实验6HF高频RFID通信协议实验V2017

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业实验6 HF高频RFID通信协议实验-V1.实验目的掌握高频读卡器的通讯协议；掌握高频模块工作原理；掌握本平台高频模块的操作过程；2.实验设备硬件：RFID实验箱套件，电脑等；软件：Keil，串口调试助手；STC_ISP软件：配套光盘第三方应用软件STC_ISP异或计算小软件：配套光盘第三方应用软件异或计算小软件源码路径：配套光盘源代码RFID基础实验实验6 HF高频RFID通信协议实验-VHex路径：配套光盘源代码RFID基础实验实验6 HF高频RFID通信协议实验-

2、Vout3.实验原理3.1 高频RFID系统典型的高频HF（13.56MHz）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，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

3、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3.1所示：图3.1 IC卡内部结构图较常见的高频RFID应用系统如图3.2所示，IC卡通过电感耦合的方式从读卡器处获得能量。图3.2 常见高频RFID应用系统组成下面以典型的IC卡MIARE 1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3.3），其谐振频率与读写器发出的频率

4、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3.3 IC卡功能结构图3.2 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3.4所示。PHILIPS的Mifare 1卡(简称M1卡)属于PICC卡，该类卡的读写器可以称为PCD。图3.4 IC卡分类高频RFID系统选用PICC类IC卡作为其电子标签，这里以Philips公

5、司典型的PICC卡Mifare 1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IS0 14443 TYPE A国际标准。本平台选用用Mifare1（S50）卡作为电子标签，其内部原理如图3.5所示：图3.5 M1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13.56MHZ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、

6、防冲突等。Mifare1卡片采取EEPROM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3.6所示：图3.6 MF1卡片存储结构第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 03 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67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

7、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，A0 A1 A2 A3 A4 A 5 FF 07 80 69 B0 B1 B2 B3 B4 B5其中 A0A5 代表密码 A 的六个字节；B0B5 代表密码 B 的六个字节；FF 07 80 69 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

8、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（如进行减值操作必须验证KEY A，进行加值操作必须验证KEY B，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： Bit 7 6 5 4 3 2 1 0C20_bC10_bC10C30_bC30C20字节6字节7字节8字节93.3 ISO 14443协议标准简介ISO 14443协议是超短距离智慧卡标准，该标

9、准定义出读取距离7-15公分的短距离非接触智能卡的功能及运作标准，ISO 14443 为TYPE A和TYPE B两种。TYPE A产品具有更高的市场占有率，如Philips公司的MIFARE系列占有了当前约80%的市场，且在较为恶劣的工作环境下有很高的优势。而TYPE B在安全性、高速率和适应性方面有很好的前景，特别适合于CPU卡。这里重点介绍MIFARE1符合ISO 14443 TYPE A标准。1) ISO 14443 TYPE A标准中规定的基本空中接口基本标准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PIC

10、C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13.56MHz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Hmax之间PICC的能量是通过发送频率为13.56MHz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) ISO 14443 TYPE A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：REQA：TYPE A请

11、求命令WAKE UP：唤醒命令ANTICOLLISION：防冲突命令SELECT：选择命令HALT：停止命令图3.7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ISO 14443 TYPE A协议的命令)不包括在内。图3.7 PICC状态转化图掉电状态(POWER OFF):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(IDLE STATE)：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

12、发送的有效的REQA（对A型卡请求的应答）命令后，PICC将进入就绪状态。就绪状态(READY STATE)：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（ACTIVE STATE）。激活状态（ACTIVE STATE）：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

13、状态。停止状态（HALT STATE）：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_UP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。3.4 高频RFID系统读写器3.4.1 通信流程高频RFID系统读写器与IC卡通信过程如图3.8所示，主要步骤有：复位应答（Answer to request）：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，

14、即验证卡片的卡型。防冲突机制(Anticollision Loop）：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(Select Tag）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(3 Pass Authentication）：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、

15、终止。图3.8 读卡器与IC通讯流程3.4.2 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，如图3.9所示，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)。图3.9 UID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U

16、ID字节。阅读器防冲突过程如下：1）首先由PCD发送REQA命令或WAKE UP命令，使卡进入READY状态（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WAKE UP命令使卡从HALT状态进入READY状态。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状态，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3.5 读写芯片CLRC632简介CLRC632是NXP生产的高集成13.56MHZ射频卡芯片。

17、支持ISO/IEC 14443A、ISO/IEC 14443B和ISO/IEC 15693标准，支持最大10cm的工作距离。采用8位并行接口或SPI总线与微控制器进行通信。3.6 PC与高频节点通讯协议3.6.1下传数据包格式（上位机发给下位机） 命令头：2字节，固定AA BB数据长度：2字节，低位在前，高位在后，数据长度后面所有的字节数个数（不含数据长度本身的2个字节数）设备号：2个字节，未使用，00 00命令码：2字节，低位在前，高位在后数据包：字节数不定，由命令吗决定数据校验：1字节，命令码（含）后面所有的字节异或运算即DCS = COMH xor COML xor PD0 xor PD

