無線射頻識(shí)別(RFID)芯片技術(shù)

RFID(Radio FreqtJency Identification)技術(shù)被全球高科技領(lǐng)域譽(yù)為最有市場(chǎng)前景、最具改變?nèi)祟惿罘绞胶透呖萍籍a(chǎn)業(yè)面貌的技術(shù)。英特爾、微軟、IBM、NEC、日立、訊寶等巨頭企業(yè)，都對(duì)RFID技術(shù)傾注了巨大的熱情。TI，Intel等美國(guó)集成電路廠商目前都在RFID領(lǐng)域投入巨資進(jìn)行RFID芯片開發(fā)，IBM、Microsoft等也在積極開發(fā)相應(yīng)的軟件及系統(tǒng)來支持RFID的應(yīng)用，而菲利普電子公司則是RFID芯片制造業(yè)的領(lǐng)頭產(chǎn)商。故本文以Philips生產(chǎn)的Mifare lS50為例子，剖析RFID卡的結(jié)構(gòu)及其芯片的通訊、存儲(chǔ)技術(shù)。該卡的RFID芯片所具有的獨(dú)特的MIFARE RF(射頻)非接觸式接口標(biāo)準(zhǔn)已被制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO／IEC 14443 TYPE A標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用很廣泛。

l Mifare lS50卡的結(jié)構(gòu)及主要特性

Mifare 1 S50卡是一種非接觸式IC卡，又稱RFID卡(射頻卡)。RFID卡是世界上最近幾年蓬勃發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，他成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來，解決了卡中無電源和免接觸使用這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。

Mifare 1S50卡的電氣部分只由一個(gè)天線和一塊RFID芯片組成。其中天線是只有幾組繞線的線圈，封裝到ISO卡片中。數(shù)據(jù)保存期為10年，可改寫10萬(wàn)次，讀無限次。卡與讀寫器之間的通訊采用國(guó)際通用的DES和RES保密交叉算法，具有極高的保密性能。其主要特性
如下：

工作頻率：13．56 MHz；

通信速率：106 kb／s；

防沖突：同一時(shí)間可處理多張卡；

讀寫距離：在100 mm內(nèi)(與天線形狀有關(guān))能方便快速地傳遞數(shù)據(jù)；

握手式半雙工通訊方式；

在無線通訊過程中通過以下機(jī)制來保證數(shù)據(jù)完整防沖突機(jī)制；每塊有16位CRC糾錯(cuò)；每字節(jié)有奇偶校驗(yàn)位；檢查位數(shù)；用編碼方式來區(qū)分"1"、"0"或無信息；信道監(jiān)測(cè)(通過協(xié)議順序和位流分析)；

支持多卡操作；

材料：PVC；

尺寸：符合ISO10536標(biāo)準(zhǔn)；

無電池：無線方式傳遞數(shù)據(jù)和能量；

芯片加工技術(shù)：采用高速的CMOS E2PROM工藝；

安全性：3次相互認(rèn)證(ISO／IEC DIS 9798-2)；通訊過程中所有數(shù)據(jù)均加密以防止信號(hào)截?。幻恳簧葏^(qū)有相互獨(dú)立的密碼；每張卡有32位全球惟一的序列號(hào)；傳輸密瑪保護(hù)；

支持一卡多用的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)；

典型交易過程<100 ms。

2 Mifare 1S50卡的RFID芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Mifare 1S50卡的芯片由RF-Interface(射頻接口)和Digtal Section(數(shù)字模塊)兩部分組成，如圖1所示。

射頻接口部分由整流器、電壓調(diào)節(jié)器、上電復(fù)位(POWER ON RESET，POR)模塊、時(shí)鐘再生器、調(diào)制器／解調(diào)器等部分組成。主要有4個(gè)功能：

