無線射頻識別(RFID)芯片技術(shù)
l Mifare lS50卡的結(jié)構(gòu)及主要特性
Mifare 1 S50卡是一種非接觸式IC卡,又稱RFID卡(射頻卡)。RFID卡是世界上最近幾年蓬勃發(fā)展起來的一項新技術(shù),他成功地將射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來,解決了卡中無電源和免接觸使用這一難題,是電子器件領(lǐng)域的
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Mifare 1S50卡的電氣部分只由一個天線和一塊RFID芯片組成。其中天線是只有幾組繞線的線圈,封裝到ISO卡片中。數(shù)據(jù)保存期為10年,可改寫10萬次,讀無限次。卡與讀寫器之間的通訊采用國際通用的DES和RES保密交叉算法,具有極高的保密性能。其主要特性
如下:
工作頻率:13.56 MHz;
通信速率:106 kb/s;
防沖突:同一時間可處理多張卡;
讀寫距離:在100 mm內(nèi)(與天線形狀有關(guān))能方便快速地傳遞數(shù)據(jù);
握手式半雙工通訊方式;
在無線通訊過程中通過以下機制來保證數(shù)據(jù)完整防沖突機制;每塊有16位CRC糾錯;每字節(jié)有奇偶校驗位;檢查位數(shù);用編碼方式來區(qū)分"1"、"0"或無信息;信道監(jiān)測(通過協(xié)議順序和位流分析);
支持多卡操作;
材料:PVC;
尺寸:符合ISO10536標準;
無電池:無線方式傳遞數(shù)據(jù)和能量;
芯片加工技術(shù):采用高速的CMOS E2PROM工藝;
安全性:3次相互認證(ISO/IEC DIS 9798-2);通訊過程中所有數(shù)據(jù)均加密以防止信號截取;每一扇區(qū)有相互獨立的密碼;每張卡有32位全球惟一的序列號;傳輸密瑪保護;
支持一卡多用的存儲結(jié)構(gòu);
典型交易過程<100 ms。
2 Mifare 1S50卡的RFID芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
Mifare 1S50卡的芯片由RF-Interface(射頻接口)和Digtal Section(數(shù)字模塊)兩部分組成,如圖1所示。
射頻接口部分由整流器、電壓調(diào)節(jié)器、上電復位(POWER ON RESET,POR)模塊、時鐘再生器、調(diào)制器/解調(diào)器等部分組成。主要有4個功能:
(1)為RFID芯片內(nèi)部各部分電路提供工作時所需要的能量。
(2)提供POR信號,使各部分電路同步啟動工作。
(3)從載波中提取電路正常工作所需要的時鐘信號。
(4)將載波上的指令和數(shù)據(jù)解調(diào)出來供數(shù)字模塊處理以及對待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行調(diào)制。
數(shù)字模塊主要由如下部分組成:
ATR(Answer to Request)模塊:卡在讀寫器的天線工作范圍內(nèi)時,當讀寫器向卡發(fā)出Request all(或:Requeststd)命令后,芯片的此模塊啟動,藉此建立與讀寫器的第一步通信。
AntiCollision模塊:起防止卡片重疊。具體原理如下:若有多張卡在讀寫器天線的工作范圍內(nèi)時,芯片的此模塊啟動,讀寫器首先與所有的卡片通信,獲取每一張卡的序列號,然后,根據(jù)序列號選定一張卡片。
Select Application模塊:確認對卡片的選擇。
Authentication & Access Control模塊:卡片確認被選中后,啟動此模塊,進行卡片與讀寫器之間相互認證。只有通過相互認證,才能進行進一步的操作。
Control & Arithmetic Unit模塊:此模塊是整塊芯片的控制中心,芯片內(nèi)建的中央處理機單元。
RAM:配合Control&Arithmetic Unit,將運算結(jié)果進行暫時存儲;若有數(shù)據(jù)要存到E2PROM,則取出數(shù)據(jù)存到E2PROM中;若有數(shù)據(jù)要傳送到讀寫器,則取出數(shù)據(jù),讓射頻接口電路進行處理,通過卡上的天線傳送給讀寫器。
ROM:固化卡片運行所需要的必要的程序指令。
Crypto Unit:此模塊完成對數(shù)據(jù)的加密處理及密碼保護。
E2PROM Interface:此模塊為E2PROM的接口電路。
E2PROM Memory:E2PROM存儲器。
3 Mifare 1S50卡的RFID芯片通信技術(shù)
