实验2HF高频RFID通讯协议Word文档下载推荐.docx

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IC卡由主控芯片ASIC（专用集成电路）和天线组成，标签的天线只由

线圈组成，很适合封状到卡片中，常见IC卡内部结构如图2.1所示。

图2.1IC卡内部结构图

较常见的高频RFID应用系统如图2.2所示，IC卡通过电感耦合的方式从读卡器处获得能量。

图2.2常见高频RFID应用系统组成

下面以典型的IC卡MIARE1为例，说明电子标签获得能量的整个过程。

读卡器向IC卡发送一组固定频率的电磁波，标签内有一个LC串联谐振电路（如图2.3），其谐振频率与读写器发出的频率相同，这样当标签进入读写器范围时便产生电磁共振，从而使电容内有了电荷，

在电容的另一端接有一个单向通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当储存积累的电荷达到2V时，此电源可作为其他电路提供工作电压，将标签内数据发射出去或接收读写器的数据。

图2.3IC卡功能结构图

2.2非接触式IC卡

目前市面上有多种类型的非接触式IC卡，它们按照遵从的不同协议大体可以分为三类，

各类IC卡特点及工作特性如图1.4所示，PHILIPS的Mifare1卡（简称M1卡）属于PICC卡，该类卡的读写器可以称为PCD。

图2.4IC卡分类

高频RFID系统选用PICC类IC卡作为其电子标签，这里以Philips公司典型的PICC卡Mifare1为例，详细讲解IC卡内部结构。

Philips是世界上最早研制非接触式IC卡的公司，其Mifare技术已经被制定为IS014443TYPEA国际标准。

本平台选用用Mifare1（S50）卡作为电子标签，其内部原理如图2.5所示。

图2.5M1卡内部原理

射频接口部分主要包括有波形转换模块。

它可将读写器发出的12.56MHZ的无线电调制频率接收，一方面送调制/解调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终输出供给卡片上的各电路。

数字控制单元主要针对接收到的数据进行相关处理，包括选卡、防冲突等。

Mifare1卡片采取EEPROM作为存储介质，其内部可以分为16个扇区，每个扇区由4块组成，（我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为0-63，存贮结构如下图2.6所示：

图2.6MFI卡片存储结构

第0扇区的块0（即绝对地址0块），它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。

其中：

第0～3个字节为卡片的序列号；

第4个字节为序列号的校验码；

第5个字节为卡片内容“size”字节，第6~7个字节为卡片的类型字节。

每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。

数据块可作两种应用：

用作一般的数据保存，可以进行读、写操作。

例如在食堂消费时采用输入饭菜金额的方式扣款。

用做数据值，可以进行初始化加值、减值、读值操作。

例如在食堂消费时对于定额套餐采用输入餐号的方式加以扣款，又如公交/地铁等行业的检票/收费系统中的扣费。

每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。

具体结构如下，

A0A1A2A3A4A5FF078069B0B1B2B3B4B5

其中其中A0—A5代表密码A的六个字节；

B0—B5代表密码B的六个字节；

FF078069为四字节存取控制字的默认值，FF为低字节。

每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。

存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块（包括数据块和的存取条件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位，定义如下：

块0：

C10C20C30

块1：

C11C21C31

块2：

C12C22C32

块3：

C13C23C33

三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问权限（如进行减值操作必须验证KEYA，进行加值操作必须验证KEYB，等等）。

三个控制位在存取控制字节中的位置，以块0为例，如下所示：

Bit76543210

C20_

b

C10_

C10

C30_

C30

C20

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2.3ISO14443协议标准简介

ISO14443协议是超短距离智慧卡标准，该标准定义出读取距离7-15公分的短距离非接触智能卡的功能及运作标准，ISO14443标准分为TYPEA和TYPEB两种。

