公交IC卡射頻識別技術(shù)原理

1、1在讀寫器的響應(yīng)范圍之外，非接觸式IC卡處于無源狀態(tài)。通常，非接觸式IC卡沒有自己的供電電源(電池)，只是在讀寫器響應(yīng)范圍之內(nèi)，卡才是有源的，卡所需要的能量以及時鐘脈沖、數(shù)據(jù)，都是通過耦合單元的電磁耦合作用傳輸給卡的。2非接觸式IC卡的制造工藝是在四層PVC薄膜(兩層嵌入薄膜和兩層覆蓋薄膜)之間粘合一個非接觸式IC卡模塊及耦合元件而構(gòu)成的。 其中，耦合元件一般為電磁感應(yīng)天線線圈，起電感耦合作用。將設(shè)計成線圈狀的天線安放在承載薄膜的上面，且用適當?shù)倪B接技術(shù)將其與芯片模塊連接在一起。天線的制造主要采用以下四種方法：繞制工藝、布線工藝、絲網(wǎng)印刷工藝和蝕刻工藝。非接觸式IC卡的薄膜結(jié)構(gòu)如圖所示。3典型

2、的非接觸式IC卡讀寫器(也稱為“閱讀器”)包含有高頻模塊(發(fā)送器和接收器)、控制單元以及與卡連接的耦合元件，如圖3.4所示。由高頻模塊和耦合元件發(fā)送電磁場，以提供非接觸式IC卡所需要的工作能量以及發(fā)送數(shù)據(jù)給卡，同時接收來自卡的數(shù)據(jù)。此外，大多數(shù)非接觸式IC卡讀寫器都配有上傳接口，以便將所獲取的數(shù)據(jù)上傳給另外的系統(tǒng)(個人計算機、機器人控制裝置等)。4相對于接觸式IC卡，非接觸式IC卡需要解決的問題主要有以下三個方面： (1) 非接觸式IC卡如何取得工作電壓。 (2) 讀寫器與IC卡之間如何交換信息。 (3) 防沖突問題：多張卡同時進入讀寫器發(fā)射的能量區(qū)域(即發(fā)生沖突)時如何對卡逐一進行處理。 5

3、非接觸式IC卡在卡的表面上無觸點，IC卡與讀寫器之間通過無線方式(即發(fā)射和接收電磁波)進行通信，因此非接觸式IC卡的使用依賴于射頻識別(RFD)技術(shù)的發(fā)展，故又將非接觸式IC卡稱為射頻卡(RFC)。典型的射頻識別系統(tǒng)由應(yīng)答器和尋呼器組成，非接觸式IC卡的讀寫器就是尋呼器，而卡則是應(yīng)答器。6讀寫器和IC卡之間的工作關(guān)系如下： (1) 讀寫器發(fā)射激勵信號(一組固定頻率的電磁波)。 (2) IC卡進入讀寫器工作區(qū)內(nèi)，被讀寫器信號激勵。在電磁波的激勵下，卡內(nèi)的LC串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生共振，當所積累的電荷達到2 V時，此電容可以作為電源為其他電路提供工作電壓，供卡內(nèi)集成電路工作所需。 (3) 同時卡內(nèi)的電路

4、對接收到的信息進行分析，判斷發(fā)自讀寫器的命令，如需在EEPROM中寫入或修改內(nèi)容，還需將2 V電壓提升到15 V左右，以滿足寫入EEPROM的電壓要求。 (4) IC卡對讀寫器的命令進行處理后，發(fā)射應(yīng)答信息給讀寫器。 (5) 讀寫器接收IC卡的應(yīng)答信息。 7圖中陰影部分為fc=13.56 MHz載波，數(shù)據(jù)傳輸速率=13.56 MHz/128=106 kb/s(9.4 s/b)，從PICC發(fā)向PCD的信號用副載波(subcarrier)調(diào)制，副載波的頻率fs=fc/16=847 kHz。一個位時間等于8個副載波周期。 可以看到，兩種方式最主要的分別在于載波調(diào)制程度的不同(如圖3.6(a)所示)以

5、及二進制數(shù)據(jù)的編碼方法不同(如圖3.6(b)所示)。 從TYPE A和TYPE B的比較可以看出以下幾點： (1) 從讀寫器到卡的調(diào)制，TYPE A用100%ASK，因此其信號區(qū)別明顯，易于檢測，抗干擾能力強；但在每一位的傳送(傳送速率為106 kb/s時，傳送周期為9.4 s)中，有約3 s的信號間歇，這時的讀寫器到卡的能量供應(yīng)中斷，必須在卡內(nèi)電路中加一個大容量電容以維持一定的能量供應(yīng)；而TYPE B用10%ASK，卡片可以從讀寫器獲得持續(xù)的能量；但信號區(qū)別不明顯，容易造成誤讀/寫，抗干擾能力較差。 (2) TYPE A的防沖突需要卡片上較高和較精確的時序，因此需要在卡和讀寫器中分別加一些硬

6、件，而TYPE B的防沖突可以用軟件來實現(xiàn)。 目前TYPE A與TYPE B孰優(yōu)孰劣尚在爭議中。TYPE A 的產(chǎn)品具有更高的市場占有率，如Philips公司的MIFARE系列占有了當前約80%的市場，且在較為惡劣的工作環(huán)境下更有優(yōu)勢。但TYPE B應(yīng)該在安全性、高速率和適應(yīng)性方面有更好的前景，并且更適合于CPU卡。 8AntiCollision防沖突 (1) 指令功能：如果有多于一張的MIFARE 1卡處在MCM天線的有效工作范圍(距離)內(nèi)，則發(fā)生了沖突。AntiCollision指令使MCM能夠在這一疊 MIFARE 1卡中選擇某一張卡。 AntiCollision指令開始于一個AntiC

