基于Mifare射频识别卡的考勤系统的设计与实现

大连海事大学硕士学位论文基于Mifare射频识别卡的考勤系统的设计与实现姓名：韩雪申请学位级别：硕士专业：信息与通信工程（通信与信息系统）指导教师：夏志忠20100601中文摘要摘要无线射频识别技术是一种近年来被广泛应用于身份识别、物流、安检、商品管理等各领域的自动识别技术，可以极大的提高识别的效率和可靠性。射频识别系统主要由读写器、应答器两部分组成，通过射频方式进行无线双向通信，完成目标识别和数据交换。本文设计的考勤机是基于１３．５６ＭＨｚ频率，按电感耦合原理工作的射频识别系统。本文首先系统地研究了射频识别系统的工作原理，从电磁场理论分析了射频识别系统存在的本源，并对射频识别系统的构成、数据传输原理、基本工作流程、系统的分类、编码和调制以及数据的完整性给出了较为详细的理论研究。其次对考勤系统中普遍使用的Ｍｉｆａｒｅ非接触式ＩＣ卡进行了系统研究，分析了非接触式ＩＣ卡的射频接口、数据存储方式和数字控制单元，并对非接触式ＩＣ卡与读写器的通讯过程和电磁工作原理进行了简单的描述。重点描述了非接触式ＩＣ卡的国际标准ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３协议，通过协议能更好地理解卡片与读写器间的传输过程，有利于下文读卡器的硬件设计和ＭＣＵ的主程序实现。最后，本文在射频理论的基础上进行了读写器的软硬件设计。硬件平台包含为系统提供电源的电源模块、ＭＣＵ（选择的是ＬＰＣ９２２芯片）、射频读写模块（选择的是ＭＦＲＣ５２２芯片），以及具有指示功能的蜂鸣器和指示灯。软件平台由ＭＣＵ主控程序以及上位机串口通讯程序组成，其中ＭＣＵ程序由Ｃ语言编写，具有编写效率高、可读性强的特点，上位机通讯程序采用ＪＡＶＡ编写，具有很好的跨ＯＳ平台特性。系统经过测试，目前已经可以较为稳定的运行。关键词：射频识别；ＭＩＦＡＲＥ；考勤；读写器英文摘要ＡＢＳＴＲＡＣＴＩｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ＲＦＩＤｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ，ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ｃｏｍｍｏｄｉｔｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｏｔｈｅｒａｒｅａｓｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈｃａｌｌｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．ＡｓｉｍｐｌｅＲＦＩＤｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｒｅａｄｅｒａｎｄｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒ，ｂｙｗｉｒｅｌｅｓｓｔｗｏ－ｗａｙｒａｄｉｏｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｔａｒｇｅｔｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎａｎｄｄａｔａｅｘｃｈａｎｇｅ．Ｔｈｉｓａｔｔｅｎｄａｎｃｅｒｅａｄｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｏｎｂａｓｅｏｆ１３．５６ＭＨｚｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｉｎｔｈｅｗａｙｏｆｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙｃｏｕｐｌｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｔｈｅｓｉｓｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｔｈｅｏｒｙｔｈａｔｈｏｗＲＦＩＤｓｙｓｔｅｍｗｏｒｋｓ．ＡｎｄｇｉｖｅｓａｄｅｔａｉｌｅｄｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＲＦＩＤｓｙｓｔｅｍ，ｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｂａｓｉｃｗｏｒｋｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ｓｙｓｔｅｍｓｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｃｏｄｉｎｇａｎｄｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｄａｔａｉｎｔｅｇｒｉｔｙａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｉｔｓｔｕｄｉｅｓＭｉｆａｒｅｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓＩＣｃａｒｄｗｈｉｃｈｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎａｔｔｅｎｄａｎｃｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｃｏｎｔａｃｆｌｅｓｓＩＣｃａｒｄ，ＲＦｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｄａｔａｓｔｏｒａｇｅａｎｄｄ硒ｔａｌｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔｓ，ａｎｄｓｉｍｐｌｙｄｅｓｃｒｉｂｅｓｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｂｅｗｅｅｎｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓＩＣｃａｒｄａｎｄｒｅａｄｅｒ．ＩｔｍａｉｎｌｙｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓＩＣｃａｒｄｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｓｔａｎｄａｒｄＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３ｐｒｏｔｏｃ０１．Ｓｔｕｄｉｎｇｔｈｅｐｒｏｔｏｃｏｌｌｅａｄｓｔｏａｂｅｔｔｅｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃａｒｄａｎｄｒｅａｄｅｒ，ａｎｄｈｅｌｐｓｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍＭＣＵｄｅｓｉｇｎｏｆｒｅａｄｅｒ．Ｔｈｅｒｅａｄｅｒ’ＳｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｉｓｏｎｔｈｅｂａｓｅｏｆｔｈｅＲＦＩＤｔｈｅｏｒｙ．Ｈａｒｄｗａｒｅｐａｒｔｃｏｎｔａｉｎｓｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｍｏｄｕｌｅ，ＭＣＵｗｈｉｃｈｃｈｏｏｓｅＬＰＣ９２２ｃｈｉｐａｎｄＲＦＩＤＲ／ＷｍｏｄｕｌｅｗｈｉｃｈｃｈｏｏｓｅＭＦＲＣ５２２ｃｈｉｐ，ｂｕｚｚｅｒａｎｄｌｅｄｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｙｓｔｅｍｓｔａｔｕｓ．Ｒｅａｄｅｒ’ＳｓｏｆｔｗａｒｅｐａｒｔｃｏｎｔａｉｎｓＭＣＵｃｏｎｔｒｏｌａｎｄＰＣ’Ｓｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍ．ＭＣＵｐｒｏｇｒａｍｉｓｃｏｄｅｄ、析ｔｈＣｗｈｉｃｈｈａｓｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｅａｓｙｔｏｒｅａｄ．ＡｎｄＰＣ’ＳｐｒｏｇｒａｍｉｓｗｒｉｔｔｅｎｂｙＪａｖａ，ｉｔｃｏｄｄｒａｎｗｅｌｌｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔＯＳ．Ａｆｔｅｒａｄｊｕｓｔｉｎｇａｎｄｄｅｂｕｇｇｉｎｇ，ｔｈｅｗｈｏｌｅｒｅａｄｅｒｃｏｕｌｄｌＵｌｌｖｅｒｙｗｅｌｌ．