卡過程。圖 2.5 曼徹斯特編碼和原始數(shù)據(jù)信息關(guān)系低頻RFID系統(tǒng)工作流程如下：1) 讀卡器將載波信號經(jīng)天線向外發(fā)送；2) 標簽中的電感線圈和電容組成的諧振回路接收讀卡器發(fā)射的載波信號，標簽中芯片的射頻接口模塊由

13、此信號產(chǎn)生出電源電壓、復位信號及系統(tǒng)時鐘，使芯片“激活”；3) 標簽中的芯片將標簽內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)經(jīng)曼徹斯特編碼后，控制調(diào)制器上的開關(guān)電流調(diào)制到載波上，通過標簽上天線回送給閱讀器；4) 閱讀器對接收到的標簽回送信號進行進行ASK解調(diào)、解碼后就得到了標簽的UID號，然后應用系統(tǒng)利用該UID號完成相關(guān)的操作。簡述上面的過程，我們可以把低頻RFID讀卡器的功能減單描述為：讀取相關(guān)ID卡卡號，并把該卡號發(fā)送到應用系統(tǒng)上層，由上層系統(tǒng)完成相關(guān)數(shù)據(jù)信息的處理。由于ID卡卡內(nèi)無內(nèi)容，故其卡片持有者的權(quán)限、系統(tǒng)功能操作要完全依賴于上層計算機網(wǎng)絡平臺數(shù)據(jù)庫的支持。四、實驗過程實驗相關(guān)的工程代碼文件地址：配套光盤源代

14、碼上位機開發(fā)用RFID-UARTRVMDK4.1 打開光盤源代碼上位機開發(fā)用RFID-UARTRVMDK工程目錄，編譯并燒寫到實驗箱，將實驗箱上的UART-STM串口與PC機相連，打開電源，打開串口助手(光盤應用程序串口助手)，按圖2.6所示信息配置串口參數(shù)。圖 2.6 串口參數(shù)配置4.2 將串口助手軟件的發(fā)送區(qū)選擇為十六進制發(fā)送，發(fā)送字節(jié)02 01，此時實驗箱上低頻模塊區(qū)域的紅色指示燈點亮，將ID卡置于低頻模塊區(qū)的線圈上方進行讀卡操作，串口助手軟件將會返回正確信息如圖2.7所示。圖 2.7 串口返回ID卡號4.3 固件程序功能及源碼解析。在該工程中，STM單片機內(nèi)的固件程序有兩個作用：A）

15、RFID模塊選擇功能。B） 上位機和射頻模塊之間通信數(shù)據(jù)的包裝和轉(zhuǎn)發(fā)。如電路原理圖2.8、2.9所示。STM單片機的PA2和PA3管腳（既UART2）和一個鏈路選擇開關(guān)芯片組(實驗箱PCB板上標示為SWITCH)相連，然后通過PD12和PD13兩路管腳進行鏈路選擇。鏈路選擇示意表如表1所示：PD12PD13通路描述低電平低電平UART2與RXD3TXD3形成通路，單片機與低頻模塊實現(xiàn)通信。低電平高電平UART2與RXD4TXD4形成通路，單片機與高頻模塊實現(xiàn)通信。高電平低電平UART2與RXD5TXD5形成通路，單片機與超高頻模塊實現(xiàn)通信。高電平高電平UART2與RXD6TXD6形成通路，單片

16、機與2.4GHz模塊實現(xiàn)通信。表1圖2.8圖2.9代碼段代碼1描述了如何實現(xiàn)的鏈路選擇。Hal.c#define SWTICH1_ON GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12); #拉高PD12管腳#define SWTICH1_OFF GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12); #拉低PD12管腳#define SWTICH2_ON GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_13); #拉高PD13管腳#define SWTICH2_OFF GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_13);#拉低PD13

17、管腳Main.cvoid chose_id(void)/RxBuffer11內(nèi)存儲這從上位機(PC)機接收到的數(shù)據(jù)，STM32通過UART1與PC機通信，UART1從PC機收到的數(shù)據(jù)暫存到RxBuffer中，通過判斷RxBuffer中的第二個字節(jié)來判斷PC機要做的事情。switch(RxBuffer11) case 0x01:/當RxBuffer1=0x01時，上位機選擇與低頻RFID模塊通信，此時將PD12和PD13全部拉低。USART_Config(USART2, 9600); SWTICH_OFF; SWTICH1_OFF; SWTICH2_OFF; BEEP_ON; Delay(0xF

