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，也有一張小小的房卡用于刷卡開門。那么這個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)實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(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)可實現(xiàn)非可視、多目標識別，具有防水、防磁、壽命長、容量大、無機械損耗、信息可加密、內(nèi)容可更改等優(yōu)點。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。讀寫器和電子標簽的工作次序通常有兩種時序：一種是讀寫器先發(fā)言（RTF,Reader Talk First）：另一種是標簽先發(fā)言（TTF，Tag Talk First）。RTF方式：電子標簽只有接收到讀寫器特殊命令才發(fā)送數(shù)據(jù)。TTF方式：電子標簽進入讀寫器的能量場主動發(fā)送自身系列號。TTF方式的射頻標簽具有識別速度快等特點，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，在處理標簽數(shù)量動態(tài)變化的場合也更為實用，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簽天線，即一個讀寫卡系統(tǒng)包含兩個部分：非接觸式射頻卡（PICC）和閱讀器（PCD），其中PICC也叫射頻存儲應(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、存儲器幾個部分組成，如圖2所示。
圖2 非接觸式射頻卡內(nèi)部電路框圖
電子標簽與讀寫器采用電感耦合方式進行能量傳遞與通信。讀寫器的天線線圈產(chǎn)生高頻強電磁場，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到內(nèi)部電路工作電壓時激活卡內(nèi)電路， 13.56MHz信號被分頻鏈電路分頻，可產(chǎn)生通訊所需的時鐘，此時鐘即是數(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，同時可用該Miller碼進行負載調(diào)制，并將存儲信息送出。
三、讀卡器工作原理
讀卡器由發(fā)送和接收兩個部分組成，下面分別簡述這兩個部分的工作原理。
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)，得到一個卡的序列號，選擇此卡進行鑒別認證，通過后對存儲卡進行操作，如圖3所示。
圖3 PCD和PICC之間交互過程
PCD用隨機數(shù)、卡的序列號和密鑰進行加密，采用三次認證過程，如圖4所示。
圖4 PCD和PICC認證過程
A.B發(fā)送隨機數(shù)RB.；
B.A發(fā)送TokenAB到B；
C.B接收到報文TokenAB后，對加密部分進行解密，并驗證標識符B和隨機數(shù)RB的正確性，驗證在A發(fā)送到B的RB與包含在TokenAB中的隨機數(shù)是否一致；
D.B發(fā)送TokenBA到A；
E.A接收到報文TokenBA后，對加密部分進行解密，并檢查隨機數(shù)的一致性。
