鄭州興邦：無(wú)線(xiàn)射頻卡的原理與應用
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：曹乃森 孫亞偉 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2009年12月15日
0 引言
IC卡在我們的日常生活中經(jīng)常見(jiàn)到，它的發(fā)展經(jīng)歷了接觸式存儲卡、加密卡，現正在向著(zhù)非接觸卡、CPU卡的方向發(fā)展。無(wú)線(xiàn)IC卡使用非接觸方式，它利用射頻技術(shù)實(shí)現射頻卡和讀寫(xiě)設備之間的通信，與條碼、磁卡等早期或同期識別技術(shù)相比，具有工作距離大、無(wú)接觸、信息處理速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以這種高技術(shù)產(chǎn)品除應用在機密、金融產(chǎn)品中，還可以廣泛應用在家用電器、身份證明控制、防盜報警、電子防偽標簽、動(dòng)物耳標分類(lèi)等領(lǐng)域。本文以工作頻率為13．56MHz的BL75R06SM無(wú)線(xiàn)射頻識別芯片為例，介紹無(wú)線(xiàn)射頻卡的優(yōu)點(diǎn)、基本組成、工作原理和應用。
1 無(wú)線(xiàn)射頻卡的優(yōu)點(diǎn)
無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)RFID(Radio Frequency Identification)，是非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和電磁的空間耦合、傳播的傳輸特性，實(shí)現對被識物體的自動(dòng)識別，是一種綜合多學(xué)科、多技術(shù)的應用技術(shù)。無(wú)線(xiàn)IC卡，又稱(chēng)方便卡、雷達卡、感應卡、非接觸卡、RF卡、魔術(shù)卡、射頻卡、聰明卡，它將無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)與IC卡技術(shù)有機結合起來(lái)，解決了無(wú)源(卡內無(wú)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(wú)線(xiàn)IC卡具有高可靠性。它與讀寫(xiě)器之間無(wú)機械接觸，避免了由于接觸讀寫(xiě)器而產(chǎn)生的各種故障。例如，粗暴插卡，非卡外物插入，灰塵或油污導致錯讀卡或接觸不良等。
(2)因IC卡表面無(wú)裸露的芯片，無(wú)須擔心芯片脫落、靜電擊穿、彎曲損壞等問(wèn)題。
(3)操作方便。它在距讀寫(xiě)器30~200mm的范圍內晃動(dòng)小于10ms的時(shí)間，就可以與讀寫(xiě)器雙向交易，因此，放把公交卡放在錢(qián)包里的仍可交易。
(4)交易速度快。它內部有快速防沖突機制，能防止卡片之間出現數據干擾，其讀寫(xiě)時(shí)間小于10ms，經(jīng)認證、交易的時(shí)間也小于100ms。
(5)加密性能好。其芯片內設有64bit的資料數據，包含又一個(gè)9bit的標題、40bit的資料數據內容和14bit校驗位以及一個(gè)停止位，它的序列號是唯一的，制造廠(chǎng)家的芯片出廠(chǎng)前已將此序列號固化，一經(jīng)固化不能再修改。IC卡和讀寫(xiě)器之間采用雙向驗證機制，即讀寫(xiě)器驗證IC卡的合法性，非法卡無(wú)法進(jìn)入系統進(jìn)行交易，具有很強的安全性、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IC卡芯片，由射頻通信接口、數字邏輯控制模塊(包括安全控制單元)和8kb的E2PROM存儲器三部分集成在一個(gè)Die上組成。圖1是BL75R06的內部拓樸結構。該芯片在應用時(shí)直接連接在由線(xiàn)圈組成的天線(xiàn)，用來(lái)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，讀寫(xiě)距離為10cm。
