实验2HF高频RFID通讯协议.docx
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实验2HF高频RFID通讯协议
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2.1IC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22
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
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■ 叱DI 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 1C卡 世靠标16 ]I ncc CCD T8O/TEC10W |0-30MHk 1RX PCD ISO-TEC1444) 『隼-P'lQtci) kHz,6 75XH7j? 16MH7 vice VCD isomr 踱黑舍(4m) nmmi 图2.4IC卡分类 >cDn广州飞瑞敖电子科枝有限公司 —GuangZhouF.R.OElectronicTechnologyCo.XTD. 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Mifare 1(S50)卡作为电子标签,其内部原理如图2.5所示。 图2.5M1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EEPRO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: k 0 ► 块 块1 A 块空 块3 Ui区 1 ► 块0 A 块1 ► 块愛 块3(密码A疗眼控制-藩码B] ■ || 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 r■ 1 > 块0 15 ► 块1 ► 块2 A 块缸帝玛4疗蹴拄制-塞谢B) 图2.6MFI卡片存储结构 >cDn广州飞瑞敖电子科枝有限公司 —GuangZhouF.R,0ElectronicTechnologyCo.XTD. 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0〜3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6~7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, A0A1A2A3A4A5FF078069B0B1B2B3B4B5 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;FF078069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 Bit7654 字节6 字节7 字节8 字节9 C20_b C10_b C10 C30_b C30 C20 2.3ISO14443 3210 协议标准简介 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: ISO14443协议是超短距离智慧卡标准,该标准定义出读取距离7-15公分的短距离非接 >CDn广州飞瑞敖电子科技有限公司 GuangZhouF.R.OElectronicTechnologyCo.XTO. PCD到PICC(数据传输)调制为: ASK调制指数100% PCD到PICC(数据传输)位编码为: 改进的Miller编码 PICC到PCD(数据传输)调制为: 频率为847kHz的副载波负载调制 PICC到PCD位编码为: 曼彻斯特编码 数据传输速率为106kbps 射频工作区的载波频率为12.56MHz 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Hma)之间 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: REQATYPEA请求命令 WAKEUP唤醒命令 ANTICOLLISION防冲突命令 SELECT选择命令 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2.7PICC状态转化图 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。 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REQ(对A型卡请求的应答)命令后,PICC将进入就绪状态。 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)。 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。 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_U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RFID系统读写器 2.4.1通信流程 >cDn广州飞瑞敖电子科枝有限公司 —GnangZhouF.R.OElectronicTechnologyCo.XTD. 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: 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。 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。 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。 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)。 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 242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)。 IHE'1 TJID大勺耳2 -UED大小.H hidex UID0 cr J UIDCL1 UTDI umo UID0 口口z UID1 UBI UID3 UID2 UID2 DCC BCC sec VID? cr ULUl: Jr; ULD4 VED3 TJIZ3 cm*凶 UIDfi UID3 BCC 1-■.■: uij>e uidcm 11■- fJIDP BCG 图2.9UID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犬态(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犬态。 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犬态,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: S£L KVB 1B 1B 1B .化L.「拦4-他其代码为8井别代KatffiJITCLlUIDCL2WIDCL3J 咂禾示本帝今的圧度”的前半宇节養示字节后半字辛養示位数. 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RFID2.4GRFID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 、七匕口 读卡号 02A0 读数据 09A1KeyOKey1Key2Key3Key4Key5Kn. 例: 0xA1为读数据标志。 该卡密码A为16进制: ffffffffffff对应Key0Key1Key2Key3Key4Key5; 要读的块数为第4块即Kn=4; 贝V发送: 09A1ffffffffffff04. 返回第4块的16字节数据. 写数据 19A2KeyOKeylKey2Key3Key4Key5KnNumONum1Num2Num3Num4Num5Num6Num7Num8Num9Num10Num11Num12Num13Num14Num15. 例: 0xA2为写数据标志。 该卡密码A为16进制: FFFFFFFFFFFF对应KeyOKeylKey2Key3Key4Key5;要写的块数为第4块即Kn=4; 要写的数据位000102030405060708090A0B0C0D0E0F 贝V发送: 19A2FFFFFFFFFFFF04000102030405060708090A0B0C0D0E 0F. 四、实验步骤 4.1为实验箱上电,将低频模块旁的S4DB9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UART4DB9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2.10 4.3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“02A0”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2.11 4.4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“09A1ffffffffffff04 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2.12 4.5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“19A2FFFFFFFFFFFF 04000102030405060708090A0B0C0D0E0F”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“09A1ffffffffffff04”,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0001 02030405060708090A0B0C0D0E0F,如图2.13所示。 图2.13
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