ＫｅｖＷｏｒｄｓ：ＲＦＩＤ；ＭＩＦＡＲＥ；ＡｔｔｅｎｄａｎｃｅＣｈｅｃｋｉｎｇＳｙｓｔｅｍ；Ｒｅａｄｅｒ大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文＝＝基王丛ｉ鱼！金魁题塑别圭的耋勤丕统笪逡盐曼塞现：：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：丝重学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》（中国学术期刊（光盘版）电子杂志社）、《中国学位论文全文数据库》（中国科学技术信息研究所）等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。本学位论文属于：保密口在——年解密后适用本授权书。不保密彳（请在以上方框内打“√＂）论文作者签名：鳓旁导师签名ｉ日期：御。年基了：Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现第１章绪论１．１项目背景和研究意义ＲＦＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）——埘频识别技术，作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础，近年来在全球得到了迅速的发展，被广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、方位、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域。ＲＦＩＤ技术最大的优点就在于非接触，完成识别工作时无须人为干预，适于实现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频标签，操作方便快捷…。随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大，ＲＦＩＤ产品的成本将不断地降低，其应用将越来越广泛。射频识别技术主要应用于自动识别，自动识别系统又包括多种实现方式：有条形码技术、生物统计识别技术、ＩＣ卡技术等【２】，通过与其它自动识别技术的比较，可以更好地了解射频识别技术的优势。（１）条形码技术。条形码是一种二进制代码，它由宽窄不同的线条和间隙组成的序列表示相关的数字或字母，～般通过激光扫描的方式进行读取，准确性高，可靠性强，传递速度快，制作容易，成本低，容易操作。但它的不足之处是存储能力小且不易改写。（２）生物识别技术。生物识别法是通过不会混淆的某种人体特征的比较来识别不同个体的方法。常用的如手纹法、指纹法、语音识别法和视网膜识别法等。由于生物识别的不可替代性，在考勤系统中，企业经常使用指纹识别考勤机对员工进行考勤统计，杜绝替人刷卡这种现象。目前，如何降低拒识率、误识率，缩短识别时间成为该技术进一步推广的关键。（３）ＩＣ卡技术。ＩＣ卡是被广泛使用的一种电子式数据存储器系统，从卡与外界传输数据形式来分，分为接触式ＩＣ卡和非接触式ＩＣ卡。接触式ＩＣ卡工作时，将ＩＣ卡插入读写器内，读写器通过８个触点给ＩＣ卡提供能量和定时脉冲，读写器与ＩＣ卡之间的数据传输是通过双向串行接口（Ｉ／Ｏ）进行的。接触式ＩＣ卡的缺点是触点容易被腐蚀和污染，而导致数据丢失或无法读取。非接触式ＩＣ卡通过射频识别技术第１章绪论很好的解决了接触式ＩＣ卡最大的缺欠，读写器与ＩＣ卡之间的数据交换不是通过电流的触点连接，而是通过电磁场来完成。非接触式ＩＣ卡带有射频收发电路、天线和相关电路，通信距离可以从几厘米至几十米远。其主要优点是环境适应性强、可全天候、无接触地完成自动识别、跟踪与管理。可穿透非金属物体进行识别，抗干扰能力强。因此，非接触式ＩＣ卡虽然出现较晚，但发展迅速，目前占领着巨大的市场份额。本文设计的考勤系统主要是基于非接触式ＩＣ卡射频识别技术实现，重点在于射频读写器的硬件设计以及下位机与上位机间的串行通讯软件设计。整体软硬件模块设计的耦合度较小，下位机与上位机通过自定协议以及自定命令格式交换数据，使得硬件模块具有较好的通用特性，从软件方面即可扩展为其他ＩＣ卡应用，例如公交卡、门禁卡等，并且扩展成本非常低廉，达到预期设计目标。１．２国内外研究现状从全球的范围来看，美国政府是ＲＦＩＤ应用的积极推动者，在其推动下美国在ＲＦＩＤ标准的建立、相关软硬件技术的开发与应用领域均走在世界前列。欧洲ＲＦＩＤ标准追随美国主导的ＥＰＣｇｌｏｂａｌ标准（ＥＰＣｇｌｏｂａｌ——全球产品电子代码管理中心，是目前全球实力最强的ＲＦＩＤ标准组织，其前身是北美ＵＣＣ（ＵｎｉｆｏｒｍＣｏｍｍｅｒｃｉａｌＣｏｄｅ）产品统一编码组织和欧洲ＥＡＮ（ＥｕｒｏｐｅａｎＡｒｔｉｃｌｅＮｕｍｂｅｒｉｎｇＡｓｓｏｃｉｔａｔｉｏｎ）产品标准组织，合并后称为ＥＰＣｇｌｏｂａｌ。ＥＰＣｇｌｏｂａｌ网络是实现自动即时识别和供应链信息共享的网络平台。通过整合现有信息系统和技术，ＥＰＣｇｌｏｂａｌＩ网络将提供对全球供应链上贸易单元即时准确自动的识别和跟踪【３】）。日本提出了ＵＩＤ标准（ＵｂｉｑｕｉｔｏｕｓＩＤＣｅｎｔｅｒ），但主要得到的是本国厂商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走。目前，美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非等国家均有较为成熟且先进的ＲＦＩＤ产品。从全球产业格局来看，目前ＲＦＩＤ产业主要集中在ＲＦＩＤ技术应用比较成熟的欧美市场。飞利浦、西门子、ＳＴ、ＴＩ等半导体厂商基本垄断了ＲＦＤ芯片市场；ＩＢＭ、ＨＰ、微软、ＳＡＰ、Ｓｙｂａｓｅ、Ｓｕｎ等国际巨头抢占了ＲＦＩＤ２基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别暑的考勤系统的设计与实现中间件、系统集成研究的有利位置；Ａｌｉｅｎ、Ｉｎｔｅｒｍｅｃ、Ｓｙｍｂｏｌ、Ｔｒａｎｓｃｏｒｅ、Ｍａｔｒｉｃｓ、Ｉｍｐｉｎｊ等公司则提供ＲＦＩＤ标签、天线、读写器等产品及设备【４】。国内的ＲＦＩＤ产业才刚刚起步，从业公司无论规模、技术和人员配置等方面和国外的竞争对手相比还有很大的差距，特别是芯片产业。虽然从事ＲＦＩＤ的企业数量很多，但是缺少具有自主知识产权的创新型企业，特别在超高频ＲＦＩＤ系统设计上缺乏核心技术。有专家担忧地指出，如果国内的ＲＦＩＤ产业在近期内不能很快形成，２．３年后当国内的ＲＦＩＤ需求不断扩大的时候，国内相关厂家不能提供ＲＦＩＤ产品，将会错失市场的机会。据了解，科技部和信息产业部目前积极参与ＲＦＩＤ标准的研究、制定１５Ｊ。射频识别技术的优点决定了它在全球各领域的广泛应用，如：物流和供应管‘理、防伪领域、生产制造和装配、航空行李处理、邮件／快运包裹处理、文档追踪／图书馆管理、动物身份标识、交通公共管理、门禁控制／电子门票、道路自动收费等等。１．３论文研究内容和结构本文基于射频识别技术设计的考勤系统即是ＲＦＩＤ广泛应用中较为简单的一种应用。目前国内许多公司都建立了考勤机制，为了避免人为处理的失误和弊端，提高员工出勤计算的效率和正确性，登记式考勤方式逐渐被各种射频识别考勤系统取代。射频识别考勤系统可以如实反映员工的考勤情况，对迟到、早退、外出、请假、加班、调休等规章制度进行记录和统计，对全体员工或任意员工的考勤情况进行随意的调用和统计。一旦考勤数据准确完整，即可通过软件实现各种考勤和工资分配的各项应用。对具有多个办事处或厂房的大型企业，针对其应用地点不统一，地点距离较远的特点，可以采用ＧＰＲＳ（ＧｅｎｅｒａｌＰａｃｋｅｔＲａｄｉｏＳｅｒｖｉｃｅ通用分组无线服务技术）技术将放置在不同地点的考勤设备或其他ＩＣ射频设各的数据汇入到一个具备公网ＩＰ的服务器中，当需要查询这些数据的时候，通过网址等方式直接访问该服务器即可。而针对本设计的硬件模块部分，只需在ＭＣＵ的串口通信部分外接一个ＧＰＲＳ通讯模块即可，硬件的扩展也非常便利。第１章绪论本文的主要研究内容是射频识别考勤系统的读写器的硬件设计，以及ＰＣ（上位机）与ＭＣＵ（下位机）的通信软件设计，整个设计过程包含以下六步骤：第一步：整体设计。对考勤机的功能目标和性能指标进行分析，完成硬件和软件的设计方案。第二步：硬件选型。根据硬件系统的设计方案选择合适的芯片和电子元件，并对部分电子元件进行相关的测试实验，确定可行的硬件方案。此处的选型还考虑了设计余量，确保后期具备一定的可扩展特性。例如本设计考勤机理论上对ＩＣ卡片实现只读功能即可，但硬件方面的选型仍然采取了读写都可的芯片，可实现从考勤机扩展到公交卡或门禁卡等其它应用的平滑过渡。第三步：硬件电路设计、焊接和测试。完成各模块的电路原理图和ＰＣＢ电路图设计，并完成ＰＣＢ布板、元件焊接及硬件测试。第四步：软件设计。将ＭＣＵ（下位机）软件经过仿真器调试成功后，烧入芯片，并完成ＰＣ（上位机）与ＭＣＵ（下位机）的通信程序，并测试其稳定性。