(1)為RFID芯片內(nèi)部各部分電路提供工作時(shí)所需要的能量。

(2)提供POR信號(hào)，使各部分電路同步啟動(dòng)工作。

(3)從載波中提取電路正常工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)。

(4)將載波上的指令和數(shù)據(jù)解調(diào)出來供數(shù)字模塊處理以及對(duì)待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。
數(shù)字模塊主要由如下部分組成：

ATR(Answer to Request)模塊：卡在讀寫器的天線工作范圍內(nèi)時(shí)，當(dāng)讀寫器向卡發(fā)出Request all(或：Requeststd)命令后，芯片的此模塊啟動(dòng)，藉此建立與讀寫器的第一步通信。

AntiCollision模塊：起防止卡片重疊。具體原理如下：若有多張卡在讀寫器天線的工作范圍內(nèi)時(shí)，芯片的此模塊啟動(dòng)，讀寫器首先與所有的卡片通信，獲取每一張卡的序列號(hào)，然后，根據(jù)序列號(hào)選定一張卡片。

Select Application模塊：確認(rèn)對(duì)卡片的選擇。

Authentication & Access Control模塊：卡片確認(rèn)被選中后，啟動(dòng)此模塊，進(jìn)行卡片與讀寫器之間相互認(rèn)證。只有通過相互認(rèn)證，才能進(jìn)行進(jìn)一步的操作。

Control ＆ Arithmetic Unit模塊：此模塊是整塊芯片的控制中心，芯片內(nèi)建的中央處理機(jī)單元。

RAM：配合Control&Arithmetic Unit，將運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)；若有數(shù)據(jù)要存到E2PROM，則取出數(shù)據(jù)存到E2PROM中；若有數(shù)據(jù)要傳送到讀寫器，則取出數(shù)據(jù)，讓射頻接口電路進(jìn)行處理，通過卡上的天線傳送給讀寫器。

ROM：固化卡片運(yùn)行所需要的必要的程序指令。

Crypto Unit：此模塊完成對(duì)數(shù)據(jù)的加密處理及密碼保護(hù)。

E2PROM Interface：此模塊為E2PROM的接口電路。

E2PROM Memory：E2PROM存儲(chǔ)器。

3 Mifare 1S50卡的RFID芯片通信技術(shù)

卡與讀寫器之間的通信速率為106 kb／s。從卡向讀寫器傳送信號(hào)時(shí)，使用的副載波頻率為847 kHz(fc／16)，采用Manchester編碼方式，開關(guān)鍵控(On-off Keying，OOK)調(diào)制信號(hào)；讀寫器向卡傳輸信號(hào)時(shí)，使用的射頻載波頻率是13．56 MHz，采用同步時(shí)序、改進(jìn)的：Miller 編碼方式，調(diào)制深度為100％的ASK(Amplirude Shift Keying，幅移鍵控)信號(hào)。

Miller 編碼用在半個(gè)比特周期的任意邊緣表示二進(jìn)制1，而經(jīng)過下一個(gè)周期中不變的電平表示二進(jìn)制O，如果連續(xù)一串O，則在O比特周期開始時(shí)產(chǎn)生電平交變。改進(jìn)Miller編碼是對(duì)Miller編碼的改型，每個(gè)邊沿都用凹槽來代替。Manchester編碼的方法是用在半個(gè)比特周期的負(fù)邊沿表示二進(jìn)制1，半個(gè)比特周期中的正邊沿表示二進(jìn)制0。圖2為10100110采用Manchester，MillermModifiedMiller編碼方式的結(jié)果。

4 Mifare 1S50卡的RFID芯片支持一卡多用的存儲(chǔ)技術(shù)

芯片中的E2PROM Memory容量為8 kh，一共分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為4塊(塊0～塊3)，即整個(gè)E2PROMMemory共64塊，塊號(hào)編址為0～63，每塊16個(gè)字節(jié)(0～15 B)，一塊為一個(gè)存取單位。各扇區(qū)的塊0(注：第0扇區(qū)的塊0例外，他用于存放廠商代碼，已經(jīng)固化不可改寫。其中：第0～4字節(jié)為卡的序列號(hào)；第5字節(jié)為序列號(hào)的校驗(yàn)碼；第6字節(jié)為卡的容量"SIZE"字節(jié)；第7，8字節(jié)為卡的類型字節(jié)，即Tag type字節(jié)；其他字節(jié)由廠商另加定義)、塊1、塊2為數(shù)據(jù)塊，用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)；各扇區(qū)的塊3為各個(gè)扇區(qū)控制塊，用于存放密碼A(0～5字節(jié))、存取控制(6～9字節(jié))、密碼B(10～15字節(jié))。