7、ollision Loop(防沖突循環(huán)，內(nèi)部處理)。AntiCollision循環(huán)的啟動是通過設(shè)置STACON寄存器中的AC位來完成的。防沖突循環(huán)結(jié)束時，AntiCollision指令將提供給用戶在這些卡片中選定的那張卡片的一個有效的40位長的序列號(SN，Serial Number)。全球每一張MIFARE 1卡的SN各不相同。 14 1RF射頻接口電路 在卡的RF射頻接口電路中，波形轉(zhuǎn)換模塊接收讀寫器所發(fā)送的13.56 MHz的無線電調(diào)制信號。一方面送調(diào)制/解調(diào)模塊，經(jīng)解調(diào)得到相應(yīng)的數(shù)字信息送數(shù)字電路模塊；另一方面進行波形轉(zhuǎn)換，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然后對其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對電壓進行

8、進一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出提供卡片上各電路的工作電壓。 POR模塊主要是對卡片上的各個電路進行POWER-ON-RESET(上電復(fù)位)，使各電路同步啟動工作。 而數(shù)字電路模塊送出的數(shù)字信息則經(jīng)由調(diào)制/解調(diào)模塊調(diào)制為13.56 MHz的無線電調(diào)制信號，再送往波形轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送給讀寫器。 2數(shù)字電路部分模塊 1) ATR模塊：Answer To Request(“請求之應(yīng)答”) 當一張MIFARE 1卡處在讀寫器的天線工作范圍之內(nèi)時，程序員控制讀寫器向卡發(fā)出Request all(或Request std)命令后，卡的ATR將啟動，將卡片Block 0 中2個字節(jié)的卡類型號(TagType)

9、傳送給讀寫器，建立卡與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。 如果不進行第一步的ATR工作，讀寫器對卡的其他操作(讀/寫操作等)將不會進行。 2) AntiCollision模塊：防(卡片)沖突功能 如果有多張MIFARE 1卡處在讀寫器的天線工作范圍之內(nèi)，則AntiCollision模塊的防沖突功能將被啟動工作。讀寫器將會首先與每一張卡進行通信，讀取每一張卡的序列號(Serial Number)。由于每一張MIFARE 1卡都具有惟一的序列號，決不會相同，因此程序員將啟動讀寫器中的AntiCollision防重疊功能配合卡上的防重疊功能模塊，根據(jù)卡序列號來選定其中一張卡。被選中的卡將被激活，可以與讀寫器進

10、行數(shù)據(jù)交換；而未被選中的卡處于等待狀態(tài)，隨時準備與讀寫器進行通信。 AntiCollision模塊(防重疊功能)啟動工作時，讀寫器將得到卡片的序列號(Serial Number)。序列號存儲在卡的Block 0中，共有5個字節(jié)，實際有用的為4個字節(jié)，另一個字節(jié)為序列號的校驗字節(jié) 。 3) Select Application 模塊：卡片的選擇 當卡與讀寫器完成了上述兩個步驟，讀寫器要想對卡進行讀/寫操作時，必須對卡進行“Select”操作，以使卡真正地被選中。 被選中的卡將卡片上存儲在Block 0中的卡容量“Size” 字節(jié)傳送給讀寫器。當讀寫器收到這一字節(jié)后，方可對卡進行進一步的操作，如密

11、碼驗證等。 4) Authentication & Access Control 模塊：認證及存取控制模塊 完成上述的三個步驟后，讀寫器對卡進行讀/寫操作之前，必須對卡上已經(jīng)設(shè)置的密碼進行認證，如果匹配，則允許進一步的讀/寫操作。 MIFARE 1 卡上有16個扇區(qū)，每個扇區(qū)都可分別設(shè)置各自的密碼，互不干涉，必須分別加以認證，才能對該扇區(qū)進行下一步的操作。因此每個扇區(qū)可獨立地應(yīng)用于一個應(yīng)用場合，整個卡可以設(shè)計成一卡多用(一卡通)的形式來應(yīng)用。5) Control & Arithmetic Unit：控制及算術(shù)運算單元 這一單元是整個卡的控制中心，是卡的“頭腦”。它主要對卡的各個單元進行操作控制

12、，協(xié)調(diào)卡的各個步驟；同時它還對各種收/發(fā)的數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算處理、遞增/遞減處理和CRC運算處理等，是卡中內(nèi)建的中央微處理器(MCU)單元。 6) RAM/ROM 單元 RAM主要配合控制及算術(shù)運算單元，將運算的結(jié)果進行暫時存儲，例如將需存儲的數(shù)據(jù)由控制及算術(shù)運算單元取出送到EEPROM存儲器中；將需要傳送給讀寫器的數(shù)據(jù)由控制及算術(shù)運算單元取出，經(jīng)過RF射頻接口電路的處理，通過卡片上的天線傳送給讀寫器。RAM中的數(shù)據(jù)在卡失掉電源后(卡片離開讀寫器天線的有效工作范圍)將會丟失。 同時，ROM中則固化了卡運行所需要的必要的程序指令，由控制及算術(shù)運算單元取出，對每個單元進行指令控制，使卡能有條不紊地與讀寫器進行數(shù)據(jù)通信。 7) Crypto Unit：數(shù)據(jù)加密單元 該單元完成對數(shù)據(jù)的加密處理及密碼保護。加密的算法可以為DES