射频识别和传感器技术实验指导书

-?射频识别与传感器技术?实验指导书实验一 125KHz RFID实验 1、实验工程：125KHz RFID实验 2、目的与意义熟悉CVT-RFID MCU-II实验箱的硬件构造和原理，掌握实验箱配套控制软件的使用。了解RFID的根本工作原理，了解典型的密耦合系统，了解125KHz RFID系统应答器芯片和阅读器芯片。掌握125KHz只读卡、读写卡操作的根本原理。通过相关信号的测量加深对信号调制与解调、125KHz RFID技术只读卡、读写卡相关协议标准的理解。 3、实验环境设备与仪器 CVT-RFID MCU实验箱一台，PC机一台，双踪示波器一台，PC机操作系统Windows *P，RFID综合实验平台环境 4、背景知识 1实验箱系统硬件原理简介整个系统主要由以下几局部组成：1主处理器采用ATMEL的高性能AVR单片机，主要处理RFID标签的读写操作、ZIGBEE模块的数据传输、键盘和显示电路的处理，以及和上位机的通信。系统有标准JTAG接口和ISP下载接口，方便程序的调试和下载。2CPLD采用ALTERA的MA*系列CPLD，完成系统和上位机通信串口的切换工作，另外还挂接了键盘的行信号ROW0ROW3。3125KHz RFID采用瑞士EM MICROELECTRONIC的低频RFID处理芯片，完成对125KHz标签的自动寻卡、读写操作等。4ISO14443 RFID采用PHILIPS的高频RFID处理芯片，工作频率为13.56MHz，完成对ISO14443标签的寻卡、防冲突、选择卡、密码下载和校验、修改密码和读写操作等。5ISO15693 RFID采用模拟分立元件的设计方法，使RFID读写器的部构造更加清晰，工作频率为13.56MHz，可以完成对ISO15693标签的寻卡、防冲突、选择卡、密码下载和校验、修改密码和读写操作等。6900MHz RFID采用模块化的接口设计，增强超高频RFID的抗干扰性。完成对900MHz标签的寻卡、读写操作等。7ZIGBEE无线通信局部采用TI的无线通信单片机，系统有2个ZIGBEE模块，可以实现相互之间数据的无线透传。8键盘和显示局部键盘采用44矩阵键盘，其中列信号线COL0COL3连接到主处理器上，考虑到主处理器IO口不够，所以行信号线ROW0ROW3挂接在CPLD上；显示屏采用12864的点阵屏，所以口线均连接到主处理器上。图1-1 系统硬件原理框图2125KHz RFID硬件原理采用低频RFID的CMOS集成收发器电路基站芯片，有以下功能和特点: 100 到 150 kHz 载波频率围。 利用载波驱动天线，集成的锁相环系统，以实现用自适应载波频率来匹配天线谐振频率。 用于可读写应答器的AM调制磁场。对从天线传输来的应答器的调制信号进展AM解调。 和微处理器通过串行接口通讯。 无需外部晶振。 睡眠模式电流低至1A。具体工作原理是：通过外部线圈及部集成的电容一起组成谐振电路，从连续的125KHZ磁场中获取能量启动。芯片从部的EEPROM中读出数据，并通过和线圈并联的负载的开断产生深幅调制，将数据发送出去。通过对125KHZ磁场的100%幅度调制，可以执行各种命令和更新EEPROM中的数据。图1-2 125KHz RFID硬件原理框图 3125KHz测量点图1-3 125KHz测量点J22：GND测量点，信号公共地。J23：RDY_CLK测量点，射频芯片返回给处理器的同步时钟信号测量点。J24：MOD测量点，处理器发送的调制信号测量点。J25：DEMOD_OUT测量点，射频芯片返回给处理器的数据输出信号测量点。 4125KHz通信协议简介这里介绍ISO18000-2标准协议，ISO/IEC 18000-2 定义了125134.2KHz的空中接口通信协议参数，规定了时序参数、信号特性、标签与读写器之间通信的物理层架构、协议和指令，以及多标签读取时的防碰撞方法。1、调制标签和读写器之间采用ASK调制方式，调制深度为100%，如图1-4所示：图1-4 125KHz ASK调制波形图1-4中的时间参数如表1-1所示：表1-1 调制时间参数注：Tac = 1/fac 8us2、读写器到标签1数据编码读写器到标签的数据编码包括：数据0、数据1、code violation和stop condition，如图1-5所示：图 1-5 读写器到标签的数据编码图1-5中的时间参数如表1-2所示：表1-2 数据编码时间参数注：Tac = 1/fac 8us2SOF读写器到标签的SOF起同步作用，由一个数据0和一个code violation组成，如图1-6所示：图1-6 读写器到标签的SOF3EOFEOF由stop condition组成，如图1-7所示：图1-7 读写器到标签的EOF3、标签到读写器1数据编码标签到读写器的数据编码有两种速率：4kbit/s和2kbit/s，其中4kbit/s速率用在International Standard mand，2kbit/s速率用在Inventory mand。如图1-8所示：图1-8 标签到读写器的数据编码2SOF标签到读写器的SOF由3bits位数据110组成，如图1-9所示：图1-9 标签到读写器的SOF3EOF标签到读写器的EOF在ISO18000-2标准协议里没有定义。 