从通讯测试中验证ＭＣＵ电路是否稳定及自定协议是否完善，包括ＰＣ端以及ＭＣＵ端也从软件方面保障了通信数据的完整性及正确性。．第五步：综合测试。软硬件综合测试，完成系统设计，达到预定目的。第六步：将理论应用于实践，总结设计和实现的过程，完成论文。论文的结构如下：（１）对射频识别系统的结构体系、工作原理进行讨论与分析。（２）对Ｍｉｆａｒｅ非接触式ＩＣ卡的功能、工作原理进行分析。（３）对非接触式ＩＣ卡国际标准ＩＳ０１４４４３进行分析与研究。（４）考勤机读写器的硬软件设计和实现。（５）总结考勤系统的设计和实现过程，展望未来的研究和努力方向。基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现第２章ＲＦｌＤ系统技术基础２．１ＲＦｌＤ系统的工作原理２．１．１ＲＦＩＤ系统的构成无线射频识别技术的基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。系统组成模型见图２．１。图２．１ＲＦＩＤ系统的组成模型Ｆｉｇ．２．１ＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｅｌｏｆＲＦＩＤＳｙｓｔｅｍＲＦＩＤ系统至少包含应答器（又称电子标签，应答标签）和读写器（又称阅读器）两部分，典型的射频识别系统通常由应答器、读写器、ＰＣ上位机三部分组成。应答器是射频识别系统的数据载体，由天线和专用芯片组成，存储着需要被识别的信息，它所存储的信息通常可被射频读写器通过非接触方式读／写获取。应答器按照自身是否带电源分有源标签和无源标签两种，有源标签是自带电源，无源标签所需的能量从读写器的射频场内获得。读写器通过天线与应答器进行无线通信，可以实现对应答器识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的读写器包含有射频模块、控制单元以及读写器天线。ＰＣ上位机通常用于对数据进行管理，完成通信传输功能，读写器通过标准接口与ＰＣ上位机连接，以便实现通信和数据传输功能。塞第２章ＲＦＩＤ系统技术基础读写器和应答器通过各自的天线构建了二者的非接触信息传输信道，电磁场理论中的麦克斯韦方程可以解释能量的产生１６】１７】，能量以电场、磁场的形式相互转换不向外传播，距离天线越近，场强越强【８】【９】。射频识别系统工作过程中始终以能量作为基础，通过一定时序方式来实现数据交换。对于无源标签来说，读写器向应答器提供工作能量，当应答器离开读写器的工作范围时，没有能量激活而处于“休眠’’状态，当应答器进入读写器的工作范围，监测到读写器发出的一定特征的射频信号，即通过整流的方式将接受到的能量转换为电能储存在应答器内的电容器里，以此拥有工作能量，状态由“休眠”变为“接收＂，接收读写器的命令后进行处理，再向其返回结果，这类只有接收到读写器特殊命令才发送数据的应答器被称为ＲＴＦ方式（ＲｅａｄｅｒＴａｌｋｓＦｉｒｓｔ，读写器先发言）。与ＲＴＦ相对应的是ＴＴＦ方式（ＴａｇＴａｌｋｓＦｉｒｓｔ，标签先发言），即应答器进入读写器的能量场就主动发送自身序列号的方式。”ｒＦ和ＲＴＦ相比具有识别速度快的特点，适用于需要高速应用的场合，在噪声环境中更稳健，更适用于工业环境的跟踪应用。２．１．２ＲＦｌＤ系统的数据传输原理射频识别系统中，读写器和应答器之间的数据交换方式分为负载调制和反向散射调制。（１）负载调制【１０ｌ参照图２．２中显示的读写器和射频ＩＣ卡电路框图，当谐振频率与读写器发送频率相同的ＩＣ卡放入读写器天线的交变磁场中，ＩＣ卡就能从磁场中取得能量，这将使读写器天线电流增加、内阻冠上电压增大。ＩＣ卡天线负载阻抗Ｔ的接通和断开会导致读写器天线上的电压发生变化。如果用ＩＣ卡要发送的基带信号数据来控制负载阻抗的接通和断开，则这些数据就能从卡传输到读写器（从读写器天线上检测到）。这种数据传输方式称为负载调制。基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现图２．２ＩＣ卡能量获取与负载调制Ｆｉｇ．２．２ＨｏｗｃａｌｌＩＣｃａｒｄｇｅｔｅｎｅｒｇｙａｎｄＬｏａｄｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ二进制编码信号￡ｊ；图２．３读写器的等效电路图Ｆｉｇ．２．３ＥｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆＲｅａｄｅｒ如何将ＩＣ卡的阻抗变化转换成读写器端电压或电流的变化，可以从读写器的等效电路图开始研究。图２．３所示为使用串联谐振天线的读写器，产生交变磁场的导体回路由线圈厶表示，Ｒ。相当于导体回路中绕线电阻的欧姆损耗。串联谐振电路的总阻抗Ｚｌ为各单项阻抗之和：Ｚｌ＝墨＋如厶＋志（２．１）第２章ＲＦＩＤ系统技术基础当频率为谐振频率时，电容和电感阻抗相抵消，总阻抗最小，仅由Ｒ。确定，读写器天线电流ｆｌ可以由输出端电压‰和总阻抗墨得出：ｉｌ（ｆＰ陋ｓ）＝丽Ｕｏ专（２．２）需要注意的是，尽管电源电压Ｖｏ很小，一般只有几伏，但是在厶和Ｃ１上很容易达到几百伏数值，见图２．４，可以看出在１０＇－－－＇１７ＭＨｚ频率范围内的串联谐振电路中的线圈和电容上的电压变化规律，当厂谐振＝１３．５６ＭＨｚ左右时，导体回路电感和电容上的电压在谐振频率下达至１］７００Ｖ以上的最大值。所以在设计具有高电流的回路天线时，要注意使用的元件，尤其是电容应有足够的耐压能力，否则很容易被击穿破坏。不过，尽管电压能达到很高的值，但是在人体接触读写器天线上的带电元件时是没有危险的，因为人手的附加电容会使串联谐振电路失调，降低谐振升高的电压。基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别长的考勤系统的设计与实现８００６００电压Ⅳ弦够４００２０００１ｘ１０７１．１ｘ１０７１．２ｘ１０７１．３ｘ１０７１．４ｘ１０７１．５ｘ１０７１．６ｘ１０７１．７ｘ１０７频率ｆ／Ｈｚ图２．４串联谐振电路中线圈和电容上的电压Ｆｉｇ．２．４ＣｏｉｌａｎｄｃａｐａｃｉｔｏｒｖｏｌｔａｇｅｉｎＬ－Ｃｒｅｓｏｎａｎｔｃｉｒｃｕｉｔ在实践中，对１３．５６ＭＨｚ的系统来说，当天线负载电压约为１００Ｖ（由于谐振使电压升高）时，有效信号仅有１０ｍｖ左右，天线上测得的信号幅度太小，要检测这些很小的电压变化对检测电路的要求很高，所以在国际标准ＩＳ０１４４４３中采用副载波的负载调制，详见２．４．３节。（２）反向散射调制【１ｏ】超高频以上的ＲＦＩＤ系统（如９１５ＭＨｚ和２．４５ＧＨｚＲＦＩＤ）采用反向散射调制，类似于雷达技术，雷达天线发射的电磁波部分被目标接收，其它部分向各方向散射，仅有其中小部分返回天线。反向散射调制是指应答器通过发送数据控制天线阻抗匹配来改变天线的反射系数。原理图如图２．５所示。第２章ＲＦＩＤ系统技术基础图２．５应答器阻抗控制方式Ｆｉｇ．２．５ＲｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆＲＦＩＤｔａｇｓ发送的数据具有两种电平，通过一个混频器（与门）与中频信号进行调制，调制结果连接到阻抗开关，进而改变天线的反射系数，对载波信号进行调制。和ＡＳＫ调制类似，却又不同于普通的数据通信方式。在整个数据通信链路中，仅通过一个发射机来完成数据的双向通信，应答器通过负载调制将数据传输回读写器。负载调制指根据要传输的信息数据来控制天线的开关，如，当发送的数据为０时，天线开关打开，应答器天线处于失配状态；当发送数据为１时，天线开关关闭，应答器天线处于匹配状态，由此将应答器中的数据传输到读写器。２．２ＲＦｌＤ系统基本工作流程射频识别系统的基本工作流程如下：（１）读写器不间断地经过发射天线向外发射无线电载波信号；（２）当应答器进入发射天线的工作范围时被激活，并将自身的信息代码经过天线发射到读写器；（３）应答器发出的载波信号被读写器的接收天线接收，读写器对信号进行解调和解码，并将数据传输给控制器；（４）控制器判断该标签的合法性，并根据不同的设定做出相应的处理来控制执行机构的动作；基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别｝的考勤系统的设计与实现（５）通过计算机通信网络将各个监控点连接起来，构成总控信息平台，可以根据不同的项目需求设计不同的软件来完成要实现的功能。２。３ＲＦＩＤ系统的种类射频识别系统按照各种特征可以有多种分类，如：按照工作方式可分为全双工系统和半双工系统；按照能量供应可分为有源系统和无源系统；按照工作频率可分为低频系统、中高频系统和微波系统；按照作用距离可分为密耦合系统、遥耦合系统和远距离系统等等，下面简单介绍一下按工作频率分类和按作用距离分类两种分类方式【１１。２．３．１ＲＦＩＤ工作频率（１）低频系统低频系统的工作频率一般为３０＂～３００ｋＨｚ。典型的工作频率为１２５ｋＨｚ、１３３ｋＨｚ。