实验2、HF高频RFID通讯协议.doc

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。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，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 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 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 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 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，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 ff 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