实验2HF高频RFID通讯协议.docx

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实验2HF高频RFID通讯协议

实验二、HF高频RFID通信协议

一、实验目的

1.1掌握高频读卡器的通讯协议

1.2掌握本平台高频模块的操作过程

1.3掌握高频模块工作原理

二、实验设备

硬件：

R☞✋D实验箱套件，电脑等。

软件：

K♏♓●，串口调试助手。

三、实验原理

2.1高频R☞✋D系统

典型的高频☟☞（12.56M☟z）R☞✋D系统包括阅读器（R♏♋♎♏❒）和电子标签（❆♋♑，也称应答器R♏♦☐☐⏹♎♏❒）。

电子标签通常选用非接触式✋C卡，全称集成电路卡又称智能卡，可读写，容量大，有加密功能，数据记录可靠。

✋C卡相比✋D卡而言，使用更方便，目前已经大量使用在校园一卡通系统、消费系统、考勤系统、公交消费系统等。

目前市场上使用最多的是P☟✋☹✋PS的M♓♐♋❒♏系列✋C卡。

读写器☎也称为❽阅读器❾✆包含有高频模块☎发送器和接收器✆、控制单元以及与卡连接的耦合元件。

由高频模块和耦合元件发送电磁场，以提供非接触式✋C卡所需要的工作能量以及发送数据给卡，同时接收来自卡的数据。

此外，大多数非接触式✋C卡读写器都配有上传接口，以便将所获取的数据上传给另外的系统☎个人计算机、机器人控制装置等✆。

✋C卡由主控芯片✌S✋C（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✋C卡内部结构如图2.1所示。

图2.1✋C卡内部结构图

较常见的高频R☞✋D应用系统如图2.2所示，✋C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R☞✋D应用系统组成

下面以典型的✋C卡M✋✌R☜1为例，说明电子标签获得能量的整个过程。

读卡器向✋C卡发送一组固定频率的电磁波，标签内有一个☹C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2✞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2.3✋C卡功能结构图

2.2非接触式✋C卡

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

各类✋C卡特点及工作特性如图1.4所示，P☟✋☹✋PS的M♓♐♋❒♏1卡☎简称M1卡✆属于P✋CC卡，该类卡的读写器可以称为PCD。

图2.4✋C卡分类

高频R☞✋D系统选用P✋CC类✋C卡作为其电子标签，这里以P♒♓●♓☐♦公司典型的P✋CC卡M♓♐♋❒♏1为例，详细讲解✋C卡内部结构。

P♒♓●♓☐♦是世界上最早研制非接触式✋C卡的公司，其M♓♐♋❒♏技术已经被制定为✋S014443❆✡P☜✌国际标准。

本平台选用用M♓♐♋❒♏1（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12.56M☟☪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。

M♓♐♋❒♏1卡片采取☜☜PROM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2.6M☞✋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❽♦♓z♏❾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✌、存取控制、密码B。

具体结构如下，

✌0✌1✌2✌3✌4✌5☞☞078069B0B1B2B3B4B5

其中其中✌0—✌5代表密码✌的六个字节；B0—B5代表密码B的六个字节；☞☞078069为四字节存取控制字的默认值，☞☞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K☜✡✌，进行加值操作必须验证K☜✡B，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：

B♓♦76543210

C20♉

♌

C10♉

♌

C10

C30♉

♌

C30

C20

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2.3✋SO14443协议标准简介

✋SO14443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，✋SO14443标准分为❆✡P☜✌和❆✡P☜B两种。

❆✡P☜✌的产品具有更高的市场占有率，如P♒♓●♓☐♦公司的M✋☞✌R☜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❆✡P☜B在安全性、高速率和适应性方面有很好的前景，特别适合于CP✞卡。

这里重点介绍M✋☞✌R☜1符合的✋SO14443❆✡P☜✌标准。

1✆✋SO14443❆✡P☜✌标准中规定的基本空中接口基本标准

●PCD到P✋CC（数据传输）调制为：

✌SK，调制指数100%

●PCD到P✋CC（数据传输）位编码为：

改进的M♓●●♏❒编码

●P✋CC到PCD（数据传输）调制为：

频率为847k☟z的副载波负载调制

●P✋CC到PCD位编码为：

曼彻斯特编码

●数据传输速率为106k♌☐♦

●射频工作区的载波频率为12.56M☟z

●最小未调制工作场的值是1.5✌/❍❒❍♦（以☟❍♓⏹表示），最大未调制工作场的值是7.5✌/❍❒❍♦☎以☟❍♋⌧表示✆，邻近卡应持续工作在☟❍♓⏹和☟❍♋⌧之间

●P✋CC的能量是通过发送频率为12.56M☟z的阅读器的交变磁场来提供。

由阅读器产生的磁场必须在1.5✌/❍-7.5✌/❍之间

2✆✋SO14443❆✡P☜✌标准中规定的P✋CC标签状态集，读卡器对进入其工作范围的多张✋C卡的有效命令有：

●R☜✈✌：

❆✡P☜✌请求命令

●W✌K☜✞P：

唤醒命令

●✌☠❆✋CO☹☹✋S✋O☠：

防冲突命令

●S☜☹☜C❆：

选择命令

●☟✌☹❆：

停止命令

图2.7为P✋CC（✋C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✋SO14443❆✡P☜✌协议的命令✆不包括在内。

图2.7P✋CC状态转化图

●掉电状态☎POW☜RO☞☞✆:

在没有提供足够的载波能量的情况下，P✋CC不能对PCD发射的命令做出应答，也不能向PCD发送反射波；当P✋CC进入耦合场后，立即复位，进入闲置状态。

●闲置状态☎✋D☹☜S❆✌❆☜✆：

当P✋CC进入闲置状态时，标签已经上电，能够解调PCD发射的信号；当P✋CC接收到PCD发送的有效的R☜✈✌（对✌型卡请求的应答）命令后，P✋CC将进入就绪状态。

