無線射頻識別(RFID)芯片技術

　　l Mifare lS50卡的結構及主要特性

　　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展起來的一項新技術，他成功地將射頻識別技術和IC卡技術結合起來，解決了卡中無電源和免接觸使用這一難題，是電子器件領域的

　　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。數據保存期為10年，可改寫10萬次，讀無限次。卡與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(與天線形狀有關)能方便快速地傳遞數據；

　　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據完整防沖突機制；每塊有16位CRC糾錯；每字節有奇偶校驗位；檢查位數；用編碼方式來區分"1"、"0"或無信息；信道監測(通過協議順序和位流分析)；

　　支持多卡操作；

　　材料：PVC；

　　尺寸：符合ISO10536標準；

　　無電池：無線方式傳遞數據和能量；

　　芯片加工技術：采用高速的CMOS E2PROM工藝；

　　安全性：3次相互認證(ISO／IEC DIS 9798-2)；通訊過程中所有數據均加密以防止信號截取；每一扇區有相互獨立的密碼；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構；

　　典型交易過程<100 ms。

　　2 Mifare 1S50卡的RFID芯片的內部結構

　　Mifare 1S50卡的芯片由RF-Interface(射頻接口)和Digtal Section(數字模塊)兩部分組成，如圖1所示。

　　射頻接口部分由整流器、電壓調節器、上電復位(POWER ON RESET，POR)模塊、時鐘再生器、調制器／解調器等部分組成。主要有4個功能：

　　(1)為RFID芯片內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據解調出來供數字模塊處理以及對待發送的數據進行調制。
數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時，當讀寫器向卡發出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，芯片內建的中央處理機單元。

　　RAM：配合Control&Arithmetic Unit，將運算結果進行暫時存儲；若有數據要存到E2PROM，則取出數據存到E2PROM中；若有數據要傳送到讀寫器，則取出數據，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：此模塊完成對數據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

　　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，開關鍵控(On-off Keying，OOK)調制信號；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，而經過下一個周期中不變的電平表示二進制O，如果連續一串O，則在O比特周期開始時產生電平交變。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編碼方式的結果。

　　4 Mifare

　　芯片中的E2PROM Memory容量為8 kh，一共分為16個扇區，每個扇區為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(0～15 B)，一塊為一個存取單位。各扇區的塊0(注：第0扇區的塊0例外，他用于存放廠商代碼，已經固化不可改寫。其中：第0～4字節為卡的序列號；第5字節為序列號的校驗碼；第6字節為卡的容量"SIZE"字節；第7，8字節為卡的類型字節，即Tag type字節；其他字節由廠商另加定義)、塊1、塊2為數據塊，用于存儲用戶數據；各扇區的塊3為各個扇區控制塊，用于存放密碼A(0～5字節)、存取控制(6～9字節)、密碼B(10～15字節)。

　　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據塊或控制塊的操作權限，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；y表示塊號。例如："C2x1"表示某一扇區塊1的第2控制位)。3個控制位在存取控制字節(即各扇區塊3中的第6～9字節)中的位置，見表1(注：表中"_b"表示取反。例如：第6字節的bit7中存放"1"時，C2x3=0;而B則表示備用位。

　　控制位對各扇區數據塊（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。

　　控制位對各扇區數據塊3 的控制，見表3 。

　　塊3中，存取控制4B的初始化值（產商初始值）分別為"FF 07 80 69""。根據表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；根據表2可推斷出(表2中的第一種情況)，在初始的狀態下驗證密碼A或密碼B后，可以對數據塊0～2進行讀、寫加值、減值、初始化等操作；根據表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。

　　芯片中的數據塊有兩種應用方法，一種是用作一般的數據保存用，直接讀寫。另一種用法是用作數值塊，可以進行初始化、加值、減值、讀值的運算。應用系統配用相應的函數完成相應的功能。

　　綜上所述，Mifare 1S50卡的芯片中E2PROM Memory分為16個扇區，他們互不干擾，每個扇區均可分別設置各自的不同的密碼及按需要設置存取控制(不用產商的初始值)。因此，每個扇區可以獨立應用于一個應用場合，實現"一卡通"，例如：交通一卡通、校園一卡通、企業一卡通、家庭繳費一卡通等。

　　5 結 語

　　RFID卡是射頻識別技術與IC技術相結合的產物，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、特種設備強檢、安全管理、動植物電子標識、現代物流管理等領域展示了其美好的應用前景，所以，應加大研發RFID芯片的力度。