18、FFFF); BEEP_OFF; break; case 0x02:/當RxBuffer1=0x02時，上位機選擇與高頻RFID模塊通信，此時將PD12拉低、PD13拉高。USART_Config(USART2, 9600); SWTICH_OFF; SWTICH1_OFF; SWTICH2_ON; BEEP_ON; Delay(0xFFFFF); BEEP_OFF; break; case 0x03:/當RxBuffer1=0x03時，上位機選擇與特高頻RFID模塊通信，此時將PD12拉高、PD13拉低。USART_Config(USART2, 57600); SWTICH_OFF; SWT

19、ICH1_ON; SWTICH2_OFF; BEEP_ON; Delay(0xFFFFF); BEEP_OFF; break; case 0x04:/當RxBuffer1=0x04時，上位機選擇與2.4G RFID模塊通信，此時將PD12和PD13全部拉高。USART_Config(USART2, 9600); SWTICH_OFF; SWTICH1_ON; SWTICH2_ON; BEEP_ON; Delay(0xFFFFF); BEEP_OFF; break; case 0x05:/當RxBuffer1=0x05時，此時上位機有話要跟它已經(jīng)選擇好的模塊說（既上位機和RFID模塊之間的通信協(xié)

20、議），此時STM32單片機只是起到了一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。 USART2_Puts(&RxBuffer12); break; default: break; 通過上面源碼中的注釋部分，已經(jīng)可以了解到，RxBuffer1這個字節(jié)相當于一個功能碼，它描述了上位機想要做的事情，那RxBuffer0這個字節(jié)的作用是什么呢？這個字節(jié)值代表的是上位機發(fā)送給STM單片機的一條指令的總長度。至此，就不再難以理解4.2節(jié)中上位機發(fā)給實驗箱單片機0x02 0x01這條指令的意義了，0x02指的是指令的長度是兩個字節(jié)，0x01告訴單片機它想和低頻RFID模塊通信。建立了STM的UART2和低頻讀卡器模塊的通路

21、同時，選擇鏈路芯片組為低頻模塊供電，使其處于主動監(jiān)聽的工作狀態(tài)，此時只需從UART2端口接收數(shù)據(jù)并且發(fā)送至UART1（與STM_UART相連）最終傳送給上位機，這一過程是在中斷函數(shù)中完成的，代碼如下：Stm32f10x_it.cvoid USART2_IRQHandler(void)uint8_t tmp;if(USART_GetITStatus(USART2, USART_IT_RXNE) != RESET) /判斷讀寄存器是否非空 tmp = USART_ReceiveData(USART2);USART_SendData(USART1, tmp); if(USART_GetITStatu

22、s(USART2, USART_IT_TXE) != RESET) /這段是為了避免STM32 USART 第一個字節(jié)發(fā)不出去的BUG USART_ITConfig(USART2, USART_IT_TXE, DISABLE); /禁止發(fā)緩沖器空中斷， 4.4仔細閱讀和理解該工程中的相關(guān)代碼，理解并聯(lián)系鏈路選擇芯片組的使用和串口通信管腳的使用。實驗三、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(shè)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 3.1 高頻RFI

23、D系統(tǒng)典型的高頻HF（13.56MHz）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

24、，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3.1所示。圖 3.1 IC卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖較常見的高頻RFID應用系統(tǒng)如圖3.2所示，IC卡通過電感耦合的方式從讀卡器處獲得能量。圖 3.2 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 3.3)，其諧振頻率與讀寫器發(fā)出的頻率相同，這樣當標

25、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 3.3 IC卡功能結(jié)構(gòu)圖3.2 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3.4 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P

26、ICC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(shù)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3.5所示。圖3.5 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13.56MHZ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(guān)處理，包括選卡、防沖突等

27、。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3.6所示：圖 3.6 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。

28、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(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（

29、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，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)93.3 ISO 14443協(xié)議標準簡介ISO 14443協(xié)議是超短距離智慧

30、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）

31、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13.56MHzl 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13.56MHz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

32、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 3.7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)不包括在內(nèi)。圖 3.7 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 STA

33、TE)：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PICC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（

34、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)。3.4 高頻系統(tǒng)讀寫器3.4.1 通信流程高頻RFID系統(tǒng)讀寫器與IC卡通信過程如圖3.8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

35、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(shè)計細節(jié)可參考相關(guān)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

36、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3.8 讀卡器與IC通訊流程3.4.2 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3.9，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3.9 UID結(jié)構(gòu)