5125KHz ID卡简介实验中用到的125KHz ID卡分只读卡和可读可写卡两种，下面是对这两种卡的简单介绍： 1、只读卡主要特征： 64位EEPROM 多种编码Manchester，Bi-phase，miller，PSK，FSK 多种速率 工作频率围100-150KHz 工作温度围-40到+85存储器构造：64位的EEPROM由5个局部组成，其中9位用作数据头全1，数据头后紧接着10组4位的数据，每4位数据跟着1位奇偶校验位，最后一行由4位奇偶校验位和1位停顿位停顿位规定为0组成，详细构造如表1-3所示：表1-3 125KHz只读ID卡存储器组成构造1111111119 header bits8 version bits or customer IDD00D01D02D03P010 line parity bits P0-P9D10D11D12D13P132 data bitsD20D21D22D23P2D30D31D32D33P3D40D41D42D43P4D50D51D52D53P5D60D61D62D63P6D70D71D72D73P7D80D81D82D83P8D90D91D92D93P94 column parity bitsPC0PC1PC2PC3S01 stop bit set to logic 0 2、可读可写卡主要特征： 16个32位的数据块组成512位EEPROM 32位密码读写保护 32位唯一的ID码 10位客户码 锁定位可以将EEPROM的数据块变成只读模式 多种编码Manchester，Bi-phase，miller，PSK，FSK 多种速率 工作频率围100-150KHz 工作温度围-40到+85存储器构造：512位的EEPROM由16个32位的数据块组成，EEPROM的块被编号成0到15，每块的位被编号为位0到位31。总是从LSB开场的。这32bit的EEPROM字段，是以一个字段的写命令编程的。开场的两个块是被芯片制造商规划安排的只读块块0和块1。它们被分别写入有该芯片的类型、版本，客户码和唯一序列号UID，再往下的3个块块2到块4，用来定义器件的操作选项，分别为密码字段、保护字段和配置字段。块5到块15是用户可以自由使用的空间。详细构造如表1-4所示：表1-4 125KHz可读写ID卡存储器组成构造地址编号描述类型B0 B310芯片类型/谐振电容/用户代码只读Ct0 Ct311序列号UID只读Uid0Uid312密码只写Ps0 Ps313保护字段OTPPr0 Pr314配置字段读写Co0 C0315用户空间读写Us0 Us316用户空间读写Us0 Us317用户空间读写Us0 Us318用户空间读写Us0 Us319用户空间读写Us0 Us3110用户空间读写Us0 Us3111用户空间读写Us0 Us3112用户空间读写Us0 Us3113用户空间读写Us0 Us3114用户空间读写Us0 Us3115用户空间读写Us0 Us31注：OTP表示该字段可以一次性编程写入数据，写入后的数据不能再更改。块0存放卡片信息及通用码等，该块为只读块。块1存放卡片的身份识别码(UID)，该块为只读块。块2存放卡片密码，该块为只写块，为了保护卡片密码，该块在本平台中不开放写权限。块3存放卡片保护字，用于控制卡片每块的读写权限，该块每一位都是一次性写入，写入后不可修改，为保证卡片正常使用，在本平台中不开放该块的写权限。块4存放卡片配置字，用于配置卡片每块的加密情况，该块可读可写，为保证卡片正常使用，在本平台中不开放该块的写权限。块5-块15为用户数据区，可读可写。 6控制软件界面软件界面分布如图1-10。图1-10 软件界面图注：菜单栏 串口连接设置 实验操作区域 操作提示区域 协议显示列表 系统提示通讯协议格式如图1-11：Byte0Byte1Byte2Byte3Byte4 - Byte4+nByte4+n+1 - Byte4+n+20*430*BC帧长度模块类型命令CRC-16校验图1-11 通讯协议格式Byte0：帧头1，C的ASCII码Byte1：帧头2，Byte0的反码Byte2：Byte0到Byte4+n+2的总字节数Byte3：表示命令操作针对的模块0*00：表示设置实验类型0*01：表示125K0*02：表示13.56M-144430*03：表示13.56M-156930*04：表示900M0*05：表示Zigbee10*06：表示Zigbee2Byte4+n+1 - Byte4+n+2：Byte0到Byte4+n的16位CRC数据校验，高位在前，低位在后CRC多项式：8408，初始值：FFFF 5、实验容与过程 一 125KHz硬件根本实验1 125KHz 时钟信号测量实验1、测试线连接连接示波器：使用CH1 探头，地接到J22测试架，CH1探针接到J23测试架设置示波器：触发源选择CH，其余设置可以参照示波器使用说明书。2、操作翻开控制软件，系统默认实验模式即为LF 125KHz模式，翻开串口，启动只读自动识别标签。3、观测信号，如图1-12所示：图1-12 解调电子标签返回的时钟信号图2125KHz MOD信号测量实验1、测试线连接连接示波器：使用CH1 探头、CH2探头，地都接到J22测试架，CH1探针接到J23测试架，CH2接到J24测试架。设置示波器：触发源选择CH，其余设置可以参照示波器使用说明书。2、操作翻开控制软件，系统默认实验模式即为LF 125KHz模式，翻开串口，选择读写卡操作的读数据。