低频系统具有阅读距离短（无源情况下典型阅读距离为１０ｃｍ）、应答器外形多样、标签内存储的数据量少、成本低、阅读天线方向性不强等特点。（２）中高频系统中高频系统的工作频率一般为３～３０ＭＨｚ。典型的工作频率为１３．５６ＭＨｚ。本文设计的射频系统即建立在１３．５６ＭＨｚ基础上。中高频系统具有阅读距离较远（可达几米至几十米）、适应物体高速运动、应答器储存数据量大、读写器天线具有较强的方向性等特点。（３）微波系统微波系统工作频率一般为３００ＭＨｚ一－３ＧＨｚ，或大于３ＧＨｚ。其典型工作频率为４３３．９２ＭＨｚ，８６２（９０２）～９２８ＭＨｚ，２．４５ＧＨｚ和５．８ＧＨｚ。２．３．２ＲＦＩＤ频率和作用距离（１）密耦合系统密耦合系统具有很小的作用距离，典型距离是０～ｌｃｍ，系统工作时，必须把标签插入读写器中或者放置到读写器的天线表面。密耦合系统的标签与读写器之第２章ＲＦＩＤ系统技术基础间是电感耦合。其工作频率一般在３０ＭＨｚ以下。密耦合系统适合于安全要求较高，但不要求作用距离的应用系统，如电子门锁等。（２）遥耦合系统遥耦合系统的最大作用距离可达ｌｍ。读写器和应答器之间使用电感耦合，因此也被称作电感无线电装置。遥耦合系统可细分为近耦合系统和疏耦合系统，前者典型作用距离为１５ｃｍ，后者典型作用距离为ｌｍ。遥耦合系统可以采用１３５ｋＨｚ以下的发射频率，也可采用６．７５ＭＨｚ、１３．５６］ＶｌＪ－－Ｘｚ和２７．１２５ＭＨｚ频率。本文系统采用的是１３７５６ＭＨｚ的遥耦合系统。（３）远距离系统远距离系统的典型工作范围为１ｍ～ｌＯｍ，甚至更远，发射频率一般采用９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ、５．８５ＧＨｚ和２４．１２５ＧＨｚ。由于远距离系统是利用应答器和读写器天线辐射远场区之间的电磁反向散射耦合进行工作，所以需要使用辅助电池为应答器提供足够的能量，以便读／写数据。２．４ＲＦＩＤ系统的编码和调制射频识别系统的基本通信结构与通信系统的基本模型类似，见图２．６。图２．６射频识别系统基本通信结构框图Ｆｉｇ．２．６ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎＲＦＩＤｓｙｓｔｅｍ图中，读写器的编码器将信号源进行编码以与信道最佳匹配，防止信息干扰或碰撞，调制器用于改变高频载波信号，使其振幅、频率或相位与基带信号相关。射频识别系统的信道传输介质为磁场（电感耦合）和电磁波（微波），解调器的基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现作用是将获取信号解调为基带信号，译码器将基带信号恢复成原来信号，并识别和纠正传输错误。２．４．１基带编码ＲＦＩＤ系统传输数据时，可以用不同形式的代码来表示二进制的“１”和“０”。射频识别系统通常使用下列编码方式：反向不归零编码、曼彻斯特编码、单极性归零编码、差动双相编码、米勒（Ｍｉｌｌｅｒ）编码、变形米勒编码、差动编码【１１１，见图２．７。图２．７基带编码Ｆｉｇ．２．７Ｂａｓｅｂａｎｄｃｏｄｉｎｇ（１）反向不归零编码高电平表示“１＂，低电平表示出现直流信号不利于信道传输，接收端不能提取同步信号频率，且必须有一根（２）曼彻斯特编码“０”，但是此码型不宣传输，因为编码后的判决门限与信号功率有关具有不可控性，传输线接地基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现在曼彻斯特编码中，某位的值是由该位长度内半个位周期时电平的变化（上升／下降）来表示的，在半个位周期时的负跳变表示“１”，半个位周期时的正跳变表示“０’’。曼彻斯特编码在采用副载波的负载调制或者反向散射调制时，通常用于从应答器到读写器的数据传输，因为这有利于发现数据传输的错误。这是因为在位长度内，“没有变化＂的状态是不允许的。当多个应答器同时发送的数据位有不同值时，接收的上升边和下降边互相抵消，导致在整个位长度内是不间断的副载波信号，由于该状态不允许，所以读写器利用该错误就可以判定碰撞发生的具体位置。（３）单极性归零编码第一个半个位周期中，高电平表示“ｌ”，持续整个位周期内的低电平表示“０”。单极性归零编码可用来提取位同步信号。（４）差动双相编码半个位周期中的任意边沿表示“０’’；没有边沿表示“１’’。电平在每个位周期开始时都要反相。因此，对接收器来说，位节拍比较容易重建。（５）米勒（Ｍｉｌｌｅｒ）编码半个位周期内的任意边沿表示“１’’，下一个位周期中不变的电平表示“０’’。一连串的零在位周期开始时产生电平交变。因此，对接收器来说，重建位同步比较容易。’（６）变形米勒编码【２】将米勒编码的正／负跳变用负脉冲来代替。这种编码在电感耦合的射频识别系统中用于从读写器到应答器的数据传输，很短的脉冲持续时间就可以完成，在数据传输过程中能保证从读写器的高频场中连续供给应答器能量。（７）差动编码差动编码中，每个要传输的二进制“ｌ＂都会引起信号电平的变化，而对于二进制“０”，信号电平保持不变。用ＸＯＲｆ］的Ｄ触发器就能很容易地从ＮＲＺ信号中产生差动编码。第２章ＲＦＩＤ系统技术基础考虑到编码方式的选择，在ＲＦＩＤ系统中，由于使用的应答器常常是无源的，无源标签需要在读写器的通信过程中获得自身的能量供应。为了保证系统的正常工作，信道编码方式首先必须保证不能中断读写器对应答器的能量供应。另外，作为保障系统可靠工作的需要，还必须在编码中提供数据一级的校验保护，编码方式应该提供这种功能，并可以根据码型的变化来判断是否发生误码或有应答器冲突发生。在ＲＦＩＤ系统中，当应答器是无源标签时，经常要求基带编码在每两个相邻数据位元间具有跳变的特点，这种相邻数据间有跳变的码，不仅可以保证在连续出现“Ｏ＂的时候对应答器的能量供应，而且便于应答器从接收到的码中提取时钟信息患。在实际的数据传输中，由于信道中干扰的存在，数据必然会在传输过程中发生错误，这时要求信道编码能够提供一定程度检测错误的能力【１１１。在为射频识别系统挑选合适的信号编码系统时，应当考虑每种编码的边界条件，最重要的是调制后的信号频谱，以及对传输故障的敏感度。另外对于无源应答器来说，不允许由于信号编码与调制方法的不适当的组合而导致能量转化的中断。射频识别系统一般采用曼彻斯特编码和反向不归零编码［１２１。２．４．２数字调制技术能量从天线以电磁波的形式发射到周围的空间，只要电磁波的三种信号参数之一：功率、频率、相位，即能对信息进行编码，并传送到空间内的任何一点去。信息对电磁波的作用过程称为调制，被调制的电磁波称为载波。可以从测得的接受功率、频率或相位的变化中恢复信息，这一过程称为解调。射频识别系统可采用的调制方式为振幅键控ＡＳＫ、频移键控ＦＳＫ和相移键控ＰＳＫ。本文设计的射频识别考勤系统是基于国际标准ＩＳ０１４４４３，此标准中从读写器到应答器的数据传输使用的是ＡＳＫ调制方式，所以先简单阐述ＡＳＫ调制和解调原理：ＡＳＫ的调制信号见图２．８，以载波幅度大小（或有无）表示０、１，当振幅为“时表示１，为‰时表示０，用以表示肛。和¨的变化程度称为调制系数ｍ，基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现ｍ＝（“一ｐｏ）／（ｐ１＋‰）。当调制系数为１００％时，又称为００Ｋ（ｏｎ－ｏｆｆｋｅｙｉｎｇ）键控，此时‰＝Ｏ，振幅＝Ｏ。图２．８ＡＳＫ调制信号Ｆｉｇ．２．８ＡＳＫｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ在接收端，当接收到调幅信号时，要予以处理，恢复为数字基带信号，如图２．９所示。中间的带通滤波器滤掉输入信号中的噪声，包络检波器输出高频信号的包络，取样脉冲通过判决器将ｂ段信号转换成数字基带信号输出。第２章ＲＦＩＤ系统技术基础输入ｌ带通洲Ｓ滤波器（ｔ）ｌ’循议葡输入ａ点ｂ点ａＩ包络ＩｂＩ判决Ｉ输出—＿１检波器『＿———１取样器Ｒ定时口口口：口口口口口口输出ｒ］厂］ｒ］图２．９ＡＳＫ信号解调器及工作波形Ｆｉｇ．２．９ＡＳＫｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｗａｖｅｓＦＳＫ和ＰＳＫ调制方式在此不再赘述。三种调制方式各有特点：ＡＳＫ抗噪性能较差，所占信号的频带宽度是宽带脉冲带宽的两倍。ＦＳＫ信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成，连续谱由两个双边谱叠加而成，离散谱出现在两个载频位置上，如果两个载频之差较小，小于基带信号带宽，则连续谱出现单峰，如果载频之差逐渐增大，则连续谱将变成双峰，ＦＳＫ所占的带宽较大。ＰＳＫ信号的功率谱同样由连续谱和离散谱组成，带宽与ＡＳＫ信号带宽相同。由于ＰＳＫ系统在抗噪声性能及信道频带利用率等方面比ＦＳＫ和ＡＳＫ优越，因此被广泛应用于数字通信中【１３】。２．４．３副载波调制法在射频国际标准ＩＳ０１４４４３中，规定了从ＩＣ卡到读写器的数据传输使用副载波的负载调制方式。