37、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SELEC

38、T命令執(zhí)行防沖突循環(huán)操作，命令格式如下所示：3.5 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、2.4GRFID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 K

39、ey0 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) 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:0

40、xA2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.修改密碼 0F A3 Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5 Kn New0 New1 New2 New3 New4 New5 .例:0x

41、A3為修改密碼標志。該卡原密碼A為16進制:FF FF FF FF FF FF 對應Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5；要修改的密碼塊數(shù)為第7塊 即 Kn=7；(密碼保存在扇區(qū)尾塊,分別為7,11,15,19.)要修改成的密碼為 20 10 20 11 20 12 對應New0 New1 New2 New3 New4 New5則發(fā)送:0F A3 FF FF FF FF FF FF 07 20 10 20 11 20 12.注意事項：不建議用戶修改卡的密碼，四、 實驗步驟4.1 打開光盤源代碼上位機開發(fā)用RFID-UARTRVMDK工程目錄，編譯并燒寫到實驗箱，將實驗箱上

42、的UART-STM串口與PC機相連，打開電源，打開串口助手(光盤應用程序串口助手)，并正確配置串口參數(shù)。可以發(fā)現(xiàn)此步與實驗2中的4.1節(jié)相同，它們用的是同一個STM固件程序。4.2 讀卡號操作。在串口助手中選擇十六進制發(fā)送字節(jié)0x02 0x02，選擇與高頻RFID通信，此時高頻RFID區(qū)的紅色LED變亮。將顯示區(qū)選擇為十六進制顯示，發(fā)送字節(jié)0x04 0x05 0x02 0xA0，并進行高頻標簽的刷卡操作，觀察是否有數(shù)據(jù)返回，如圖3.11所示。在3.5節(jié)中介紹，高頻RFID的讀卡指令(協(xié)議)為0x02 0xA0，但是此時為什么發(fā)送的是0x04 0x05 0x02 0xA0呢？正如實驗二中所介紹的

43、，0x04 0x05這兩個字節(jié)上位機說給STM單片機聽的，它的意思是我這條指令一共4個字節(jié)(0x)，它的用處是一個和RFID模塊的通信指令(0x05),STM單片機收到后，首先檢測它收到的數(shù)據(jù)確實是4個，并且知道了0x02 0xa0是上位機要給某個RFID模塊的，于是STM單片機就將這兩個字節(jié)通過UART2口傳給了真正能讀懂它(0x02 0xa0)的RFID模塊。（再次之前已經(jīng)完成了模塊的選擇了。）圖3.114.3 讀數(shù)據(jù)操作。在串口助手發(fā)送區(qū)發(fā)送十六進制字符串0b 05 09 A1 ff ff ff ff ff ff 04，觀察返回值，并解析0b 05 09 A1 ff ff ff ff f

44、f ff 04這條指令的意義。實例如圖3.12所示。圖 3.12返回塊4數(shù)據(jù)4.4 請同學根據(jù)現(xiàn)在所學到的內(nèi)容，自行完成寫卡操作，在完成寫卡后，再次讀卡，觀察是否正確寫入信息。4.5 細心的同學可能已經(jīng)觀察到了，上位機和高頻RFID模塊間的通信協(xié)議和我們自定義的STM上的協(xié)議非常類似，也是第一個字節(jié)代表了整個指令的長度，第二個字節(jié)是功能嗎。例如讀卡號的指令02 A0, 其中02代表了這條指令的長度，而A0則說明上位機想要做的事是讀卡號。 而在我們的實驗中04 05 02 A0則是指令(協(xié)議)中包含了指令（協(xié)議）。其中04 05是上位機和STM單片機之間的協(xié)議指令，而02 A0則是上位機和高頻R

45、FID模塊間的協(xié)議指令。4.6 將實驗箱配套的串口模塊插在高頻區(qū)的4pin插槽上，將PC機和串口模塊相連，如圖3.13,3.14所示。此時在打開串口助手，設(shè)置波特率為9600-8-N-1，再次發(fā)送指令02 A0并刷卡，依然會有正確的卡號返回，這是因為此時上位機適合高頻模塊直接通信了，不再通過STM單片機了，也就不需要發(fā)送它和STM單片機之間的協(xié)議指令了。圖3.13圖3.14實驗四 UHF特高頻RFID實驗一、 實驗目的1.1 掌握UHF特高頻通訊原理1.2 掌握UHF特高頻通訊協(xié)議1.3 掌握讀卡器操作流程1.4 了解UHF特高頻應用二、 實驗設(shè)備硬件：RFID實驗箱套件，電腦等。軟件：Kei