3、观测信号，如图1-13所示：图1-13 射频调制信号图3125KHz 调制解调信号测量实验1、测试线连接连接示波器：使用CH1 探头、CH2探头，地都接到J22测试架，CH1探针接到J24测试架，CH2接到J25测试架。设置示波器：触发源选择CH，其余设置可以参照示波器使用说明书。2、操作翻开控制软件，系统默认实验模式即为LF 125KHz模式，翻开串口，选择读写卡操作的读数据。3、观测信号，如图1-14所示：图1-14 射频调制解调信号图 二125KHz ID只读卡读取实验1、 将串口连接到实验箱1上，实验箱通电。2、 翻开RFID综合实验平台软件。3、 选择菜单栏中的通讯，点击设置，弹出设置实验类型对话框。图1-15 实验类型设置4、 串口设置，如果直接使用PC机串口1，选择1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后翻开串口。5、 实验设置，选择实验类型为125k，点击设置。6、 选择LF 125K标签，连接串口线到实验箱串口1，如果直接使用PC机串口1，选择1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后翻开串口。7、 点击只读卡操作中的自动寻卡按钮，程序会不停的向125kHz模块发送寻卡命令。将125K只读卡放到125K天线附近，当125kHz模块读到有只读卡时，只读卡操作面板上会出现卡号显示，假设没有识别到只读卡，则显示全0。8、 观察读到的卡号。如图1-16所示：图1-16 125K只读卡实验从图1-16可以看出，读取到这ID卡的信息如下：Customer Code：3FData Item：00BF598DBit Rate：RF/64Encoder: Manchester9、 关闭自动寻卡。 三125KHz ID可读写卡实验1、 将串口连接到实验箱1上，实验箱通电。2、 翻开RFID综合实验平台软件。3、 选择菜单栏中的通讯，点击设置，弹出设置实验类型对话框。4、 串口设置，如果直接使用PC机串口1，选择1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后翻开串口。5、 实验设置，选择实验类型为125k，点击设置。6、 选择LF 125K标签，连接串口线到实验箱串口1，如果直接使用PC机串口1，选择1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后翻开串口。7、 将125K可读写卡放到125K天线附近，在选择地址下拉菜单中选择一个地址，点击可读写卡操作中的读数据按钮，观察读到的卡号。如图1-17所示。图1-17 125K可读写卡读数据实验从图1-17可以看出，这ID卡的地址5的数据为：00000000，可以选择不同的地址，然后读取数据。8、仍然选择地址5，在数据栏里把00000000改成12345678，点击写数据按钮，提示栏里会提示写入数据完成，这时再点击读数据按钮，查看地址5的数据写入是否成功。如图1-18所示。图1- 18 125K可读写卡写数据实验从图1-18可以看出，地址5的数据写入完成后，数据由00000000改成12345678，这表示对ID卡的写入数据时成功的。地址5到地址15是可读可写区，可以选择这些地址，进展写数据实验。 6、综合思考与练习（1） 根据该实验箱给出的硬件原理图，找出125KHz RFID技术中使用的应答器和读写器核心芯片型号，查找资料，进一步了解它们的引脚分布，分析其工作原理。（2） 分析125KHz RFID技术中的数据编码及调制解调技术。（3） 分析125KHz RFID技术对应的相关协议标准，总结一下本实验表达出了哪些局部。实验二 13.56MHz ISO/IEC 14443实验 1、实验工程：13.56MHz ISO/IEC 14443实验 2、目的与意义 理解典型的近耦合系统，熟悉CVT-RFIDMCU-II实验箱根本操作，熟悉CVT-RFIDMCU-II综合实验平台，理解Mifare one卡操作根本原理，了解Mifare one卡通信协议。了解13.56MHz ISO/IEC 14443 RFID系统应答器芯片和阅读器芯片。进一步加强对13.56MHz ISO/IEC 14443协议标准的理解。理解ISO/IEC 14443标签防碰撞的原理和协议。 3、实验环境设备与仪器CVT-RFID MCU实验箱一台，PC机一台，双踪示波器一台，PC机操作系统Windows *P，RFID综合实验平台环境 4、背景知识 1ISO14443硬件原理采用高频RFID的CMOS集成收发器电路基站芯片，该读卡IC利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。支持ISO14443A的多层应用。部的发送器局部不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线可达100mm。接收器局部提供一个稳固而有效的解调和解码电路，用于ISO14443A兼容的应答器信号。数字局部处理ISO14443A帧和错误检测奇偶CRC。此外，它还支持快速CRYPTO1加密算法，用于验证MIFARE系列产品。方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，这样给读卡器/终端的设计提供了极大的灵活性。