在存取控制中，每一塊(塊0，1，2，3)都由3個(gè)控制位決定對(duì)該數(shù)據(jù)塊或控制塊的操作權(quán)限，控制位表示形式為"CXxy"。其中：CX表示控制位號(hào)(X可以是1、2或3，例如：C1則表示第一控制位)；z表示扇區(qū)；y表示塊號(hào)。例如："C2x1"表示某一扇區(qū)塊1的第2控制位)。3個(gè)控制位在存取控制字節(jié)(即各扇區(qū)塊3中的第6～9字節(jié))中的位置，見表1(注：表中"_b"表示取反。例如：第6字節(jié)的bit7中存放"1"時(shí)，C2x3=0;而B則表示備用位。

控制位對(duì)各扇區(qū)數(shù)據(jù)塊（塊0、1或2）的控制，見表2（注：表中KeyA︱B表示密碼A或密碼B，Never表示沒有條件實(shí)現(xiàn)。

控制位對(duì)各扇區(qū)數(shù)據(jù)塊3 的控制，見表3 。

塊3中，存取控制4B的初始化值（產(chǎn)商初始值）分別為"FF 07 80 69""。根據(jù)表1可推斷出各塊的3位控制位的初始值如下：C1x0 C2x0 C3x0=000，C1x1 C2x1 C3x1=000，C1x2 C2x2 C3x2=000，C1x3 C2x3 C3x3=001；根據(jù)表2可推斷出(表2中的第一種情況)，在初始的狀態(tài)下驗(yàn)證密碼A或密碼B后，可以對(duì)數(shù)據(jù)塊0～2進(jìn)行讀、寫加值、減值、初始化等操作；根據(jù)表3可推斷出(表3中的第五種情況)，驗(yàn)證密碼A或B后，可以寫密碼A、可以讀寫控制位、可讀寫密碼B、但不能讀密碼A。

芯片中的數(shù)據(jù)塊有兩種應(yīng)用方法，一種是用作一般的數(shù)據(jù)保存用，直接讀寫。另一種用法是用作數(shù)值塊，可以進(jìn)行初始化、加值、減值、讀值的運(yùn)算。應(yīng)用系統(tǒng)配用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的功能。

綜上所述，Mifare 1S50卡的芯片中E2PROM Memory分為16個(gè)扇區(qū)，他們互不干擾，每個(gè)扇區(qū)均可分別設(shè)置各自的不同的密碼及按需要設(shè)置存取控制(不用產(chǎn)商的初始值)。因此，每個(gè)扇區(qū)可以獨(dú)立應(yīng)用于一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)"一卡通"，例如：交通一卡通、校園一卡通、企業(yè)一卡通、家庭繳費(fèi)一卡通等。

5 結(jié) 語(yǔ)

RFID卡是射頻識(shí)別技術(shù)與IC技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，與接觸式IC卡相比較，他使用時(shí)無需與讀寫器接觸，操作方便、快捷，使用可靠性高且使用壽命長(zhǎng)，此外，加密性能好有防沖突機(jī)制，可以一卡多用。目前，RFID卡在我國(guó)電子身份證、城市公共交通支付、證照與商品防偽、特種設(shè)備強(qiáng)檢、安全管理、動(dòng)植物電子標(biāo)識(shí)、現(xiàn)代物流管理等領(lǐng)域展示了其美好的應(yīng)用前景，所以，應(yīng)加大研發(fā)RFID芯片的力度。