卡與讀寫器之間的通信速率為106 kb/s。從卡向讀寫器傳送信號時,使用的副載波頻率為847 kHz(fc/16),采用Manchester編碼方式,開關(guān)鍵控(On-off Keying,OOK)調(diào)制信號;讀寫器向卡傳輸信號時,使用的射頻載波頻率是13.56 MHz,采用同步時序、改進的:Miller 編碼方式,調(diào)制深度為100%的ASK(Amplirude Shift Keying,幅移鍵控)信號。
Miller 編碼用在半個比特周期的任意邊緣表示二進制1,而經(jīng)過下一個周期中不變的電平表示二進制O,如果連續(xù)一串O,則在O比特周期開始時產(chǎn)生電平交變。改進Miller編碼是對Miller編碼的改型,每個邊沿都用凹槽來代替。Manchester編碼的方法是用在半個比特周期的負邊沿表示二進制1,半個比特周期中的正邊沿表示二進制0。圖2為10100110采用Manchester,MillermModifiedMiller編碼方式的結(jié)果。
4 Mifare
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芯片中的E2PROM Memory容量為8 kh,一共分為16個扇區(qū),每個扇區(qū)為4塊(塊0~塊3),即整個E2PROMMemory共64塊,塊號編址為0~63,每塊16個字節(jié)(0~15 B),一塊為一個存取單位。各扇區(qū)的塊0(注:第0扇區(qū)的塊0例外,他用于存放廠商代碼,已經(jīng)固化不可改寫。其中:第0~4字節(jié)為卡的序列號;第5字節(jié)為序列號的校驗碼;第6字節(jié)為卡的容量"SIZE"字節(jié);第7,8字節(jié)為卡的類型字節(jié),即Tag type字節(jié);其他字節(jié)由廠商另加定義)、塊1、塊2為數(shù)據(jù)塊,用于存儲用戶數(shù)據(jù);各扇區(qū)的塊3為各個扇區(qū)控制塊,用于存放密碼A(0~5字節(jié))、存取控制(6~9字節(jié))、密碼B(10~15字節(jié))。
在存取控制中,每一塊(塊0,1,2,3)都由3個控制位決定對該數(shù)據(jù)塊或控制塊的操作權(quán)限,控制位表示形式為"CXxy"。其中:CX表示控制位號(X可以是1、2或3,例如:C1則表示第一控制位);z表示扇區(qū);y表示塊號。例如:"C2x1"表示某一扇區(qū)塊1的第2控制位)。3個控制位在存取控制字節(jié)(即各扇區(qū)塊3中的第6~9字節(jié))中的位置,見表1(注:表中"_b"表示取反。例如:第6字節(jié)的bit7中存放"1"時,C2x3=0;而B則表示備用位。
控制位對各扇區(qū)數(shù)據(jù)塊(塊0、1或2)的控制,見表2(注:表中KeyA︱B表示密碼A或密碼B,Never表示沒有條件實現(xiàn)。
控制位對各扇區(qū)數(shù)據(jù)塊3 的控制,見表3 。
塊3中,存取控制4B的初始化值(產(chǎn)商初始值)分別為"FF 07 80 69""。根據(jù)表1可推斷出各塊的3位控制位的初始值如下:C1x0 C2x0 C3x0=000,C1x1 C2x1 C3x1=000,C1x2 C2x2 C3x2=000,C1x3 C2x3 C3x3=001;根據(jù)表2可推斷出(表2中的第一種情況),在初始的狀態(tài)下驗證密碼A或密碼B后,可以對數(shù)據(jù)塊0~2進行讀、寫加值、減值、初始化等操作;根據(jù)表3可推斷出(表3中的第五種情況),驗證密碼A或B后,可以寫密碼A、可以讀寫控制位、可讀寫密碼B、但不能讀密碼A。
芯片中的數(shù)據(jù)塊有兩種應用方法,一種是用作一般的數(shù)據(jù)保存用,直接讀寫。另一種用法是用作數(shù)值塊,可以進行初始化、加值、減值、讀值的運算。應用系統(tǒng)配用相應的函數(shù)完成相應的功能。
綜上所述,Mifare 1S50卡的芯片中E2PROM Memory分為16個扇區(qū),他們互不干擾,每個扇區(qū)均可分別設(shè)置各自的不同的密碼及按需要設(shè)置存取控制(不用產(chǎn)商的初始值)。因此,每個扇區(qū)可以獨立應用于一個應用場合,實現(xiàn)"一卡通",例如:交通一卡通、校園一卡通、企業(yè)一卡通、家庭繳費一卡通等。
5 結(jié) 語
RFID卡是射頻識別技術(shù)與IC技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,與接觸式IC卡相比較,他使用時無需與讀寫器接觸,操作方便、快捷,使用可靠性高且使用壽命長,此外,加密性能好有防沖突機制,可以一卡多用。目前,RFID卡在我國電子身份證、城市公共交通支付、證照與商品防偽、特種設(shè)備強檢、安全管理、動植物電子標識、現(xiàn)代物流管理等領(lǐng)域展示了其美好的應用前景,所以,應加大研發(fā)RFID芯片的力度。