TYPEA的产品具有更高的市场占有率，如Philips公司的MIFARE系列占有了当前约80%的市场，且在较为恶劣的工作环境下有很高的优势。

而TYPEB在安全性、高速率和适应性方面有很好的前景，特别适合于CPU卡。

这里重点介绍MIFARE1符合的ISO14443TYPEA标准。

1）ISO14443TYPEA标准中规定的基本空中接口基本标准

PCD到PICC（数据传输）调制为：

ASK，调制指数100%

PCD到PICC（数据传输）位编码为：

改进的Miller编码

PICC到PCD（数据传输）调制为：

频率为847kHz的副载波负载调制

PICC到PCD位编码为：

曼彻斯特编码

数据传输速率为106kbps

射频工作区的载波频率为12.56MHz

最小未调制工作场的值是1.5A/mrms（以Hmin表示），最大未调制工作场的值是7.5A/mrms（以Hmax表示），邻近卡应持续工作在Hmin和Hmax之间

PICC的能量是通过发送频率为12.56MHz的阅读器的交变磁场来提供。

由阅读器产生的磁场必须在1.5A/m-7.5A/m之间

2）ISO14443TYPEA标准中规定的PICC标签状态集，读卡器对进入其工作范围的多张IC卡的有效命令有：

REQA：

TYPEA请求命令

WAKEUP：

唤醒命令

ANTICOLLISION：

防冲突命令

SELECT：

选择命令

HALT：

停止命令

图2.7为PICC（IC卡）接收到PCD（读卡器）发送命令后，可能引起状态的转换图。

传输错误的命令（不符合ISO14443TYPEA协议的命令）不包括在内。

图2.7PICC状态转化图

掉电状态（POWEROFF）:

在没有提供足够的载波能量的情况下，PICC不能对PCD发射的命令做出应答，也不能向PCD发送反射波；

当PICC进入耦合场后，立即复位，进入闲置状态。

闲置状态（IDLESTATE）：

当PICC进入闲置状态时，标签已经上电，能够解调PCD发射的信号；

当PICC接收到PCD发送的有效的REQA（对A型卡请求的应答）命令后，PICC将进入就绪状态。

就绪状态（READYSTATE）：

在就绪状态下，执行位帧防碰撞算法或其他可行的防碰撞算法；

当PICC标签处于就绪状态时，采用防冲突方法，用UID（惟一标识符）从多张PICC标签中选择出一张PICC；

然后PCD发送含有UID的SEL命令，当PICC接收到有效的SEL命令时，PICC就进入激活状态（ACTIVESTATE）。

激活状态（ACTIVESTATE）：

在激活状态下，PICC应该完成本次应用所要求的所有操作（例如，读写PICC内部存储器）；

当处于激活状态的PICC接收到有效的HALT命令后，PICC就立即进入停止状态。

停止状态（HALTSTATE）：

PICC完成本次应用所有操作后，应进入停止状态；

当处于停止状态的PICC接收到有效的WAKE_UP命令时，PICC立即进入就绪状态。

注意:

当PICC处于停止状态下时，在重新进入就绪状态和激活状态后，PICC接受到相应命令，不在是进入闲置状态，而是进入停止状态。

2.4高频ＲＦＩＤ系统读写器

2.4.1通信流程

高频RFID系统读写器与IC卡通信过程如图2.8所示，主要步骤有：

复位应答（Answertorequest）：

M1射频卡的通讯协议和通讯波特率是定义好的，当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否为M1射频卡，即验证卡片的卡型。

防冲突机制（AnticollisionLoop）：

当有多张卡进入读写器操作范围时，防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式等待下一次选卡，该过程会返回被选卡的序列号。

具体防冲突设计细节可参考相关协议手册。

选择卡片（SelectTag）选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。

三次互相确认（3PassAuthentication）：

选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯（在选择另一扇区时，则必须进行另一扇区密码校验）。

对数据块的操作：

包括读、写、加、减、存储、传输、终止。

图2.8读卡器与IC通讯流程

2.4.2防冲突

当读写器读写范围内部有多张PICC标签时，读写器利用各卡的UID（惟一标识符）从多张标签中选择出一张PICC标签。

不同IC卡其内部的UID大小不同，通常UID由4、7或10个UID字节组成。

PICC将这些字节按照其字节数封装在几个串联级别中发送给读卡器，每个串联级别内包含5个数据字节，其中包括3个或4个UID字节，见图2.9，从图可知PICC最多会发送三个串联级别（串联级别数又可以称为UID大小）。