有以下功能和特点:高集成度的调制解调电路；缓冲输出驱动器使用最少数目的外部元件连接到天线； 最大工作距离100mm； 支持ISO 14443 TypeA协议的-1-4局部和Mifare经典协议； 采用Crypto1加密算法并含有平安的非易失性部密匙存储器； 并行微处理器接口带有部地址锁存和中断请求线； 自动检测微处理器并行接口类型； 灵活的中断处理； 64字节发送和接收FIFO缓冲区； 带低功耗的硬件复位； 可编程定时器； 唯一的序列号； 用户可编程初始化配置； 面向位和字节的帧构造； 支持防碰撞操作； 数字、模拟和发送器局部经独立的引脚分别供电； 部振荡器缓存器连接13.56MHz石英晶体；在短距离应用中，发送器天线驱动可以用3.3V供电。图2-1 ISO14443硬件原理功能框图2ISO14443通信协议简介ISO/IEC14443规定了邻近卡(PICC)的物理特性；需要供应能量的场的性质与特征，以及邻近耦合设备(PCDs)和邻近卡(PICCs)之间的双向通信；卡(PICCs)进入邻近耦合设备(PCDs)时的轮寻，通信初始化阶段的字符格式，帧构造，时序信息；非接触的半双功的块传输协议并定义了激活和停顿协议的步骤。传输协议同时适用于TYPE A 和 TYPE B。TYPE A和TYPE B型卡片主要的区别在于载波调制深度及二进制数的编码方式和防冲突机制。1、调制解调与编码解码技术根据信号发送和接收方式的不同，ISO/IEC14443-3定义了TYPEA、TYPEB两种卡型。它们的不同主要在于载波的调制深度及二进制数的编码方式。从PCD向PICC传送信号时，二者是通过13.56Mhz的射频载波传送信号。从PICC向PCD传送信号时，二者均通过调制载波传送信号，副载波频率皆为847KHz。图2-2 Type A、B接口的通信信号Type A型卡在读写机上向卡传送信号时，是通过13.65MHz的射频载波传送信号。其采用方案为同步、改良的Miller编码方式，通过100%ASK传送；当卡向读写机具传送信号时，通过调制载波传送信号。使用847kHz的副载波传送Manchester编码。简单说，当表示信息1时，信号会有0.3微妙的间隙，当表示信息0时，信号可能有间隙也可能没有，与前后的信息有关。这种方式的优点是信息区别明显，受干扰的时机少，反响速度快，不容易误操作；缺点是在需要持续不断的提高能量到非接触卡时，能量有可能会出现波动。Type B型卡在读写机具向卡传送信号时，也是通过13.65MHz的射频载波信号，但采用的是异步、NRZ编码方式，通过用10%ASK传送的方案；在卡向读写机具传送信号时，则是采用的BPSK编码进展调制。即信息1和信息0的区别在于信息1的信号幅度大，即信号强，信息0的信号幅度小，即信号弱。这种方式的优点是持续不断的信号传递，不会出现能量波动的情况；从PCD到PICC的通信信号接口主要区别在信号调制方面，TYPE A调制使用RF工作场的ASK100%调制原理来产生一个暂停(pause)状态来进展PCD和PICC间的通信。图2-3 Type A调制波形TYPE B调制使用RF工作场的ASK10%调幅来进展PCD和PICC间的通信。调制指数最小应为8%，最大应为14%。图2-4 Type B调制波形根据二者的设计方案不同，可看出，TYPE A 和 TYPE B有以下不同：TYPE B接收信号时，不会因能量损失而使芯片部逻辑及软件工作停顿。在NPAUSE到来，TYPE A的芯片得不到时钟，而TYPE B用10ASK，卡片可以从读写器获得持续的能量； TYPE B时容易稳压，所以比较平安可靠。TYPE A卡采用100调制方式，在调制发生时候无能量传输，仅仅靠卡片部电容维持，所以卡片的通讯必须到达一定的速率，在电容电量耗完之前完毕本次调制，否则卡片会复位。负载波采用BPSK调制技术，TYPE B较TYPEA方案降低了6dB的信号燥声，抗干扰能力更强。外围电路设计简单。读写机具到卡及卡到读写机具的编码方式均采用NRZ方案，电路设计对称，设计时可使用简单的UARTS，TYPE B更容易实现。 2、 防冲突机制 ISO/IEC 14443-3规定了TYPEA，TYPEB 的防冲突机制。二者防冲突机制的原理完全不同。前者是基于BIT冲突检测协议，后者则是通过字节、帧及命令完成防冲突。 RFID的核心是防冲突技术，这也是和接触式IC卡的主要区别。TYPE A PICC防冲突和通信使用标准帧用于数据交换，并按以下顺序组成：通信开场；n*8个数据位+奇数奇偶校验位，n1。每个字节的LSB首先被发送。每个字节后面跟随一个奇数奇偶校验位。奇偶校验位P被设置，使在b1到b8，P中1s的数目为奇数；通信完毕。 最先传输位 奇偶位 第2字节 第n字节 传输完毕第1字节：图2-5 TYPE A 标准帧TYPE A PICC的初始化和比特冲突检测协议是当至少两个PICC同时传输带有一个或多个比特位置该位置至少有两个PICC在传输补充值的比特模式时，PCD会检测到冲突。在这种情况下，比特模式合并，并且在整个100%位持续时间载波以负载波进展调制。图2-6 TYPE A PICC状态图TYPE B PICC防冲突和通信初始化期间使用的字节、帧和命令的格式。PICC和PCD之间的字节通过字符来发送和接收，在防冲突序列期间，字符的格式如下：1个逻辑“0起始位；8个数据位发送，首先发送LSB；1个逻辑“1停顿位。 最高位 停顿位 EGT 起始位 最低位用一个字符执行一个字节的发送需要10etu，如图2-7示。