18、1 xor xor PDn例：设置波特率指令AA BB 06 00 00 00 01 01 01 01，其中AA BB是命令头，06 00是数据长度，00 00是设备码，01 01是设置波特率命令，01是将比特率设为9600，01是数据校验。3.6.2 上传数据包格式（下位机发给上位机）当上位机下传指令到下位机，下位机执行并返回应答数据。如下位机无数据返回，说明上位机发送的指令格式不对，需修改重新发送。下位机接收到指令并执行后返回上位机的数据格式和上位机下传的数据格式是一样的。其中命令码是下传的命令码，PD0值则反应命令执行情况。PD0返回的是00表示下位机准确执行了上位机发送的命令，返回的是

19、其他值则表示执行错误，见下图：注意：代码中定义的错误代码是十进制数，上传到上位机上是十六进制数。例：下传寻卡指令：AA BB 06 00 00 00 01 02 52 51寻卡成功上传：AA BB 08 00 00 00 01 02 00 04 00 07寻卡失败上传：AA BB 06 00 00 00 01 02 14 14 上传、下传指令中的01 02表示寻卡命令，下传命令码后面的52表示寻感应区的所有的14443A卡。寻卡成功时命令码后面的00表示寻卡成功，04 00是Mifare S50卡，表示在感应区寻找到Mifare S50卡。寻卡失败时命令码后面的14是寻卡失败代码，换算成十进制

20、数则是20，对应的错误代码是FAULT20，表示寻卡失败。3.6.3 CLRC632读写卡操作流程设置波特率 关闭天线 设置通讯协议 打开天线 寻卡 防碰撞：读UID 选择卡 验证密钥 读卡 写卡3.6.4 CLRC632通讯指令（以读写14443A卡为例）上位机发送指令码到下位机，下位机对命名进行判断，执行相应的命令。判断程序在main.c中，见下图：3.6.5 常用指令解析3.6.5.1、设置波特率下传：AA BB 06 00 00 00 01 01 01 01上传：AA BB 06 00 00 00 01 01 00 00说明：波特率设置为9600，返回正确3.6.5.2、关闭天线下传：

21、AA BB 06 00 00 00 0C 01 00 0D上传：AA BB 06 00 00 00 0C 01 00 0D说明：天线配置命令，执行关闭天线，返回正确3.6.5.3、设置通讯协议下传：AA BB 06 00 00 00 08 01 41 48上传：AA BB 06 00 00 00 08 01 00 09说明：下传指令中41表示配置成14443A协议，详见源码中SIRC632.c中函数PcdConfigISOType( )，返回正确3.6.5.4、打开天线下传：AA BB 06 00 00 00 0C 01 01 0C上传：AA BB 06 00 00 00 0C 01 00 0

22、D说明：天线配置命令，执行打开天线，返回正确3.6.5.5、寻卡下传：AA BB 06 00 00 00 01 02 52 51上传：AA BB 08 00 00 00 01 02 00 04 00 07说明：寻卡，52表示寻感应区的所有卡，返回正确 ，04 00表示寻找到Mifare S50卡3.6.5.6、防碰撞：读UID下传：AA BB 06 00 00 00 02 02 04 04上传：AA BB 0A 00 00 00 02 02 00 4A FA 72 04 C6说明：防碰撞，返回正确，读取到UID : 4A FA 72 043.6.5.7、选卡下传：AA BB 09 00 00

23、00 03 02 4A FA 72 04 C7注意：4A FA 72 04是3.6.5.6小节读到的UID，实验中请根据读到的UID填写；上传：AA BB 07 00 00 00 03 02 00 08 09说明：防碰撞，4A FA 72 04上防碰撞读取到的UID，C7是校验位（校验位的计算请查看本文档的3.6.1小节）。3.6.5.8、验证密钥下传：AA BB 0D 00 00 00 07 02 60 00 FF FF FF FF FF FF 65上传：AA BB 06 00 00 00 07 02 00 05说明：三重验证，60表示验证A密钥（如果是61即是验证B密钥），00表示绝对地址块，12个F是默认的密钥，返回正确。3.6.5.9、读卡下传：AA BB 06 00 00 00 08 02 00 0A上传：AA BB 16 00 00 00 08 02 00 4A FA 72 04 C6 08 04 00 62 63 64 65 66 67 68 69 06说明：读块地址00的数据，返回4A FA 72 04 C6 08 04 00 62 63 64 65 66 67 68