图2.9UID结构

图中CT为级联信号，表示在下一级中还有UID；

BCC为本级检验码。

由图可知，PICC最多应处理3个串联级别，以得到所有UID字节。

阅读器防冲突过程如下：

1）首先由PCD发送REQA命令或WAKEUP命令，使卡进入READY状态（参见标签状态转换图）。

这两个命令的差别是：

REQA命令使卡从IDLE状态进入READY状态，而WAKEUP命令使卡从HALT状态进入READY状态。

2）PICC接收到命令后，所有处在PCD电磁场范围内的PICC同步发出ATQA应答，说明本卡UID的大小（1、2或3），之后进入READY状态，执行防冲突循环操作。

3）PCD通过发送ANTICOLLISION和SELECT命令执行防冲突循环操作，命令格式如下所示：

2.5上位机与高频RFID模块间的通讯协议

在LF低频RFID实验中，上位机和低频RFID模块之间没有任何的协议通信，这是因为低频RFID功能简单，低频RFID模块只有一个工作状态就是监听状态，此时模块只需将监听到的标签数据传给上位机即可。

而高频RFID以及之后将要学习的超高频RFID、2.4GRFID模块的功能就要多得多。

除了简单的读卡外，还有写入数据，修改密码的功能，这就需要上位机和这些RFID模块之间进行通信。

以下便是上位机和高频RFID之间的一些协议。

以下数据均为16进制，第一字节表示此次发生的字节长度

读卡号

02A0

读数据

09A1Key0Key1Key2Key3Key4Key5Kn.

例:

0xA1为读数据标志。

该卡密码A为16进制:

ffffffffffff对应Key0Key1Key2Key3Key4Key5；

要读的块数为第4块即Kn=4；

则发送:

09A1ffffffffffff04.

返回第4块的16字节数据.

写数据

19A2Key0Key1Key2Key3Key4Key5KnNum0Num1Num2Num3Num4Num5Num6Num7Num8Num9Num10Num11Num12Num13Num14Num15.

0xA2为写数据标志。

FFFFFFFFFFFF对应Key0Key1Key2Key3Key4Key5；

要写的块数为第4块即Kn=4；

要写的数据位000102030405060708090A0B0C0D0E0F

19A2FFFFFFFFFFFF04000102030405060708090A0B0C0D0E0F.

四、实验步骤

4.1为实验箱上电，将低频模块旁的S4DB9选择开关拨打至中间档，此时，UART4号DB9接头与节点2上的高频模块通信。

4.2将PC机的串口与UART4DB9串口相连，在PC机上打开物联网RFID实验箱配套光盘\物联网综合RFID实验箱\应用程序目录下的ComAssistan.exe应用软件，选择正确的端口号并进行如图2.10所示的配置，并“打开串口”

图2.10

4.3读卡号操作

在串口调试助手的发送行内，按十六进制发送读卡指令“02A0”并进行刷卡（高频标签和特高频标签无法通过肉眼识别，大家分别试一下就可以了）操作，选择按照十六进制显示，观察是否有卡号返回，如图2.11所示。

图2.11

4.4读数据操作

在串口调试助手的发送行内，按十六进制发送读数据指令“09A1ffffffffffff04”并进行刷卡操作，选择按照十六进制显示，将返回高频卡第四块存储区域内的数据，如图2.12所示，在本例中，该区域内存储了十六个字节的00数据。

图2.12

4.5读数据操作

在串口调试助手的发送行内，按十六进制发送写数据指令“19A2FFFFFFFFFFFF04000102030405060708090A0B0C0D0E0F”并进行刷卡操作，此时高频读卡器如果正确写入数据后，会发出蜂鸣声，但是没有任何返回信息。

再次发送读数据指令“09A1ffffffffffff04”，并进行刷卡操作，观察是否4号区域的数据是我们刚刚写入的000102030405060708090A0B0C0D0E0F，如图2.13所示。

图2.13