1、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:RFID实验箱套件,电脑等。软件:Keil,串口调试助手.三、 实验原理2.1 高频RFID系统典型的高频HF(12。56MHz)RFID系统包括阅读器(Reader)和电子标签(Tag,也称应答器Responder)。电子标签通常选用非接触式IC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。IC卡相比ID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
2、最多的是PHILIPS的Mifare系列IC卡.读写器(也称为“阅读器”)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IC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IC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)。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。1 IC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
3、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,
4、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。4 IC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。5 M1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,
5、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。6 MFI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 03 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
6、内容“size”字节,第67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,A0 A1 A2 A3 A4A5FF 07 80 69B0 B1 B2 B3 B4 B5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;FF 07
7、80 69 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: Bit 7 6 5 4
8、3 2 1 0C20_bC10_bC10C30_bC30C20字节6字节7字节8字节92。3 ISO 14443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715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) ISO 14443TYPEA标准
9、中规定的基本空中接口基本标准l PCD到PICC(数据传输)调制为:ASK,调制指数100%l PCD到PICC(数据传输)位编码为:改进的Miller编码l PICC到PCD(数据传输)调制为:频率为847kHz的副载波负载调制l PICC到PCD位编码为:曼彻斯特编码l 数据传输速率为106kbpsl 射频工作区的载波频率为12.56MHzl 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l 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
10、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:l REQA:TYPEA请求命令l WAKEUP:唤醒命令l ANTICOLLISION:防冲突命令l SELECT:选择命令l 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。7 PICC状态转化图l 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
11、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。l 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.l 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).l 激活
12、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。l 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
13、有:l 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.l 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。l 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。l 三次互相确认(3PassAuthentication):选定要处理的卡片之后,读写器
14、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)。l 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
15、送三个串联级别(串联级别数又可以称为UID大小)。图2.9 UID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
16、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
17、字节表示此次发生的字节长度读卡号 02 A0读数据 09 A1 Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5 Kn.例:0xA1为读数据标志。该卡密码A为16进制:ff ff ff ff ff ff 对应Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5;要读的块数为第4块 即 Kn=4;则发送:09 A1 ff ff ff ff ff ff 04 .返回第4块的16字节数据。写数据 19 A2 Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5 Kn Num0 Num1 Num2 Num3 Num4 Num5 Num6 Num7 Num8 Num9 Num10
18、Num11 Num12 Num13 Num14 Num15.例:0xA2为写数据标志.该卡密码A为16进制:FF FF FF FF FF FF 对应Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5;要写的块数为第4块 即 Kn=4;要写的数据位 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F则发送: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.四、 实验步骤4.1为实验箱上电,将低频模块旁的S4 DB9选择开关拨打至中间档,此时,UA
19、RT4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UART4 DB9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2.104。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“02 A0”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2.114。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“09 A1 f
20、f ff ff ff ff ff 04”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2.124。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“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”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“09 A1 ff ff ff ff ff ff 04,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00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F,如图2.13所示。图2。13