见图２．１０，射频系统中的副载波一般是通过对工作频率二分制产生，在设计的考勤系统使用１３．５６ＭＨｚ的射频频率，可采用副载波的频率为８４７ｋＨｚ基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现（１３５６ＭＨｚ／１６）或２１２ｋＨｚ（１３．５６ＭＨｚ／６４）．卡要发送的数据采用曼彻斯特编码，ＡＳＫ调制，传输率为１０６ｋｂ／ｓ。副载波进行负载调制时，首先在围绕操作频率副载波士副载波分频的距离上产生两条谱线。真实的信息随着基带编码的数据流对副载波的调制被传输到两条副载波谱线的边带中。另一方面，如果采用的是在基带中进行的负载调制时，数据流的边带将直接围绕着工作频率的载波信号。副载波曼彻斯特编码副载波调制负载调制酗２】０副载波调制原理Ｆｉ９２１０ｓｕ㈣ｅｒｌｏａｄｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ２５ＲＦＩＤ系统的数据完整性完整性简单地讲即要求保持信息的原样。信息在存储或传输过程中保持不被偶然或蓄意地删除、修改、伪造．乱序、重放、插入等破坏和丢失的特性。影响信息完整性的主要因素有：误码（传输、处理和存储过程中产生的误码，定时的稳定度和精度降低造成的误码，各种干扰源造成的误码）、设备故障、人为攻击、第２章ＲＦＩＤ系统技术基础计算机病毒等。对于非接触式ＲＦＩＤ系统，信息不完整通常是由外界的各种干扰和多个应答器同时占用信道发送数据产生碰撞造成的，针对这两种情况，常用的处理方法是采用校验和法和多路存取法。对于ＲＦＩＤ系统，由于信息码元序列是一种随机序列，接收端无法预知也无法识别其中有无错码。为了解决这个问题，常常采用在发送端或应答器的信息、码元中增加一些监督（纠错）码元，这些纠错码元和信息、码元之间有一走的关系，使接收端或读写器可以利用这些关系由信道解码器来发现或纠正可能存在的错误码元。在信息码元中加入监督码元被称为差错控制编码或纠错编码，不同的编码方法有着不同的检错或纠错能力。２．５．１校验和法在射频识别系统中常用的纠错编码是校验和法，校验和法可以识别传输错误，并启动校正措施，最常用的校验和法是奇偶校验、纵向冗余校验（ＬＲＣ）法和循环冗余码校验（ＣＲＣ）法。（１）奇偶校验奇偶校验是指在每一字节后加上一个奇偶校验位，与字节一同被传输，即每个字节发送九位数据。奇校验的规则是：如果每字节的数据位中１的个数为奇数，则校验位为０，若１的个数为偶数，则校验位为１。奇校验通常用于同步传输。反之，偶校验的规则是：如果每字节的数据位中１的个数为奇数，则校验位为１，若１的个数为偶数，则校验位为Ｏ。偶校验通常用于异步传输或低速传输。附加位可以添加在垂直方向、水平方向或水平垂直方向。当采用奇校验时，发送位中１的个数一定为奇数，那么接收端在对接收字符进行“１＂个数统计时，若１的个数为偶数，说明传输过程中有１位或奇数位发生错误。当采用偶校验时，原理相同。可以看出，奇偶校验的识错能力有限，当错误位数为奇数时，可以被识别，而当错误位数为偶数时，则相互抵消无法识别。事实上，在传输中偶然一位出错的机会最多，所以奇偶校验法被经常采用。（２）纵向冗余校验（ＬＲＣ法）１２］ＬＲＣ的原理是：把一个数据块的所有数据字节递归经ＸＯ剐选通，产生ＸＯＲ校验和，作为ＬＲＣ位附在数据块后面同数据一起传输，那么在接收器中对数据块加基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现ＬＣＲ字节产生ＬＲＣ后就可以对传输错误进行简单的校核。其结果总应为零，任何其它结果都表示出现了传输错误。（３）循环冗余码校验（ＣＲＣ法）ＣＲＣ的原理是：将整个数据块当成一个连续的二进制数据膨（ｘ），在发送时将多项式Ｍ（ｘ）用生成多项式Ｇ（ｘ）来除，然后利用余数进行校验。将Ｍ（ｘ）看成一个系数是０或１，阶数为ｍ．１的多项式，那么长度为ｍ的数据块则可以看作是ｚ肛‘到石。的ｍ次多项式，如二进制数１０１１０１０１可用多项式ｌｘ７十帆６＋１∥＋１一十０２３＋ｌ石２＋０ｘ＋１来表示。实际应用时，发送装置ＣＲＣ校验码，并将ＣＲＣ校验码附在二进制数据Ｍ０）后一起发给接收装置，接收装置根据接收到的数据重新计算ＣＲＣ校验码，并于收到的ＣＲＣ校验码比较，若两者不同，则说明通信过程出现错误，要求发送装置重新发送数据。循环冗余校验可以检查出单位和双位错误、奇数位的错误、长度小于等于校验位长度的突发错误、和几乎所有比校验位长度稍长位的突发性错误。以其较低的误码率水平得到了广泛应用。２．５．２多路存取法在射频识别系统中，经常会有多个应答器同时出现在读写器应答范围内的情况，为了保证在这种情况下确保应答器的信息能被准确快速地识别，发展了许多方法，将不同用户之间的信号分开：时分多路、频分多路、空分多路，下面简单介绍这两种多路存取法。（１）时分多路时分多路（ＴＤＭＡ－－ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）法是把整个可供使用的通路容量安照时间分配给多个用户的技术。ＴＤＭＡ在应用中大多数采用的是读写器驱动法，所有的应答器同时由读写器进行控制和检查，通过一种规定的算法，在读写器的作用范围内首先选择较大的应答器组中的一个应答器，然后在选择的应答器和读写器之间进行通信，为了选择另外一个应答器，应该解除原来的通信关２ｌ第２章ＲＦＩＤ系统技术基础系，因为在同一时间内总是建立起一个通信关系。并且可以快速地按时间顺序操作应答器。读写器控制法又可分为“轮询’’法和“二进制搜索算法＂，后者在下文详细解释。轮询法是指读写器依次询问所有应答器的序列号，直到某个有相同序列号的应答器响应为止。但这种方法当应答器数量较大时耗时较多，不如“二进制搜索算法＂显得灵活。（２）频分多路频分多路（ＦＤＭＡ－－ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｏｍａｉｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）法是把若干个使用不同载波频率的传输通路同时供通信用户使用的技术。对射频识别系统来说，可以将Ｎ个应答器向读写器的数据使用若干个应答频率石～＾调制，这些应答频率可以使用不同的、独立的副载波调制。而读写器对所有应答器的能量供应和控制信号的传输则使用读写器最佳适用频率丘。如：读写器至应答器（下行路线）１３５ｋＨｚ，应答器至读写器（上行路线）４３３＇－－－４３５ＭＨｚ频率范围内的若干通路。为了实现频分多路，必须使读写器的每个接收通路安装单独的接收器，所以费用相对较高。（４）二进制搜索算法实现二进制搜索算法的必要前提是能够识别出在读写器中数据冲突位的准确位置，基于曼彻斯特编码的原理，当多个应答器同时在读写器的接收范围内时，由于接受的上升沿和下降沿相抵消，使得读写器在一个窗位时间内收到连续的副载波信号，导致错误，所以在二进制搜索算法中使用曼彻斯特编码可以跟踪冲突位的出现。为了实现二进制搜索算法，首先每个应答器必须拥有一个唯一的序列号，为了简单举例，假设序列号为８位，显然可对２５６个应答器进行编址。典型的防碰撞指令规则如下【１４】：ＳＥＬＥＣＴ．一选择：用事先确定的某个序列号作为参数发送给应答器，具有相同序列号的应答器将对其它指令（如读／写数据）进行响应。不同的序列号的应答器不响应。基于Ｙｉｆａｒｅ射频识别＃的考勤系统的设计与实现ＲＥＱＵＥＳ卜请求：应答器收到序列号后，与自己的序列号比较，如果自身序列号小于等于接收到序号，则送回送其序列号给读写器，以缩小应答器的范围。ＲＥＡＤ．ＤＡＴＡ——读出数据：选中的应答器将存储的数据发送给读写器。蝌ＳＥＬＥＣＴ＿去选择：取消选中的应答器，应答器收到此指令时处于闲置状态，对ＲＥＱＵＥＳＴ指令不做应答。只有将卡片离开读写器作用范围重新进入才可激活。二进制算法的执行过程并不复杂，举例说明，假设在读写器天线作用范围内有四个应答器，简单起见，序列号设为８位（实际使用的应答器序列号为１６位），分别如下：应答器１：１１０１０００１应答器２：１００１００１１应答器３：１０１１０００１应答器４：１０１１００１１该算法中，由读写器不断发送ＲＥＱＵＥＳＴ指令，发送的序列号与应答器的序列号进行比对和筛选，不断迭代直至不发生冲突。第一次发送的指令序列号必须为１１１１１１１１ｂ，读写器作用范围内的所有应答器序列号均小于等于１１１１１１１１ｂ，四个应答器都对该指令做出回应。对二进制搜索算法的可靠性起决定作用的是所有应答器需要准确地同步，使其能准确地在同一时刻开始传输序列号，只有这样才能按位判定冲突的发生。读写器接收到序列号的１位、５位、６位，由于四个应答器这些位有不同，因此在接收过程中发生了１次或多次冲突（Ｘ）。接收位的顺序为ｌＸＸｌ００Ｘ１，可以推测应答器的序列号有八中可能，见表２．１。第２章ＲＦＩＤ系统技术基础表２．１第一轮迭代８个推测的应答器序列号Ｔａｂ．２．