射頻通信接口部分由與天線(xiàn)導入的射頻通信接口、整流、穩壓、調制／解調器、上電復位和時(shí)鐘等部分組成；數字邏輯控制模塊由要求應答、防沖突、應用選擇、認證和訪(fǎng)問(wèn)控制、控制和算術(shù)單元、RAM、ROM、密碼單元等部分組成；E2PROM存儲器部分由接口和8kb的E2PROM存儲器組成。
BL75R06的RF接口符合ISO／IECl4443TypeA要求，芯片無(wú)需電池，接收讀卡器發(fā)射的能量即能激活，無(wú)線(xiàn)回傳芯片內的ID號碼和所需信息數據；操作距離可達10cm，當然，其距離與天線(xiàn)的幾何形狀和效率有關(guān)；工作頻率為13．56MHz；數據傳輸率為106kbps；16位CRC校驗、奇偶校驗、位編碼、位計數等確保傳輸數據的完整性和可靠性；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，每個(gè)扇區分成4塊，每塊16字節；每個(gè)存儲塊的訪(fǎng)問(wèn)條件可由客戶(hù)自己定義；數據保持時(shí)間最少10年；擦寫(xiě)次數最少10萬(wàn)個(gè)周期。
BL75R06支持IS014443TypeA射頻接口和支持PHILIPS標準讀卡器芯片。
3 IC卡的主要架構與安全體系
IC卡主要采用類(lèi)似印刷電路板腐蝕成型的銅簿環(huán)狀天線(xiàn)和綁定在其上的裸芯片(見(jiàn)圖2)構成，外加卡的兩面彩塑封裝。
IC卡的天線(xiàn)形狀和匝數與工作頻率有關(guān)，既要有精確的計算，也需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗積累，以及與芯片的匹配。在原始設計時(shí)需要用網(wǎng)絡(luò )分析儀來(lái)驗證和調整天線(xiàn)的幾何圖形及網(wǎng)絡(luò )匹配。
為了提供高安全等級，BL75R06采用了符合ISO／IECDIS9798—2協(xié)議的三重相互認證體制：
(1)讀卡器先確定要訪(fǎng)問(wèn)的扇區，然后選擇密鑰A或密鑰B；
(2)第一重是卡從扇區的Trailer塊讀出密鑰和訪(fǎng)問(wèn)條件，發(fā)送一個(gè)隨機數給讀卡器：
(3)第二重是讀卡器用密鑰和附加的輸入計算卡的響應，然后向卡發(fā)送一個(gè)響應和另一個(gè)隨機數；
(4)第三重是卡驗證讀卡器的響應，然后計算一個(gè)響應，發(fā)給讀卡器；
(5)讀卡器再驗證卡的響應；
執行完以上步驟，再發(fā)送第一個(gè)隨機數后，卡和讀卡器的通信就都是加密的了。
4 通信工作原理
射頻識別(RFID)是無(wú)線(xiàn)電頻率識別的簡(jiǎn)稱(chēng)，即通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行識別處理。射頻識別系統通常由讀卡器(閱讀器)和應答器(卡)兩部分組成，基本組成見(jiàn)圖3。讀卡器也稱(chēng)非接觸式IC卡讀寫(xiě)終端，一般由電源、微處理器、天線(xiàn)板等組成，通過(guò)外圍接口與計算機相連。應答器是一種非接觸卡，在應答器內有感應線(xiàn)圈(天線(xiàn))及用于存儲有關(guān)應用標識信息的存儲器，該卡自身不帶電源，當卡進(jìn)入閱讀器的電磁場(chǎng)范圍時(shí)，便可通過(guò)耦合無(wú)線(xiàn)電波的能量，并經(jīng)整流穩壓后獲得工作電源。
無(wú)線(xiàn)射頻卡的工作過(guò)程為：