●就绪状态☎R☜✌D✡S❆✌❆☜✆：

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P✋CC标签处于就绪状态时，采用防冲突方法，用✞✋D☎惟一标识符✆从多张P✋CC标签中选择出一张P✋CC；然后PCD发送含有✞✋D的S☜☹命令，当P✋CC接收到有效的S☜☹命令时，P✋CC就进入激活状态（✌C❆✋✞☜S❆✌❆☜）。

●激活状态（✌C❆✋✞☜S❆✌❆☜）：

在激活状态下，P✋CC应该完成本次应用所要求的所有操作（例如，读写P✋CC内部存储器）；当处于激活状态的P✋CC接收到有效的☟✌☹❆命令后，P✋CC就立即进入停止状态。

●停止状态（☟✌☹❆S❆✌❆☜）：

P✋CC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P✋CC接收到有效的W✌K☜♉✞P命令时，P✋CC立即进入就绪状态。

注意:

当P✋CC处于停止状态下时，在重新进入就绪状态和激活状态后，P✋CC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R☞✋D系统读写器与✋C卡通信过程如图2.8所示，主要步骤有：

●复位应答（✌⏹♦♦♏❒♦☐❒♏❑◆♏♦♦）：

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☎✌⏹♦♓♍☐●●♓♦♓☐⏹☹☐☐☐）：

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☎S♏●♏♍♦❆♋♑）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☎3P♋♦♦✌◆♦♒♏⏹♦♓♍♋♦♓☐⏹）：

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✋C通讯流程

2.4.2防冲突

当读写器读写范围内部有多张P✋CC标签时，读写器利用各卡的✞✋D☎惟一标识符✆从多张标签中选择出一张P✋CC标签。

不同✋C卡其内部的✞✋D大小不同，通常✞✋D由4、7或10个✞✋D字节组成。

P✋CC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✞✋D字节，见图2.9，从图可知P✋CC最多会发送三个串联级别☎串联级别数又可以称为✞✋D大小✆。

图2.9✞✋D结构

图中C❆为级联信号，表示在下一级中还有✞✋D；BCC为本级检验码。

由图可知，P✋CC最多应处理3个串联级别，以得到所有✞✋D字节。

阅读器防冲突过程如下：

1）首先由PCD发送R☜✈✌命令或W✌K☜✞P命令，使卡进入R☜✌D✡状态（参见标签状态转换图）。

这两个命令的差别是：

R☜✈✌命令使卡从✋D☹☜状态进入R☜✌D✡状态，而W✌K☜✞P命令使卡从☟✌☹❆状态进入R☜✌D✡状态。

2）P✋CC接收到命令后，所有处在PCD电磁场范围内的P✋CC同步发出✌❆✈✌应答，说明本卡✞✋D的大小☎1、2或3✆，之后进入R☜✌D✡状态，执行防冲突循环操作。

3）PCD通过发送✌☠❆✋CO☹☹✋S✋O☠和S☜☹☜C❆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R☞✋D模块间的通讯协议

在☹☞低频R☞✋D实验中，上位机和低频R☞✋D模块之间没有任何的协议通信，这是因为低频R☞✋D功能简单，低频R☞✋D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R☞✋D以及之后将要学习的超高频R☞✋D、2.4☝R☞✋D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R☞✋D模块之间进行通信。

以下便是上位机和高频R☞✋D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

02✌0

读数据

09✌1K♏⍓0K♏⍓1K♏⍓2K♏⍓3K♏⍓4K♏⍓5K⏹.

例:

0⌧✌1为读数据标志。

该卡密码✌为16进制:

♐♐♐♐♐♐♐♐♐♐♐♐对应K♏⍓0K♏⍓1K♏⍓2K♏⍓3K♏⍓4K♏⍓5；

要读的块数为第4块即K⏹=4；

则发送:

09✌1♐♐♐♐♐♐♐♐♐♐♐♐04.

返回第4块的16字节数据.

写数据

19✌2K♏⍓0K♏⍓1K♏⍓2K♏⍓3K♏⍓4K♏⍓5K⏹☠◆❍0☠◆❍1☠◆❍2☠◆❍3☠◆❍4☠◆❍5☠◆❍6☠◆❍7☠◆❍8☠◆❍9☠◆❍10☠◆❍11☠◆❍12☠◆❍13☠◆❍14☠◆❍15.

例:

0⌧✌2为写数据标志。

该卡密码✌为16进制:

☞☞☞☞☞☞☞☞☞☞☞☞对应K♏⍓0K♏⍓1K♏⍓2K♏⍓3K♏⍓4K♏⍓5；

要写的块数为第4块即K⏹=4；

要写的数据位000102030405060708090✌0B0C0D0☜0☞

则发送:

19✌2☞☞☞☞☞☞☞☞☞☞☞☞04000102030405060708090✌0B0C0D0☜0☞.

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，✞✌R❆4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✞✌R❆4DB9串口相连，在PC机上打开物联网R☞✋D实验箱配套光盘\物联网综合R☞✋D实验箱\应用程序目录下的C☐❍✌♦♦♓♦♦♋⏹.♏⌧♏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❽打开串口❾

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❽02✌0❾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❽09✌1♐♐♐♐♐♐♐♐♐♐♐♐04❾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❽19✌2☞☞☞☞☞☞☞☞☞☞☞☞04000102030405060708090✌0B0C0D0☜0☞❾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❽09✌1♐♐♐♐♐♐♐♐♐♐♐♐04❾，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000102030405060708090✌0B0C0D0☜0☞，如图2.13所示。

图2.13