１Ｃｏｎｊｅｃｔｕｒｅｏｆ８ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒｓｅｒｉａｌｎｕｍｂｅｒｉｎｆｉｒｓｔｒｏｕｎｄｉｔｅｒａｔｉｏｎ位序号７６５４．３．２１０读写器接收的数据１ＸＸ１００Ｘ１可能的序列号ＡｌＯＯ１００Ｏｌ可能的序列号Ｂ（２）１ＯＯ１００１ｌ可能的序列号Ｃ（３）ｌＯ１１００Ｏ１可能的序列号Ｄ（４）ｌＯ１１００ｌ１可能的序列号Ｅ（１）１ｌＯ１０００ｌ可能的序列号Ｆｌ１Ｏ１００ｌ１可能的序列号Ｇ１１１１０００１可能的序列号Ｈ１１１１００１ｌ注１）：表中第一列表明的数字（１）（２）（３）（４）表示实际存在的应答器第一次迭代中最高位６位出现了冲突，说明：在序列号在１０００００００ｂ～１０１１１１１１ｂ的范围内存在多张应答卡，为了进一步缩小搜索范围，二次迭代时将第６，ｔ／置０，所有低位置１，发出ＲＥＱＵＥＳＴ（≤１０１１１１１１）指令，于是应答器２、３、４做出应答，将自己的序列号传输给读写器。此时，第５位和第１位出现了冲突（Ｘ），说明在二次迭代中，仍旧有至少２个应答器在读写器作用范围内，需要进一步确定的序列号有４中可能，详见表２．２。表２．２第二轮迭代４个推测的应答器序列号Ｔａｂ．２．２Ｃｏｎｊｅｃｔｕｒｅｏｆ４ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒｓｅｒｉａｌｎｕｍｂｅｒｉｎｓｅｃｏｎｄｒｏｕｎｄｉｔｅｒａｔｉｏｎ位序号７．６５４．３．２ｌ０读写器接收的数据１０Ｘ１００Ｘ１可能的序列号Ａ１０Ｏ１００Ｏｌ可能的序列号Ｂ（２）１００１００１１可能的序列号Ｃ（３）１０１１０００ｌ可能的序列号Ｄ（４）１０１１００１１注１）：表中第－－ＹＵ表明的数字（２）（３）（４）表示实际存在的应答器基于Ｒｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现如表所示，第二次迭代后，第５位和第ｌ位出现冲突，为缩小搜索范围，则继续第三次迭代，将冲突最高位第５位设为０，发出ＲＥＱＵＥＳＴ（≤１００１１１１１）指令，此时，只有第二个应答器做出应答，仅一个有效的序列号，没有冲突，结束迭代。为了从较大量的应答器中搜索出唯一的应答器，读写器必须在尽可能短的时间内完成对卡的搜索和操作，所以要求算法具有较高的效率，设迭代的平均次数乙，Ｌ取决于读写器作用范围内的应答器总数Ｎ，可以求出：三（Ⅳ）＝１＋ｌｏｇ：Ｎ。２．６本童小结本章主要介绍了ＲＦＩＤ系统的技术基础，从工作原理入手，阐述了一个典型的射频识别系统的工作流程，介绍了ＲＦＩＤ系统的多种分类方式，并根据本文考勤系统的适用范围重点介绍了按工作频率和按作用距离的两种分类方式。本章描述的关键技术是ＲＦＩＤ系统的编码和调制方法以及数据完整性传输的原理和算法，对常用的技术如校验和法、二进制搜索算法进行了比较详细的原理描述。为射频识别系统的设计和实现打下理论基础。第３章Ｍｉｆａｒｅ技术和应用第３章Ｍｉｆａｒｅ技术和应用３．１Ｍｉｆａｒｅ技术概述Ｍｉｆａｒｅ是ＰｈｉｌｉｐｓＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ所拥有的１３．５６ＭＨｚ非接触性辨识技术。Ｍｉｆａｒｅ经常被认为是一种智能卡的技术，这是因为它可以在卡片上兼具读写的功能。事实上，Ｍｉｆａｒｅ卡仅具备记忆功能，必须搭配读写器才能达到读写功能。Ｍｉｆａｒｅ的非接触式读写功能原先是被设计来处理大众运输系统中的付费交易部分，其与众不同的地方是具备执行升幂和降序的排序功能，简化资料读取的过程，尽管接触性智能卡也能够执行同样的动作，但非接触性智能卡的速度更快且操作更简单，卡片读写器几乎不需要任何维修，卡片也较为耐用，因此被广泛应用在各种其它领域。非接触智能卡的卡片读写器的标准读卡距离是２．５至１０厘米，尽管Ｍｉｆａｒｅ的读卡距离较短而不太适合门禁应用，但由于它具备一卡多用的特点，近来在门禁市场上常被指定使用，并且有增加的趋势。在大型场所中，Ｍｉｆａｒｅ可用作门禁卡、自助餐厅的储值卡、Ｄ卡、上班用之打卡、停车费之卡、图书馆或器材租用卡、或自动贩卖机的储值卡；它甚至可以储存个人生物辨识特征值，以供生物辨识之卡片阅读机核对。Ｍｉｆａｒｅ在欧洲和亚洲非常普及，在美国被指定用来作为行政机构和海军的门禁设备【”】。图３．１所示是一张Ｍｉｆａｒｅ卡的内部结构图，卡片组成很简单，仅由一个天线线圈和一个ＩＣ芯片组成。卡片的天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到ＩＳＯ卡片中。芯片是Ｍｉｆａｒｅｌ￥５０智能卡芯片，卡片的ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｒｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓ专用集成电路）由一个高速（１０６Ｋ．Ｂ波特率）的射频接口，一个控制单元和一个８Ｋ位ＥＥＰＲＯＭ组成。Ｍｉｆａｒｅｌ￥５０非接触式卡符合ＭｉｆａｒｅＩ的国际标准，容量为８Ｋ位，数据保存期为１０年，可改写１０万次，读无限次，内含加密控制逻辑电路和通讯逻辑电路，卡与读写器之间的通讯采用国际通用的ＤＥＳ（数据加密标准）和ＲＥＳ保密交叉算法，具有极高的保密性能。基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现图３．１卡片内部结构Ｆｉｇ．３．１ＣａｒｄｉｎｔｅｍＮｓｔｒｕｃｔｕｒｅ本文系统所使用的Ｍｉｆａｒｅｌ￥５０卡的特点如下：（１）工作频率：１３．５６ＭＨｚ（２）通信速率：１０６Ｋｂ波特率（３）读写距离：在１００ｍｍＮ（与天线形状有关）能方便、快速地传递数据（４）半双工通讯方式（５）数据完整性Ｍｉｆａｒｅｌ—Ｓ５０卡有如下机制可以保证通信传输过程中的数据完整性：防冲突机制；每块有１６位ＣＲＣ多ｑ错；每字节有奇偶校验位；用编码方式来区分“１＂ｊ“０”或无信息；通过协议顺序和位流分析进行信道监测。（６）支持多卡操作Ｍｉｆａｒｅｌ￥５０卡Ｍｉｆａｒｅ卡的防冲突机制可以保证同一时间内可处理多张卡，并且在处理卡片时，可防止突发的读或写或读写中断现象。当对某张卡片进行处理时，其它卡可进入或离开射频区域，以做到动态读写。由于快速防冲突协议，每增加一张卡对整个读卡过程来说仅增加１ｍｓ。（７）安全性第３章Ｍｉｆａｒｅ技术和应用通过三次相互认证（ＩＳＯ／ＩＥＣＤＩＳ９７９８．２）确保数据传输的安全性，通信过程中所有数据均加密以防止信号截取，存储器每一扇区有相互独立的密码，并且每张卡的序列号是全球唯一的，有３２位。Ｍｉｆａｒｅｌ￥５０卡的高安全性、高速数据传输的特性，特别是其可以同时用于多达１６个不同应用系统的特性，使其在国内的应用迅速普及。目前，Ｍｉｆａｒｅｌ一￥５０卡广泛应用于以下领域：（１）公共交通系统：如公共汽车、地铁、出租车、轮渡等；（２）城市生活公用收费：如电话、电表、煤气表、水表等；（３）公用收费系统：如高速公路、路桥收费、码头、港口停泊、停车收费、娱乐场所等的刷卡系统，实现不停车收费等更便捷的收费方式；（４）金融、证券领域：如银行、邮政、电信、证券交易、商场消费等；（５）出入口管理系统：如上岗管理、考勤管理、门禁管理等。３．２Ｍｉｆａｒｅ卡的功能结构卡片的内部功能见图３．２。ｌ数字控制单元天射认证与存取控制与算术单元存线频控制电路储线圈接器口防冲突电路加密单元ＥＥＰＲＯＭＩ图３．２Ｍｉｆａｒｅ卡内部功能Ｆｉｇ．３．２Ｍｉｆａｒｅｃａｒｄｉｎｔｅｍａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓ基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现图３．２中，Ｍｉｆａｒｅｌ￥５０卡射频接口通过射频电波取得工作所需能量，并与读写器通信；数字控制单位实现加密、认证、存取控制等功能，是芯片的核心；存储器保存着各种应用数据和相应的密钥，以下详细介绍各模块。３．２．１射频接口射频接口电路接收读写器发来的１３．５６ＭＨｚ的调制频率无线电，将信号送至调Ｎ／解调模块，同时将收到的正弦波转换为方波，在进行整流和稳压后，输出给其它电路。３．２．２存储方式Ｍｉｆａｒｅ卡存储空间分配结构见图３．３，一张Ｍｉｆａｒｅｌ￥５０卡有１６个分隔的扇区（编号０＂一１５），每扇区分为４块（编号０－－．３），每块１６个字节，一张Ｍｉｆａｒｅ卡共包含６４个“块”（编号０－－二６３）。０扇区的块０存放着固化的厂商标志性字节，其中前面４个字节为卡号（序列号）。每个扇区的块３是控制块，包含了该扇区的密码Ａ（６个字节）、访问条件（４个字节）和密码Ｂ（６个字节），其余三块是数据块。第一个扇区通常被用作是卡片其它部分的目录，剩下的十五个扇区可分别用于不同用途的数据存储。