46、l。三、 實驗原理3.1特高頻RIFD系統(tǒng)典型的特高頻UHF（Ultra-High Frequency）RFID系統(tǒng)包括閱讀器（Reader）和電子標簽（Tag，也稱應答器Responder）。其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖4.1所示。工作步驟如下：閱讀器發(fā)射電磁波到標簽；標簽從電磁波中提取工作所需要的能量；標簽使用內(nèi)部集成電路芯片存儲的數(shù)據(jù)調(diào)制并反向散射一部分電磁波到閱讀器；閱讀器接收反向散射電磁波信號并解調(diào)以獲得標簽的數(shù)據(jù)信息。電子標簽通過反向散射調(diào)制技術(shù)給讀寫器發(fā)送信息。反向散射技術(shù)是一種無源RFID電子標簽將數(shù)據(jù)發(fā)回讀寫器時所采用的通信方式。根據(jù)要發(fā)送的數(shù)據(jù)的不同，通過控制電子標簽的天線阻抗，使得

47、反射的載波幅度產(chǎn)生微小的變化，這樣反射的回波就攜帶了所需的傳送數(shù)據(jù)。控制電子標簽天線阻抗的方法有很多，都是基于一種稱為“阻抗開關(guān)”的方法，即通過數(shù)據(jù)變化來控制負載電阻的接通和斷開，那么這些數(shù)據(jù)就能夠從標簽傳輸?shù)阶x寫器。讀寫器 天線 Tag圖 4.1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3.2電子標簽存儲結(jié)構(gòu)特高頻標簽的工作頻率在860MHz960MHz之間，可分為有源標簽與無源標簽兩類。工作時，射頻標簽位于閱讀器天線輻射場的遠場區(qū)內(nèi)，標簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線輻射場為無源標簽提供射頻能量，將無源標簽喚醒。目前UHF頻段的標簽芯片制造商主要有Alien、IMPINJ、TI、NXP、S

48、TM等，標簽制造商通過設(shè)計天線并制作封裝而生產(chǎn)出標簽。標簽的封裝是各種各樣，下圖4.2是幾種標簽的外形。不同廠商的標簽天線規(guī)格不同，同時天線的諧振頻率點也不完全相同，這樣當使用固定頻點的讀寫器讀一類標簽時的效果很好，而讀另一類標簽的效果卻會很差。電子標簽芯片中的存儲器EEPROM一般分為4個區(qū)，分別為保留內(nèi)存(Reserved區(qū))、EPC存儲器(EPC區(qū))、TID存儲器(TID區(qū))、用戶存儲器(USR區(qū)).有的標簽可能沒有USR區(qū)，而且標簽的EEPROM存儲器的大小會不同。比如有的標簽的TID是8字節(jié)，有的是10個字節(jié)，其它區(qū)也一樣。標簽內(nèi)部存儲器具體結(jié)構(gòu)如下圖4.3所示，4.2 幾種標簽外形

49、圖 4.3標簽內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu) l 保留內(nèi)存：保留內(nèi)存包含滅活口令(殺死口令)和訪問口令。滅活口令為存儲在保留內(nèi)存 00h 至 1Fh 的32 位數(shù)值，MSB 優(yōu)先，默認(未編程時)值為零。詢問機可以使用標簽的滅活口令滅活標簽，使其不對詢問機做任何響應。但如果標簽的滅活口令為零，則標簽不會執(zhí)行相關(guān)滅活操作?？赡苡行撕灈]有保留內(nèi)存區(qū)，不含有滅活口令。對這類標簽操作時，可以認為其內(nèi)部有初始化為零值的滅活口令，且該口令被永久的讀鎖定和寫鎖定。訪問口令為存儲在保留內(nèi)存 20h 至 3Fh的 32 位數(shù)值，MSB 優(yōu)先，默認(未編程時)值為零。訪問口令非零的標簽在轉(zhuǎn)為保護狀態(tài)之前要求詢問機發(fā)出正確的訪問口

50、令。可能有些標簽沒有保留內(nèi)存區(qū)，不含有訪問口令。對這類標簽操作時，可以認為其內(nèi)部有初始化為零值的訪問口令，且該口令被永久的讀鎖定和寫鎖定。l EPC存儲器：EPC 存儲器包含在 00h 至 0Fh 存儲位置的 16 位 StoredCR在 10h 至 1Fh 存儲地址的協(xié)議控制字(StoredPC)和在 20h 開始的 EPC。有些標簽還包含地址從 210h 開始的長為一個或兩個字節(jié)的擴展協(xié)議控制字(XPC)。StoredCRC、StoredPC、EPC 應優(yōu)先存儲 MSB (EPC 的 MSB 應存儲在20的存儲位置）。StoredCRC 是標簽為了保護在盤存操作期間反向散射的 Stored

