13.56MHz讀寫卡工作原理
我們在生活中常常遇到刷卡這件事,比如上公交刷公交卡、上地鐵刷地鐵卡、出門在外住酒店時(shí),也有一張小小的房卡用于刷卡開門。那么這個(gè)刷卡的原理到底是怎樣的呢?這就要提到射頻識別(RFID)技術(shù)了。
一、什么是射頻識別技術(shù)
射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)技術(shù),是一種利用射頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的條形碼、磁卡等接觸式識別技術(shù),射頻識別技術(shù)可實(shí)現(xiàn)非可視、多目標(biāo)識別,具有防水、防磁、壽命長、容量大、無機(jī)械損耗、信息可加密、內(nèi)容可更改等優(yōu)點(diǎn)。如今RFID 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的日常生活,最常見的如公共交通、門禁管理、二代身份證、公共食品藥品衛(wèi)生管理等。如圖1所示都是我們平常經(jīng)常看到的一些非接觸式卡,這些都是RFID技術(shù)的運(yùn)用。
圖1 生活中常見的非接觸式卡
二、RFID讀寫卡原理
RFID讀寫卡工作頻率范圍為10~15MHz,通常工作選用的頻率為13.56MHz。讀寫器和電子標(biāo)簽的工作次序通常有兩種時(shí)序:一種是讀寫器先發(fā)言(RTF,Reader Talk First):另一種是標(biāo)簽先發(fā)言(TTF,Tag Talk First)。RTF方式:電子標(biāo)簽只有接收到讀寫器特殊命令才發(fā)送數(shù)據(jù)。TTF方式:電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的能量場主動(dòng)發(fā)送自身系列號。TTF方式的射頻標(biāo)簽具有識別速度快等特點(diǎn),適用于需要高速應(yīng)用的場合。另外,TTF方式在噪聲環(huán)境中更穩(wěn)健,在處理標(biāo)簽數(shù)量動(dòng)態(tài)變化的場合也更為實(shí)用,因此,更適于工業(yè)環(huán)境的跟蹤和追蹤應(yīng)用。
RFID天線系統(tǒng)包括讀寫器天線和標(biāo)簽天線,即一個(gè)讀寫卡系統(tǒng)包含兩個(gè)部分:非接觸式射頻卡(PICC)和閱讀器(PCD),其中PICC也叫射頻存儲(chǔ)應(yīng)答器。他們之間交換數(shù)據(jù)是通過ISO/IEC 14443 TYPE A和TYPE B接口來進(jìn)行的。下面分別簡述二者的工作原理。
三、非接觸式射頻卡工作原理
非接觸式射頻卡由時(shí)鐘提取、分頻鏈、序列電路、密勒碼產(chǎn)生器、整流器、調(diào)制器、電源管理、存儲(chǔ)器幾個(gè)部分組成,如圖2所示。
圖2 非接觸式射頻卡內(nèi)部電路框圖
電子標(biāo)簽與讀寫器采用電感耦合方式進(jìn)行能量傳遞與通信。讀寫器的天線線圈產(chǎn)生高頻強(qiáng)電磁場,磁場穿過線圈的橫截面和線圈周圍空間,使得靠近讀寫器天線線圈的標(biāo)簽天線在交變磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。整流電路將耦合的射頻(13.56MHz)信號進(jìn)行整流并經(jīng)濾波電容C2平滑后,電源管理電路將在電源電壓達(dá)到內(nèi)部電路工作電壓時(shí)激活卡內(nèi)電路, 13.56MHz信號被分頻鏈電路分頻,可產(chǎn)生通訊所需的時(shí)鐘,此時(shí)鐘即是數(shù)據(jù)傳送的波特率。如果希望將分頻系數(shù)定為 128、256、1024、2048、4096或8192,則需預(yù)先選定。存儲(chǔ)在ROM中的信息(64位)經(jīng)讀出后,可通過Miller碼產(chǎn)生器產(chǎn)生Miller碼,同時(shí)可用該Miller碼進(jìn)行負(fù)載調(diào)制,并將存儲(chǔ)信息送出。
三、讀卡器工作原理
讀卡器由發(fā)送和接收兩個(gè)部分組成,下面分別簡述這兩個(gè)部分的工作原理。
1.發(fā)送:射頻RF信號從PCD基站芯片的引腳TX1和TX2輸出,可以直接驅(qū)動(dòng)天線線圈。調(diào)制信號及TX1,TX2輸出的射頻信號類型(已調(diào)或無調(diào)制載波)相位關(guān)系均可由PCD基站芯片相應(yīng)的寄存器控制。
2.接收:通過天線接收來自非接觸式卡的調(diào)制載波信號,載波解調(diào)采用正交解調(diào)電路,正交解調(diào)所需的I和Q時(shí)鐘(兩者相差為90°)可在PCD基站芯片內(nèi)產(chǎn)生。解調(diào)后由所得副載波調(diào)制信號經(jīng)過放大,濾波等相關(guān)電路,判決電路進(jìn)行副載波解調(diào),其中放大電路的增益可由PCD基站芯片的相應(yīng)寄存器的設(shè)置來控制。
四、讀卡器與非接觸式卡之間的交互過程
PCD發(fā)送REQUEST命令給所有在天線場范圍內(nèi)的非接觸式卡,通過防碰撞循環(huán),得到一個(gè)卡的序列號,選擇此卡進(jìn)行鑒別認(rèn)證,通過后對存儲(chǔ)卡進(jìn)行操作,如圖3所示。
圖3 PCD和PICC之間交互過程
PCD用隨機(jī)數(shù)、卡的序列號和密鑰進(jìn)行加密,采用三次認(rèn)證過程,如圖4所示。
圖4 PCD和PICC認(rèn)證過程
A.B發(fā)送隨機(jī)數(shù)RB.;
B.A發(fā)送TokenAB到B;
C.B接收到報(bào)文TokenAB后,對加密部分進(jìn)行解密,并驗(yàn)證標(biāo)識符B和隨機(jī)數(shù)RB的正確性,驗(yàn)證在A發(fā)送到B的RB與包含在TokenAB中的隨機(jī)數(shù)是否一致;
D.B發(fā)送TokenBA到A;
E.A接收到報(bào)文TokenBA后,對加密部分進(jìn)行解密,并檢查隨機(jī)數(shù)的一致性。