因此，Ｍｉｆａｒｅ卡至少可提供１５种不同的应用，而且由于每个扇区各有两套独立的密码Ａ和Ｂ，所以这１５个应用是可被分隔的，所用的应用共用射频接口和数字控制单位。实际上，这就是我们常说的“一卡多用’’、“一卡通”。第３章Ｍｉｆａｒｅ技术和应用ｒ－扇区ｏ．｛ＬＩ扇区１ｆ扇区１５Ｉ【块０（厂商标志性字节）块１（１６ｂｙｔｅ）块２（１６ｂｙｔｅ）密钥Ａ（６）ｌ访问条件（４）ｌ密钥Ｂ（６：块０（厂商标志性字１了）块１（１６ｂｙｔｅ）块２（１６ｂｙｔｅ）密钥Ａ（６）ｌ访问条件（４）ｌ密钥Ｂ（６：块０（厂商标志性字节）块１（１６ｂｙｔｅ）块２（１６ｂｙｔｅ）密钥Ａ（６）Ｉ访问条件（４）Ｉ密钥Ｂ（６）图３．３Ｍｉｆａｒｅ卡存储空间分配Ｆｉｇ．３．３Ｍｉｆａｒｅｃａｒｄｓｔｏｒａｇｅｓｐａｃｅａｌｌｏｃａｔｉｏｎ下面解释块３控制块如何控制各自的区块（包含数据块和控制块）存取控制的。每个扇区的密码和访问条件都是独立的，每个块的存取控制是由密码和访问条件共同决定的，“访问条件”为４个字节，共３２位，“访问条件＂中每个块有相应的三个控制位，每个控制位有正反两种形式，决定了该块的访问权限（如进行加值操作必须验ｉ正ＫｅｙＡ，进行减值操作必须验ｉ正ＫｅｙＢ），控制位定义如下：块Ｏ：Ｃ１０（Ｃ１０＿ｂ）Ｃ２０（Ｃ２０一ｂ）Ｃ３０（Ｃ３０一ｂ）块ｌ：Ｃ１１（Ｃ１ｌ—ｂ）Ｃ２１（Ｃ２１一ｂ）Ｃ３１（Ｃ３１一ｂ）块２－Ｃ１２（Ｃ］２一ｂ）Ｃ２２（Ｃ２２一ｂ）Ｃ３２（Ｃ３２一ｂ）块３：Ｃ１３（Ｃ１３一ｂ）Ｃ２３（Ｃ２３一ｂ）Ｃ３３（Ｃ３３一ｂ）表３．１展示了访问条件的结构，４个字节中有一个为备用字节，存取控制占用３个字节。基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现表３．１访问条件４个字节中控制位占用表Ｔａｂ．３．１Ｃｏｎｔｒｏｌｂｉｂｉｎ４ｂｙｔｅｓｏｆａｃｃｅｓｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ７６５４３２ｌＯＢｙｔｅ６Ｃ２３ｂＣ２２ｂＣ２１ｂＣ２０ｂＣ１３ｂＣ１２ｂＣ１１ｂＣ１０ｂＢｙｔｅ７Ｃ１３Ｃ１２Ｃ１１Ｃ１０Ｃ３３ｂＣ３２ｂＣ３１ｂＣ３０ｂＢｙｔｅ８Ｃ３３Ｃ３２Ｃ３ｌＣ３０Ｃ２３Ｃ２２Ｃ２１Ｃ２０Ｂｙｔｅ９数据块的访问条件见表３．２：表３．２数据块的访问条件Ｔａｂ．３．２Ａｃｃｅｓｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｄａｔａｂｌｏｃｋ控制位Ｘ＝０．１．２对数据块０．１．２的访问条件Ｃ１ＸＣ２ＸＣ３Ｘ读写加值减值／传输／存储００ＯＫｅｙＡ／ＢＫｅｖＡ／ＢＫｅｙＡ／ＢＫｅｙＡ／ＢＯＯ１ＫｅｙＡ／ＢＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒＫｅｙＡ／ＢＯ１ＯＫｅｙＡ／ＢＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒＯ１１ＫｅｙＢＫｅｙＢＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒ１Ｏ０ＫｅｙＡ／ＢＫｅｙＢＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒ１ＯｌＫｅｖＢＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒ１１ＯＫｅｙＢＫｅｙＢＫｅｙＢＫｅｙＢ１１１ＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒ如，当块１的访问条件位Ｃ１１Ｃ２１Ｃ３１为００１时，密码Ａ或Ｂ正确可读，可进行减值操作，不可写，不可进行加值操作。控制块３的访问条件见表３．３，与数据块有区别。３１第３章Ｍｉｆａｒｅ技术和应用表３．３控制块的访问条件Ｔａｂ．３．３Ａｃｃｅｓｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｂｌｏｃｋ控制位Ｘ＝ｏ．１．２密码Ａ存取控制密码ＢＣ１３Ｃ２４Ｃ３４读写读写读写０Ｏ０ＮｅｖｅｒＫｅｙＡ／ＢＫｅｙＡ／ＢＮｅｖｅｒＫｅｖＡ／ＢＫｅｙＡ／ＢＯＯ１ＮｅｖｅｒＫｅｙＡ／ＢＫｅｙＡ／ＢＫｅｙＡ／ＢＫｅｙＡ／ＢＫｅｙＡ／ＢＯ１０ＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒＫｅｖＡ／ＢＮｅｖｅｒＫｅｙＡ／ＢＮｅｖｅｒＯ１１ＮｅｖｅｒＫｅｙＢＫｅｙＡ／ＢＫｅｙＢＮｅｖｅｒＫｅｙＢ１ＯＯＮｅｖｅｒＫｅｙＢＫｅｙＡ／ＢＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒＫｅｙＢ１Ｏ１ＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒＫｅｙＡ／ＢＫｅｙＢＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒ１１ＯＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒＫｅｙＡ／ＢＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒ１１１ＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒＫｅｙＡ／ＢＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒＮｅｖｅｒ如，当控制块３的访问条件位Ｃ１３Ｃ２３Ｃ３３为０１１时，密码Ａ不可读，验证密码Ｂ正确后可写；存取控制：密码Ａ或Ｂ正确可读，Ｂ正确可写；密码Ｂ：不可读，验证密码Ｂ正确可写。３．２．３数字控制单元（１）认证与存取控制电路Ｍｉｆａｒｅｌ￥５０卡的保密性能有几方面来保证：卡片序列号的唯一性、传递数据加密、传输密码和访问密码受保护、读写前的三次确认。前面三种特性在上文描述卡的存储结构时已经解释，卡片读写前的三次相互确认过程详见图３．４。读写器在选定卡片后，需确定访问的扇区号，通过三次相互认证对该扇区进行密码校验，校验通过后可与卡片进行任何通讯。３２基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现１、卡片向读写器发出随机数ＲＢ亡＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝≥一２、读写器向卡片发送ＴＯＫＥＮＡＢ，包含随机数ＲＡ—＝＝＝二＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝了３、解密ＴＯＫＥＮＡＢ，校验ＡＢ中的ＲＢ是否是卡片第一次发出的ＲＢ匕＝＝＝：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝》４、如果正确，卡片向读写器发送ＴＯＫＥＮＢＡ５、解密ＴＯＫＥＮＢＡ，校验ＢＡ中的ＲＡ是否是第一次发出的ＲＡ—￡＝＝二：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝了６、如果正确，验证结束图３．４卡片读写前的三次相互确认过程Ｆｉｇ－３．４Ｔｈｒｅｅ－ｔｉｍｅｓａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎｂｅｆｏｒｅｃａｒｄｍａｄ／ｗｒｉｔｅ（２）防冲突单元如果有多张Ｍｉｆａｒｅ卡片处在读写器的天线的工作范围之内时，防冲突模块功能将被启动。读写器将会首先与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的序列号。由于每一张Ｍｉｆａｒｅ卡片都具有其唯一的序列号，读写器根据其序列号来选定卡片。（３）控制与算术单元控制与算术单元相当于卡片中的ＣＰＵ，用来控制其它单元，收／发的数据，算术运算处理（如ｃＲｃ运算处理）等。（４）加密单元该单元完成对数据的加密处理及密码保护。加密的算法可以为ＤＥＳ标准算法或其它算法。第３章Ｍｉｆａｒｅ技术和应用３．３Ｍｉｆａｒｅ卡与读写器的通讯Ｍｉｆａｒｅ卡与读写器的典型通讯顺序和通讯时间见图３．５。通讯顺序典型通讯时间２．５ｍｓ无冲突＋１ｍｓ对于每一个冲突认证：２ｍｓ读块：２．１ｍｓ写块：８．６ｍｓ图３．５Ｍｉｆａｒｅ卡与读写器的通讯图Ｆｉｇ．３．５ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｅｓｓｂｅｔｗｅｅｎＭｉｆａｒｅｃａｒｄａｎｄｒｅａｄｅｒ复位应答Ｍｉｆａｒｅｌ￥５０卡的通讯协议和通讯波特率是定义好的，当卡片进入读写器的作用范围时，读写器以特定的协议与它通讯，验证卡片的标签类型，从而确定该卡是否茭ＪＭｉｆａｒｅｌ一￥５０卡。