图2-7 TYPE B字符格式PCD和PICC按帧发送字符。帧通常用SOF帧的起始和EOF帧的完毕定界。SOF字符EOF图2-8 TYPE B帧格式在防冲突序列期间，可能发生两个或两个以上的PICC同时响应：这就是冲突。命令集和允许PCD处理冲突序列以便及时别离PICC传输。在完成防冲突序列后，PICC通信将完全处于PCD的控制之下，每次只允许一个PICC通信。防冲突方案以时间槽的定义为根底，要求PICC在时间槽用最小标识数据进展应答。时间槽数被参数化，围从1到*一整数。在每一个时间槽，PICC响应的概率也是可控制的。在防冲突序列中，PICC仅被允许应答一次。从而，即便在PCD场中有多个卡，在一个时间槽也仅有一个卡应答，并且PCD在这个时间槽能捕获标识数据。根据标识数据，PCD能够与被标识的卡建立一个通信信道。防冲突序列允许选择一个或多个PICC以便在任何时候进展进一步的通信。图2-9 TYPE B PICC状态图从建立PCD与PICCCPU卡之间通信的方面来比较：TYPE A类型卡片 需要的根本命令有：REQA 对A型卡的请求 或WAKE-UP 唤醒ANTICOLLISION 防冲突SELECT 选择命令RATS 应答响应图2-10 TYPE A PICC激活TYPE B类型卡片 需要的根本命令有：REQB 对B型卡的请求 ATTRIB PICC选择命令TYPE B PICC激活如图2-9 所示。从以上的比较可以看出：TYPE B类型卡片具有使用更少的命令，更快的响应速度来实现防冲突和选择卡片的能力。 TYPEA的防冲突需要卡片上较高和较准确的时序，因此需要在卡和读写器中分别加更多硬件，而TYPE B的防冲突更容易实现。 3Mifare one卡简介Mifare one卡简称M1卡，系统13.56MHz ISO14443实验使用M1卡，下面是对M1卡对简单介绍：1、主要指标 容量为8K位EEPROM 分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节,以块为存取单位 每个扇区有独立的一组密码及控制 每卡有唯一序列号，为32位 具有防冲突机制，支持多卡操作 无电源，自带天线，含加密控制逻辑和通讯逻辑电路 数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次 工作温度：-2050(温度为90%), PET材料封装得M1卡，温度可达100。 工作频率：13.56MHZ 通信速率：106KBPS 读写距离：10mm以与读写器有关2、存储构造1M1卡分为16个扇区，每个扇区由4块块0、块1、块2、块3组成，我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为063，存贮构造如图2-11所示：图2-11 M1卡存贮构造2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。3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，可以进展读、写操作。用作数据值，可以进展初始化值、加值、减值、读值操作。4每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。具体构造如下： A0 A1 A2 A3 A4 A5 FF 07 80 69 B0 B1 B2 B3 B4 B5密码A6字节存取控制4字节密码B6字节5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控制块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： C10 C20 C30 块1： C11 C21 C31 块2： C12 C22 C32 块3： C13 C23 C33 三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的权限如进展减值操作必须验证KEY A，进展加值操作必须验证KEY B，等等。三个控制位在存取控制字节中的位置，以块0为例，详见图2-12。 图2-12 控制字节的三个控制位6数据块块0、块1、块2的存取控制如图2-13所示：图2-13 数据块的存取控制例如：当块0的存取控制位C10 C20 C30=1 0 0时，验证密码A或密码B正确后可读；验证密码B正确后可写；不能进展加值、减值操作。7控制块块3的存取控制与数据块块0、1、2不同，它的存取控制如图2-14所示：图2-14 数据块3的存取控制例如：当块3的存取控制位C13 C23 C33=1 0 0时，表示： 密码A：不可读，验证KEYA或KEYB正确后，可写更改。 存取控制：验证KEYA或KEYB正确后，可读、可写。 密码B：验证KEYA或KEYB正确后，可读、可写。 3、工作原理卡片的电气局部只由一个天线和ASIC组成。 天线：卡片的天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到IS0卡片中。 ASIC：卡片的ASIC由一个高速106KB波特率的RF接口，一个控制单元和一个 8K位EEPROM组成。 