無線射頻識別(RFID)芯片技術(shù)解析

RFID（Radio FreqtJency Identification）技術(shù)被全球高科技領(lǐng)域譽為最有市場前景、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RFID技術(shù)傾注了巨大的熱情。TI，Intel等美國集成電路廠商目前都在RFID領(lǐng)域投入巨資進行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、存儲技術(shù)。該卡的RFID芯片所具有的獨特的MIFARE RF（射頻）非接觸式接口標準已被制定為國際標準ISO／IEC 14443 TYPE A標準，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)展起來的一項新技術(shù)，他成功地將射頻識別技術(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10萬次，讀無限次?？ㄅc讀寫器之間的通訊采用國際通用的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制來保證數(shù)據(jù)完整防沖突機制；每塊有16位CRC糾錯；每字節(jié)有奇偶校驗位；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（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標準；

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)均加密以防止信號截??；每一扇區(qū)有相互獨立的密碼；每張卡有32位全球惟一的序列號；傳輸密瑪保護；

支持一卡多用的存儲結(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、時鐘再生器、調(diào)制器／解調(diào)器等部分組成。主要有4個功能：

（1）為RFID芯片內(nèi)部各部分電路提供工作時所需要的能量。

（2）提供POR信號，使各部分電路同步啟動工作。

（3）從載波中提取電路正常工作所需要的時鐘信號。

（4）將載波上的指令和數(shù)據(jù)解調(diào)出來供數(shù)字模塊處理以及對待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行調(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，當讀寫器向卡發(fā)出Request all（或：Requeststd）命令后，芯片的此模塊啟動，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，芯片的此模塊啟動，讀寫器首先與所有的卡片通信，獲取每一張卡的序列號，然后，根據(jù)序列號選定一張卡片。

Select Application模塊：確認對卡片的選擇。

Authentication & Access Control模塊：卡片確認被選中后，啟動此模塊，進行卡片與讀寫器之間相互認證。只有通過相互認證，才能進行進一步的操作。

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

RAM：配合Control&Arithmetic Unit，將運算結(jié)果進行暫時存儲；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)，讓射頻接口電路進行處理，通過卡上的天線傳送給讀寫器。

ROM：固化卡片運行所需要的必要的程序指令。

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

E2PROM Interface：此模塊為E2PROM的接口電路。

E2PROM Memory：E2PROM存儲器。

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時，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；讀寫器向卡傳輸信號時，使用的射頻載波頻率是13．56 MHz，采用同步時序、改進的：Miller 編碼方式，調(diào)制深度為100％的ASK（Amplirude Shift Keying，幅移鍵控）信號。

Miller 編碼用在半個比特周期的任意邊緣表示二進制1，而經(jīng)過下一個周期中不變的電平表示二進制O，如果連續(xù)一串O，則在O比特周期開始時產(chǎn)生電平交變。改進Miller編碼是對Miller編碼的改型，每個邊沿都用凹槽來代替。Manchester編碼的方法是用在半個比特周期的負邊沿表示二進制1，半個比特周期中的正邊沿表示二進制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技術(shù)

芯片中的E2PROM Memory容量為8 kh，一共分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)為4塊（塊0～塊3），即整個E2PROMMemory共64塊，塊號編址為0～63，每塊16個字節(jié)（0～15 B），一塊為一個存取單位。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；第5字節(jié)為序列號的校驗碼；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，用于存儲用戶數(shù)據(jù)；各扇區(qū)的塊3為各個扇區(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個控制位決定對該數(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（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。例如：“C2x1”表示某一扇區(qū)塊1的第2控制位）。3個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，C2x3=0;而B則表示備用位。

控制位對各扇區(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表示沒有條件實現(xiàn)。

控制位對各扇區(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)下驗證密碼A或密碼B后，可以對數(shù)據(jù)塊0～2進行讀、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，可以進行初始化、加值、減值、讀值的運算。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個扇區(qū)，他們互不干擾，每個扇區(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，每個扇區(qū)可以獨立應(yīng)用于一個應(yīng)用場合，實現(xiàn)”一卡通“，例如：交通一卡通、校園一卡通、企業(yè)一卡通、家庭繳費一卡通等。

5 結(jié) 語

RFID卡是射頻識別技術(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，此外，加密性能好有防沖突機制，可以一卡多用。目前，RFID卡在我國電子身份證、城市公共交通支付、證照與商品防偽、特種設(shè)備強檢、安全管理、動植物電子標識、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。