基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现防冲突闭合机制防冲突闭合机制可看作一种串行机制，当有多张Ｍｉｆａｒｅｌ一￥５０卡在读写器的作用范围内时，读写器首先选择一张作为通讯对象，未选中的卡片则处于闲置模式以等待下一次被选中，该过程返回一个被选中的卡片的序列号。选择卡片选择被选中卡片的序列号，并同时返回卡的容量代码。三次互相确认见“图３．４卡片读写前的三次相互确认过程”。读写操作确认之后就可以执行下列操作：读（读一个块）、写（写一个块）、减（块中的内容作减法之后结果存在数据寄存器中）、加（块中的内容作加法之后结果存在数据寄存器中）、传输（将数据寄存器中的内容写入块中）、储存（将块中的内容督导数据寄存器中）、暂停（将卡置于暂停工作状态）。３．４Ｍｉｆａｒｅ卡的电磁工作原理Ｍｉｆａｒｅｌ￥５０卡片内包含一个ＬＣ串联谐振电路，当接收到读写器发出的相同频率的电磁波时产生共振，使电容充电，当电容积累的电荷达Ｎ２ｖ，可为卡片内其它电路提供工作电压，卡片被激活，实现与读写器的通讯。Ｍｉｆａｒｅｌ￥５０卡的具有以下五种工作状态：（１）ＰＯＷＥＲＯＦＦ断电状态：卡片不位于读卡器有效区域，由于缺少射频磁场能量而处于断电状态，卡片不工作。（２）ＩＤＬＥ空闲状态：卡片进入读卡起有效区域内，被电磁场能量激活，延迟数毫秒后将进入ＩＤＬＥ状态。在该状态下，卡片能够解调读卡器传来的调制信号，并能对读卡器的Ｒｅｑｕｅｓｔ（以ＩＤＬＥ或ＡＬＬ方式）命令进行应答，应答后返回卡片的类型。（３）ＲＥＡＤＹ就绪状态：卡片对读卡ＩＮｆ约Ｒｅｑｕｅｓｔ命令进行应答后，就进入了ＲＥＡＤＹ状态。在该状态中，可以采用比特帧防冲突算法。当卡片的唯一序列号被读卡器发来的Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ命令选中时，就退出本状态。３５第３章Ｍｉｆａｒｅ技术和应用（４）ＡＣＴＩＶＥ激活状态：当卡片的唯一序列号被读卡器选中时就进入ＡＣＴⅣＥ状态。在该状态中，卡片完成本次应用所要求的全部操作。（５）ＨＡＬＴ停止状态：卡片应用完成后，读卡器可通过发送Ｈａｌｔ命令，使卡片进入ＨＡＬＴ状态。在该状态中，卡片只对读卡器以ＡＬＬ方式发送的Ｒｅｑｕｅｓｔ命令进行应答（或被唤醒），从而又进入ＲＥＡＤＹ状态。图３．６描述ＴＭｉｆａｒｅ卡片的状态转换过程。Ｒｅｑｕｅｓｔ（ＡＬＬ命令Ａｎｔｉｃｏｌｌ命令图３．６Ｍｉｆａｒｅ卡片的状态转换过程Ｆｉｇ．３．６ＳｔａｔｅｓｔｒａｎｓｆｅｒｏｆＭｉｆａｒｅｃａｒｄ应用３．５非接触式ｌＣ卡国际标准ｌＳＯ／ＩＥＣ１４４４３国际标准ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３以“识别卡——近耦合集成电路卡’’为标题说明非接触式近耦合ＩＣ卡的作用原理和工作参数，这项标准由物理特性、射频能量和信号３６基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现接口、初始化与防冲突、传输协议四个部分组成。下文简单描述这四部分的内容【１１【２】【１６】０７】。３．５．１物理特性ＩＣ卡的物理特性与尺寸满足国际标准ＩＳＯ／ＩＥＣ７８１０中的规定相符，即８５．７２ｒａｍＸ５４．０３ｍｍＸＯ．７６ｒａｍ±容差。此外这一部分标准中还有对弯曲和扭曲实验的附加说明，以及使用紫外线、Ｘ射线和电磁射线的辐射实验的附加说。３．５．２射频能量和信号接口读写器与ＩＣ卡之间通过射频电磁场传递能量，经过调制解调进行通信，ＩＣ卡获得能量后，将其转换成直流电流。电磁场频率为１３．５６ＭＨｚ±７ｋＨｚ，磁场强度在１．５～７．５Ａ／ｍ，在此范围内ＩＣ卡可以不间断地工作。ＩＳＯ１４４４３协议规定了两种信号接口：ＴｙｐｅＡ和ＴｙｐｅＢ，Ｍｉｆａｒｅ卡必须支持这两种协议的任意一种。读写器和ＩＣ卡之间信号的双向传送，Ａ类和Ｂ类在初始化和防冲突期间的数据传输率均为１３．５６ＭＨｚ／１２８＝１０６Ｋｂ／ｓ。调制方式和数位表示则有不同。从读写器传送到ＩＣ卡的信号（Ａ类）采用的调制方式为ＡＳＫｌｏｏ％调制，在射频场中创造间隙来传送二进制数据，定义时序如下：（１）时序ｘ：在６４／，＝．之处产生一个间隙（２）时序Ｙ：在整个位周期（１２８／ｆ。）不发生调制（３）时序Ｚ：在位期间的开始产生一个间隙Ｂ类采用ＡＳＫｌ０％调制幅，位编码格式为非归零制ＮＲＺ，其中，逻辑１表示载波高幅度（无调制），逻辑０表示载波低幅度。从卡片到读写器的信号传输：Ａ类协议中，卡片通过电感耦合区与读写器进行通信，卡片利用读写器发射的载波频率生成副载波，副载波频率ｆ，＝ｆ。／１６（约８４７ｋＨｚ）。编码采用曼彻斯特编码，定义如下：时序Ｄ：载波被副载波在位宽度的前半部（５０％）调制。第３章Ｍｉｆａｒｅ技术和应用时序Ｅ：载波被副载波在位宽度的后半部（５０％）调制。‘时序Ｆ：在整位宽度内载波不被副载波调制。逻辑１：时序Ｄ；逻辑Ｏ：时序Ｅ。通信开始（Ｓ）：时序Ｄ：通信结束（Ｅ）：时序Ｆ；无信息：无副载波。Ｂ类协议中，负载调制方式与Ａ类相同，唯一差异的是ＩＣ卡仅在数据传送是产生副载波。Ｂ类采用不归零制位编码，逻辑状态的转换用副载波相移１８０口来表示。３．５．３初始化和防冲突如果一个近耦合的射频ＩＣ卡处于某读写器的作用范围内，首先就要在读写器和ＩＣ卡间建立通信关系。此外，还需要考虑：在这个读写器的作用范围内有多于一个的ＩＣ卡存在或者已经和另外一个ＩＣ卡建立了通信联系。因此，标准的这一部分首先规定了协议（帧）的结构。该协议由在第２部分规定的基本要素：数据位，帧起始标记和帧结束标记构成。初始化和防冲突部分还规定了选择单独的ＩＣ卡使用的反碰撞方法，并对Ａ型和Ｂ型分别规定。（１）Ａ型卡当卡片处于闲置状态时，不能与读写器或其它卡片进行通讯，同时，读写器可与其作用范围内其它卡片进行数据交换，Ａ型卡的状态图如图３．７所示。基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现图３。７Ａ型ＩＣ卡状态图Ｆｉｇ．３．７ＴｙｐｅＡＩＣｃａｒｄｓｔａｔｅｓｄｉａｇｒａｍ如果ＩＣ卡在ＩＤＬＥ状态接收到了有效的ＲＥＱＡ命令（请求Ａ），则回送请求的应答字组ＡＴＱＡ（ＡＴＲ）给读写器。为了保险，使发送给读写器作用范围内的另外一个ＩＣ卡数据不致错误地解释ＲＥＯＡ命令，它仅由７个数据位组成。而回送的ＡＴＱＡ字组由两个字节组成，并且在标准帧中被回送，见图３．８。３９ｌｓ０１１００１０ＥＬＳＢＭＳＢ图３．８Ａ型ＩＣ卡读写器的ＲＥＱＵＥＳＴ命令Ｆｉｇ．３．８ＴｙｐｅＡＩＣｒｅａｄｅｒＲＥＱＥＳＴｃｏｍｍａｎｄ当ＩＣ卡对ＲＥＱＡ命令Ａ作了应答以后，ＩＣ卡处于ＲＥＡＤＹ状态。读写器现在识别出：在作用范围内至少有一张ＩＣ卡存在，并通过发送ＳＥＬＥＣＴ命令启动反碰撞算法。这里采用的反碰撞方法是动态二进制搜索算法。为了传输检索的准则和应答ＩＣ卡，采用了面向位的帧，这样，在发送一方发送任意数量的字节后都能在读写器和ＩＣ卡之间转变成相反的传输方向。ＳＥＬＥＣＴ命令的ＮＶＢ参数是为了说明检索的准则和实际长度用的，如图３．９所示。Ｓｂ０…ｂ７Ｐｂ０…ｂ７Ｐｂ０…ｂ７ＰＥＬＳＢＭＳＢＬＳＢＭＳＢＬＳＢＭＳＢ图３．９Ａ型ＩＣ卡读写器的ＳＥＬＥＣＴ命令Ｆｉｇ．３．９ＴｙｐｅＡＩＣｒｅａｄｅｒＳＥＬＥＣＴｃｏｍｍａｎｄ简单的序列号的长度是４字节。如果通过反碰撞算法去查找一个序列号，那么读写器在ＳＥＬＥＣＴ命令中要发送完整的序列号（ＮＶＢ＝４０Ｈ），以便选择合适的ＩＣ卡。具有所查找的序列号的ＩＣ卡用选择应答ＳＡＫ来确认这条命令，并处于ＡＣＴＩＶＥ状态，即选择状态。而在这方面的一个特殊情况是：不是所有的ＩＣ卡的序列号都是４字节长（单长度）。标准也允许有７字节长允许１０字节长的序列号。当所选的ＩＣ卡序列号为二倍长度或三倍长度时，ＩＣ卡通过给读写器的ＳＡＫ设定一个“串联位’’（ｂ３＝１）发出信号，表明保持ＲＥＡＤＹ状态。读写器启动反碰撞算法，求出序列号的第二部分。为了使ＩＣ卡发出对应的信号，应该表明启动的算法查找的是序列号的哪一部分，这就要在ＳＥＬＥＣＴ命令中能区分为三个串联级基于Ｍｉｆａｒｅ射频识别卡的考勤系统的设计与实现（ＣＬｌ、ＣＬ２和ＣＬ３）。在查找序列号时‘，必须总是首先从串联级１启动。为了排除较长的序列号的碎块与一个较短的序列号偶然的相同，在反碰撞中将所谓的串联标志（ＣＴ＝８８Ｈ）在预先规定的位置上插入７字节或１０字节长的序列号，即对较短的序列号来说，在相应的字节位置上此标志从未出现过（如图３．１０所示）。；羹莓；援牧鑫拿字节餐求的酎隗晌磁－Ｉ－缸嘎■×１２墓ｔ黝｝×毛－Ｏ－，髯ｑ，Ｙ×１２９÷２移》×岛ｐｅｐ：ｌＳ舷毛’９３ｈ’ｌＮｖ嚣’嚣ｈ’Ｉ１１１１０卜—一ＮＶＢ：２字节，ｓ位幸－—叫ＰＩＣＣ：｜匝Ⅱ亟丑亟匝匝匦圜ｌ■■■■■■■■■ｏ■■・■■■■■■■●＿■●■・■■■・■＿＿＿＿＿‘・＿■＿＿－■－■■■■■■■■■■■■・・－＿■＿‘■・■■■■‘■■■■＿－・＿■■一Ｕ｜Ｄ我痿：