工作原理：读写器向M1卡发一组固定频率的电磁波，卡片有一个LC串联谐振电路，其频率与讯写器发射的频率一样，在电磁波的鼓励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容的电荷送到另一个电容储存，当所积累的电荷到达2V时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡数据发射出去或接取读写器的数据。4、M1射频卡与读写器的通讯 M1射频卡与读写器之间的通讯见图2-15。图2-15 M1与读写器间的通讯1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。2防冲突机制当有多卡进入读写器操作围时，防冲突机制会从其中选择一进展操作，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。3选择卡片选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。4三次相互确认选定要处理的卡片之后，读写器就确定要的扇区号，并对该扇区密码进展密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流进展通讯。在选择另一扇区时，则必须进展另一扇区密码校验。5对数据块的操作读 (Read)：读一个块； 写 (Write：写一个块； 加Increment：对数值块进展加值； 减Decrement：对数值块进展减值； 存储Restore：将块中的容存到数据存放器中； 传输Transfer：将数据存放器中的容写入块中； 中止Halt：将卡置于暂停工作状态； 4HF ISO14443控制软件界面HF ISO14443的软件界面分布如图2-16所示：图2-16 HF ISO14443软件界面图 5、实验容与过程 一ISO14443标签寻卡操作实验1、将串口连接到实验箱1上，实验箱通电。2、翻开RFID综合实验平台软件。3、选择菜单栏中的通讯，点击设置，弹出设置实验类型对话框。图2-17 实验类型设置4、串口设置，如果直接使用PC机串口1，选择1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后翻开串口。5、实验设置，选择实验类型为ISO14443，点击设置。6、选择HF 14443标签，连接串口线到实验箱串口1，如果直接使用PC机串口1，选择1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后翻开串口。7、 将HF 14443标签放到ISO14443天线附近，依次点击寻卡操作中的寻卡按钮、防冲突和选择。8、观察实验结果。如图2-18所示：图2-18 ISO14443标签寻卡操作从图2-18可以看出，读取到这ID卡的信息如下：卡类型：Mifare One卡卡 号：F5945278 二ISO14443标签密码下载实验1、将串口连接到实验箱1上，实验箱通电。2、翻开RFID综合实验平台软件。3、选择菜单栏中的通讯，点击设置，弹出设置实验类型对话框。4、串口设置，如果直接使用PC机串口1，选择1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后翻开串口。5、实验设置，选择实验类型为ISO14443，点击设置。6、选择HF 14443标签，连接串口线到实验箱串口1，如果直接使用PC机串口1，选择1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后翻开串口。7、将HF 14443标签放到ISO14443天线附近，依次点击寻卡操作中的寻卡、防冲突和选择按钮。8、在密码下载操作中，选择扇区0，密码A填写FFFFFFFFFFFF这是初始密码，依次点击下载密码A和校验按钮。9、观察实验结果。如图2-19所示：图2-19 ISO14443标签密码下载校验 三ISO14443标签数据读写实验1.将串口连接到实验箱1上，实验箱通电。2.翻开RFID综合实验平台软件。3.选择菜单栏中的通讯，点击设置，弹出设置实验类型对话框。4.串口设置，如果直接使用PC机串口1，选择1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后翻开串口。5.实验设置，选择实验类型为ISO14443，点击设置。6.选择HF 14443标签，连接串口线到实验箱串口1，如果直接使用PC机串口1，选择1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后翻开串口。7.将HF 14443标签放到ISO14443天线附近，依次点击寻卡操作中的寻卡、防冲突和选择按钮。8.在密码下载操作中，选择扇区0，密码A填写FFFFFFFF这是初始密码，依次点击下载密码A和校验按钮。9.在数据读写操作中，选择块0块0属于只读区，点击读取按钮。如图2-20所示。图2-20 ISO14443标签数据读取 10、选择块1，先点击读取按钮，然后在数据栏填入全0，再点击写入按钮。可以再次点击读取按钮，查看写入是否成功。如图2-21所示。 图2-21 ISO14443标签数据写入 四ISO14443标签密码修改实验1.将串口连接到实验箱1上，实验箱通电。2.翻开RFID综合实验平台软件。3.选择菜单栏中的通讯，点击设置，弹出设置实验类型对话框。4.串口设置，如果直接使用PC机串口1，选择1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后翻开串口。