(1)讀卡器不斷向周?chē)l(fā)一組固定頻率為13．56MH2的電磁波。
(2)帶有BL75R06芯片的無(wú)線(xiàn)射頻卡的天線(xiàn)串聯(lián)諧振頻率與讀卡器發(fā)送信號的頻率相同，當它進(jìn)入讀卡器的工作區域內，在電磁激勵下，諧振電路產(chǎn)生共振。
(3)共振使卡內的電容有了負荷，在電容的另一端，接有一個(gè)單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個(gè)電容內存儲，當所積累的電荷達到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(guò)天線(xiàn)與讀卡器進(jìn)行交互，由讀卡器發(fā)送命令，通過(guò)BL75R06內部的數字邏輯控制模塊，根據要訪(fǎng)問(wèn)的相應扇區的訪(fǎng)問(wèn)控制條件來(lái)決定命令的可操作性，并發(fā)送相應的信息或數據。
(5)讀卡器向工作區射頻場(chǎng)內所有的卡發(fā)送請求響應的命令，智能卡在上電后，根據IS0／IECl4443A協(xié)議的ATQA，可以響應請求命令。在防沖突循環(huán)過(guò)程中，讀卡器讀出卡的ID序列號，如讀卡器在其工作范圍內有幾張卡時(shí)，可通過(guò)唯一的卡ID序列號來(lái)識別，并選中其中一張卡作為下一步操作的對象，沒(méi)被選中的卡返回到待命模式，等待下一個(gè)請求命令。
(6)讀卡器發(fā)出選卡命令后，選中一張卡來(lái)認證并對相關(guān)存儲器進(jìn)行操作，卡返回ATS代碼，該代碼表示被選中卡的類(lèi)型?？ㄟx中后，讀卡器根據要訪(fǎng)問(wèn)的存儲器位置，采用響應的密匙來(lái)進(jìn)行三重相互認證過(guò)程，認證通過(guò)后，對存儲器的操作都是加密的。在認證通過(guò)后即進(jìn)行讀塊、寫(xiě)塊、加、減、恢復、轉移、終止的操作。加是將塊中的內容加上一個(gè)值，并把結果保存到一個(gè)臨時(shí)的數據寄存器中；減是將塊中的內容減去一個(gè)值，并把結果保存到一個(gè)臨時(shí)的數據寄存器中；恢復是將塊中內容移到臨時(shí)的數據寄存器中；轉移是將臨時(shí)寄存器中的內容寫(xiě)到指定的塊中。讀卡器和智能卡的無(wú)線(xiàn)通信是采用信息塊的16位CRC，以及對每個(gè)字節帶一個(gè)奇偶校驗位來(lái)保證數據傳輸的可靠性的。讀卡器和智能卡通信工作交易流程如圖4所示。
5 無(wú)線(xiàn)射頻卡的廣泛應用
無(wú)線(xiàn)射頻卡工作在近場(chǎng)距離內，通過(guò)智能卡天線(xiàn)和讀卡器天線(xiàn)的電感耦合(一種類(lèi)似變壓器的耦合)的方式從發(fā)射天線(xiàn)上獲取能量和下行指令，用負載調制(LoadModulation)的方法向讀卡器返回數據，并且當工作頻率越高，讀卡器和卡之間的通訊速度就越快，系統的工作時(shí)間就越短。
近年來(lái)，13．56MHz的RFID無(wú)線(xiàn)射頻卡正在越來(lái)越多地贏(yíng)得各種智能卡、消費卡、題材卡的市場(chǎng)。購物卡、校園卡、網(wǎng)吧卡、電話(huà)卡、加油卡、停車(chē)卡、公交卡、門(mén)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(qián)包、自動(dòng)收費系統和公共交通自動(dòng)售檢票系統等領(lǐng)域，成為人們不可缺一的電子錢(qián)包和身份識別重要證件。該芯片支持IS014443 TypeA射頻接口，支持PHILIPS標準讀卡機芯片。近距離非接觸卡的廣泛應用使得金卡市場(chǎng)由接觸式向近距離的非接觸式過(guò)渡，預計13．56MHz的RFID近距離非接觸卡市場(chǎng)將有飛快的增長(cháng)。