51、PC 位和 EPC 而使用的循環(huán)冗余碼校驗。上電后，表親啊計算EPC存儲器的末端，但必須直至StoredPC中的length field規(guī)定的EPC的末端），并將所有計算的CRC-16映射到EPC存儲器00h值1FH中，MSB優(yōu)先。StoredPC 被劃分成 10h 至 14h 存儲位置的 EPC 長度、15h 存儲位置的用戶存儲區(qū)標識(UMI）、16h 存儲位置的擴展協(xié)議控制字 XPC 標識(XI)和在 17h 至 1Fh 存儲位置的系統(tǒng)編號標識(NSI)。StoredPC 默認(未編程時)值為 0000h。l TID存儲器：TID 存儲器應包含 00h 至 07h 存儲位置的 8 位 IS

52、O/IEC 15963 分配類識別(E0h 或 E2h)。07h以上存儲位置的存儲值由分配類識別的不同而不同。但一般包含制造商號和標簽序號，同時還包含了足夠的信息以保證讀寫器對 TID 存儲區(qū)的正常操作。l 用戶存儲器：用戶存儲器允許存儲用戶指定數(shù)據(jù)。該存儲器組織為用戶定義。如果標簽用戶存儲器未被編程，則其第一個字節(jié)的低五位(存儲位置為 03h07h)應該為 0。注意所有存儲體的邏輯尋址均從零(00h)開始，在一個邏輯存儲體中的操作不應訪問另 一存儲體內(nèi)的存儲位置，物理內(nèi)存映象圖為提供商指定。訪問存儲器的命令需包含選擇存儲體類型的 MemBank 參數(shù)和以 EBV 格式選擇該存儲體內(nèi)特定存儲位

53、置的地址參數(shù)。更詳細內(nèi)容請參考EPC相關(guān)標準。3.3 UHF讀寫器協(xié)議標準3.3.1 標準簡介特高頻讀寫系統(tǒng)使用ISO18000-6c或EPC class1Generation2標準。讀寫器工作頻段是840Mhz960Mhz。本實驗平臺UHF模塊采用后者作為設(shè)計標準。EPC Class1 Generation2標準中規(guī)定高的空中接口的基本標準有：l 讀寫器發(fā)送命令編碼采用脈沖間隔編碼PIE（Pulse-Interval Encode）。它采用脈沖時間的長短來表示數(shù)據(jù)0或1。l 閱讀器到標簽的發(fā)射信號調(diào)制方式為DSB-ASK，SSB-ASK，或PR-ASK，調(diào)制深度最小為80%l 電子標簽返回信

54、號編碼方式FM0，Miller-2，Miller-4，或Miller-8l 電子標簽返回信號調(diào)制方式ASK或者PSK（由標簽芯片制造商決定）l 標準中還規(guī)定了整個讀寫標簽的時序，標簽的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖等。同時各國家根據(jù)其國情而規(guī)定了具體使用的頻段和有效的發(fā)射功率，在我國頻率使用的相關(guān)規(guī)定有：l 工作頻段840845Mhz和920925Mhzl 載波頻率容限20e-6l 信道帶寬（99%的能量）250Khzl 臨道功率泄露比為40dB（第一鄰道），60dB（第二鄰道）l 發(fā)射功率2WE 3.3.2 標簽狀態(tài)EPC Class1 Gen2標準中規(guī)定了使用的命令集，命令可以分為通用命令、可選命令、以及定制命令，比如Select，Query，QueryRep，Ack，Req_RN，Read，Write等。讀寫器可以發(fā)送不同的命令，標簽芯片根據(jù)接收到的不同命令轉(zhuǎn)換其狀態(tài)，標簽有7種狀態(tài)（圖4.4），Ready，Arbitrate，Reply，Acknowledge，Open，Secured，Killed。UHF讀寫器通過發(fā)送不同命令，讓標簽在這7種狀態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換。標簽在不同的狀態(tài)，會對寫器發(fā)出的相同命令有不同的反應，時序表現(xiàn)也不盡相同。例如在標簽進入了Open或Secured狀態(tài)后，無論等多長時間，發(fā)送訪問命令都會在這個狀態(tài)，而在其它狀態(tài)，會出現(xiàn)超時并進