5.实验设置，选择实验类型为ISO14443，点击设置。6.选择HF 14443标签，连接串口线到实验箱串口1，如果直接使用PC机串口1，选择1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后翻开串口。7.将HF 14443标签放到ISO14443天线附近，依次点击寻卡操作中的寻卡、防冲突和选择按钮。8.在密码下载操作中，选择扇区0，密码A填写FFFFFFFFFFFF这是初始密码，依次点击下载密码A和校验按钮。9.在修改密码操作中，选择扇区0，在密码A栏填写1，在密码B栏也填写1，点击修改密码按钮。如图2-22所示。图2-22 ISO14443标签密码修改10.重复步骤7、步骤8，这时如果密码填写FFFFFFFFFFFF，信息打印栏提示密码校验失败。再重复步骤7、步骤8，密码填写1，信息打印栏提示密码校验成功。这说明步骤9修改密码成功。如图2-22所示。图2-22 ISO14443标签密码修改验证 6、综合思考与练习 1根据该实验箱给出的硬件原理图，找出13.56MHz ISO/IEC 14443 RFID技术中使用的应答器和读写器核心芯片型号，查找资料，进一步了解它们的引脚分布，分析其工作原理。 2分析13.56MHz ISO/IEC 14443 RFID技术中的数据编码及调制解调技术。 3分析13.56MHz ISO/IEC 14443 RFID技术对应的相关协议标准，总结一下本实验表达出了哪些局部。实验三13.56MHz ISO15693 RFID实验1、实验工程：13.56MHz ISO15693 RFID实验 2、目的与意义熟悉CVT-RFID MCU-II实验箱的硬件构造和原理，掌握实验箱配套控制软件的使用。了解RFID的根本工作原理，了解典型的疏耦合系统，了解13.56MHz ISO15693 RFID系统应答器和阅读器分立元件构成。熟悉和学习ISO/IEC 18000-3，ISO15693标准规第三局部协议和指令容。理解ISO15693标签防碰撞的原理和协议。 3、实验环境设备与仪器CVT-RFID MCU实验箱一台，PC机一台，双踪示波器一台，PC机操作系统Windows *P，RFID综合实验平台环境 4、背景知识 1ISO15693硬件原理这局部电路采用模拟分立元件的设计方法，使RFID读写器的部构造更加清晰，能提取和展现出RFID系统中整个的射频信号，包括编码信号、载波信号、调制信号、调制载波信号功率放大信号电子标签返回的信号、FSK解调信号和ASK解调信号。图3-1 ISO15693硬件原理功能框图这里RF信号的调制包括ASK和FSK，下面简单介绍这两种调制方式的根本原理。基带数字信号可以在传输距离不远的情况下直接传送，但如果要进展远距离传输时，特别是在无线信道上传输时，则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输，必须对数字信号进展载波调制。如同模拟信号的频带传输时一样，传输数字信号时也有三种根本的调制方式：振幅键控ASK、频移键控FSK和相移键控PSK。它们分别对应于利用载波正弦波的幅度、频率和相位来承载数字基带信号，可以看作是模拟线性调制和角度调制的特殊情况。理论上数字调制与模拟调制在本质上没有什么不同，它们都属于正弦波调制。但是，数字调制是源信号为离散型的正弦波调制，而模拟调制则是源信号为连续型的正弦波调制，因而，数字调制具有由数字信号带来的一些特点。这些特点主要包括两个方面：第一，数字调制信号的产生，除把数字的调制信号当作模拟信号的特例而直接采用模拟调制方式产生数字调制信号外，还可以采用键控载波的方法。第二，对于数字调制信号的解调，为提高系统的抗噪声性能，通常采用与模拟调制系统中不同的解调方式。ASK的调制原理：振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制，即源信号为“1时，发送载波，源信号为“0时，发送0电平。 所以也称这种调制为通、断键控OOK。当数字基带信号为二进制时，也称为二进制振幅键控2ASK。ASK信号的调制方法有模拟幅度调制方法和键控方法两种，如图3-2所示。图3-2 ASK信号的模拟幅度调制法和键控法ASK信号是数字调制方式中最早出现的，也是最简单的，但其抗噪声性能较差，因此实际应用并不广泛，但经常作为研究其它数字调制方式的根底。ASK信号的解调：与调幅信号相似，ASK信号也有两种根本的解调方式：非相干解调包络检波法和相干解调同步检测法。ASK系统组成分别如图3-3所示。图3-3 ASK系统组成FSK的调制原理： 在二进制数字调制中，假设正弦载波的频率随二进制基带信号在两个频率点间变化，则产生二进制移频键控信号FSK信号。FSK信号的产生，可以采用模拟调频电路来实现、即利用一个矩形脉冲对载波进展调制；也可以采用数字键控的方法来实现、即利用受控的矩形脉冲序列控制的开关电路对两个独立的频率源进展选通。如图3-4所示。图3-4 FSK调制原理示意图FSK方式在数字通信中的应用较为广泛。在话音频带进展数据传输时，CCITT建议在低于1200bit/s时使用。在微波通信系统中也用于传输监控信息。FSK信号的解调：二进制频移键控信号的解调方法很多，有模拟鉴频法和过零检测法，有非相干解调方法也有相干解调方法。采用非相干解调和相干解调两种方法的原理如图3-5所示。其解调原理是将二进制频移键控信号分解为上下两路二进制振幅键控信号，分别进展解调，通过对上下两路的抽样值进展比较最终判决出输出信号。这里的抽样判决器是判断哪一个输入样值大，因此可以不设置门限值。图3-5 FSK解调原理示意图 2ISO15693测量点 图3-6 ISO 15693测量点J8：Carrier测量点，射频发射的载波信号测量点。J9：FSK测量点，电子标签返回FSK放大后的信号测量点。J10：Modu测量点，射频发射的载波调制后信号测量点。J11：ASK测量点，电子标签返回ASK放大后的信号测量点。J12：RF_OUT测量点，射频发射/承受天线信号测量点。J19、J20：GND测量点，信号公共地。J21：MCU_TRIG测量点，处理器对载波信号进展调制的数字信号测量点。 3ISO15693通信协议简介ISO15693 是一系列针对近距离vicinity RFID 的国际化、独立于厂商的标准。它工作于 13.56MHz，并使用磁场耦合读卡器(VCD)和卡片 (VICC)。读取距离可达 1-1.5 米非接触智能卡，使用的频率为13.56MHz，设计简单让生产读卡器的本钱比 ISO14443 低，大都用来做出入控制、出勤考核等，现在很多企业使用的门禁卡大都使用这一类的标准。由于这类卡可以以较大距离工作，故所需的场强1.15-5 A/m小于接近式卡片 (1.5 to 7.5 A/m)。ISO 15693-1 这局部描述了物理层ISO 15693-2 这局部描述了射频的电源和信号界面ISO 15693-3 这局部描述了防冲突和传输协议这里主要介绍ISO15693-3局部，其它两局部参照ISO15693的协议。以下缩略语适用于本局部：ASK移幅键控EOF帧完毕LSB最低有效位MSB最高有效位PPM脉冲位置调制RF射频SOF起始帧VCD附近式耦合设备VICC附近式集成电路卡1调制采用ASK的调制原理，在VCD和VICC之间产生通信。使用两个调制指数，10%和100%。VICC应对两者都能够解码。VCD决定使用何种调制指数。 根据VCD选定的*种调制指数，产生一个如图3-7和图3-8所示的“暂停pause状态。 在t4 ma*时间后,应执行时钟恢复。图3-7 100%ASK负载调制在10%和30%之间的任何调制值时VICC应进展操作。图3-8 10%ASK负载波调制2数据速率和数据编码数据编码采用脉冲位置调制。 VICC应能够支持两种数据编码模式。VCD决定选择哪一种模式，并在帧起始SOF时给与VICC指示。1数据编码模式： 256取1 一个单字节的值可以由一个暂停的位置表示。在256/fC约18.88s的连续时间256取1的暂停决定了字节的值。传输一个字节需要4.833 ms，数据速率是1.54 kbits/sfC/8192。最后一帧字节应在VCD发出EOF前被完整传送。 图3-9示了该脉冲位置调制技术。 图3-9 256取1编码模式在图3-9中数据E1 = (11100001)b = (225) 是由VCD发送给VICC的。 暂停产生在已决定值的时间周期的后一半，如图3-10所示。 图3-10 1个时间周期的延迟2数据编码模式：4取1 使用4取1脉冲位置调制模式，这种位置一次决定2个位。4个连续的位对构成1个字节，首先传送最低的位对。 数据速率为26.48 kbits/s (fC/512)。 图3-10示出了4取1脉冲位置技术和编码。 图3-10 4取1编码模式例如：图3-11示出了VCD传送E1 = (11100001)b = 225。 图3-11 4取1编码例如 3 VCD到VICC帧选择帧为了容易同步和不依赖协议。 帧由帧起始SOF和帧完毕EOF来分隔，使用编码违例来实现此功能。ISO/IEC保存未使用项以备将来使用。 在发送一帧数据给VCD后，VICC应准备在300s接收来自VCD的一帧数据。 VICC应准备在能量场激活的情况下，在1ms接收一帧数据。 1SOF选择256取1编码 图3-11示了SOF序列选择256取1的数据编码模式。 图3-11 256取1模式的开场帧2SOF选择4取1编码 图3-12示了SOF序列选择4取1的数据编码模式。 图3-12 4取1模式的开场帧3EOF满足两者中任意一种数据编码模式 图3-13示出了EOF序列选择任意一种数据编码模式。 图3-13 任意模式的完毕帧4 VICC到VCD通讯接口对于一些参数定义了多种模式，以满足不同的噪声环境和不同的应用需求。 1负载调制 VICC应能经电感耦合区域与VCD通信，在该区域中，所加载的载波频率能产生频率为fs的副载波。该副载波应能通过切换VICC中的负载来产生。 按测试方法描述进展测量，负载调制振幅应至少10mV。 VICC负载调制的测试方法在国际标准ISO/IEC 10373-7中定义。2副载波 由VCD通讯协议报头的第一位选择使用一种或两种副载波。VICC应支持两种模式。 当使用一种副载波，副载波负载调制频率fS1应为fC/32约423.75 kHz。 当使用两种副载波，频率fS1应为fC/32约423.75 kHz，频率fS2应为fC/28约484.28 kHz。 假设两种副载波都出现，它们之间应有连续的相位关系。 3数据速率 使用低或高数据速率。由VCD通讯协议报头的第二位选择使用何种速率。VICC应支持表3-1示出的数据速率。 表3-1 数据速率 数据速率单副载波双副载波低6.62kbi