基于射频卡的信号采集与通信设计与实现士学位论文(编辑修改稿)

基于射频卡的信号采集与通信设计与实现士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

分析 射频 卡特点 操作快捷便利 由于采用非接触无线通信，读写器对在感应范围内的卡就可以进行操作，免去了插拔卡过程，所以非常方便用户使用。 而且射频卡在使用时既没有正反而之分也没有方向性与角度限制，卡片可以随意方向掠过读写器表面，完成一次操作仅需 秒，这就大大提高了每次使用的速度。 同时，由于卡与读写器进行通讯时的载波频率较高，卡内芯片可以工作在较高的系统时钟下，使二者的通信速率很高。 可靠性高、寿命长 卡与读写器之间无机械接触，故不存在接触式 IC 卡读写时出现的各种故障。 卡 和读写器均无裸露触点，则无需担心触点损坏或脱落所 致的卡片失效及因读写器 ―吃卡 ‖而使用户的 现象。 这些都将大大提高了卡和读写器的可靠性与使用寿命。 抗干扰能力强 射频卡有快速防冲突机制，能有效防止卡片之间出现数据干扰，当多张卡片同时进入读写器的天线有效范围内时，读写器可一一对卡片进行处理，这就提高了应用的并行性，也无形中提高了系统工作的速度。 一卡多用 用户可以根据需要灵活定义各存储扇区的密码和访问条件，以便互不影响地分别满足不同场合 、不同用途的要求。 高安全性 射频卡的序列号是唯一的，制造商在产品出厂前将此序列号固化于卡内芯片中，不可再更改，使用时射频卡与读写器要进行三次相互认证，而且通讯过程中所有的数据都加密，卡内各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。 射频识别系统原理 MIFARE 射频卡由天线和 ASIC（ 专用集成电路 ） 组成，天线是只有儿组绕线的线圈，卡上的 ASIC 由一个高速 （ 波特率 106kbit/s 的 RF 接口，一个控制单元和一个 8K理工大学学士学位论文 5 位 EEPROM 组成。 读写器向射频卡发送一组固定频率的电磁载波，卡片内有一个 LC串联谐振电路，其频率与读写器发送的频率相同，在电磁波的激励下， LC 谐振电路产生共振，从而使电容内产生电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到 2V 时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。 发生在阅读器和电子标 签之间的射频信号的耦合 类型有两种： 电感 耦合。 变压器模型，通过空间高频交变磁场实现祸合，依据的是电磁感应定律。 电磁反向散射耦合。 雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目 标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。 射频识别系统组成 射频识别系统一般由以下三部分组成 ： 读卡器 （ Reader） 一台典型的读卡器应包含射频信号发射单元器、高频接收单元和控制单元。 此外，许多读卡器还都有附加的接口 （ RS232， RS485， USB） ，以便将所获的数据传输给另外的系统作进一步的处理或存储。 发送部分和接收部分和起来称为读卡器的高频接口，它负担以下任务 ： 产生高频的发射功率，以启动应答器并为它提供能量 ； 对发射信号进行调制，用于将数据传送给应答器 ； 接收并解调来自应答器的高频信号。 在高频接口中有两个分隔开的信号通道，分别用于往来于应答器的两个方向的数据流。 传送到应答器中去的数据通过发送器分支，而来自于应答器的数据通过接收器分支来接收。 阅读器的控制单元则担负着以下任务 ： 与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令 ； 控制与应答器的通信过程 （ 主一从原则 ） ； 信号的编码与解码。 对于复杂的系统还有下列附加的功能 ： 执行反碰撞算法 ； 对应答器与阅读器之间要传送的数据进行加密和解密 ； 进行应答器和读取器之间的身份验证。 为了完成这些复杂的任务，在绝大多数情况下控制单元都拥有微处理器作为核心部件。 加密逻辑过程，如应答器与阅读器之间的加密、还有信号编码，常常是交由附加的理工大学学士学位论文 6 ASIC 组件来完成的，以减轻处理器计算密集型过程的负担。 出于性能上的原因，对 ASIC的访问是通过微处理器总线 （ 面向寄存器的 ） 实现的。 应用系统软件与阅读器之间的数据交换是通过 RS232 或 RS485 串口来进行的。 这里同普通的 PC 机一样使用 的是 NRZ 编 码 （ 8 位异步 ）。 作为通信协议使用的是各不相同的、常常是自定义的协议。 标签 （ Tag） 射频识别标签是一种以无线方 式传送数据的信息载体形式，它具有数据处理及安全认证等特有的优点。 射频识别标签是射频识别系统真正的数据载体，主要由天线、谐振电容以及 IC 芯片组成，其种类可以分为无源标签和有源标签两种。 射频标签与读卡器之间采用双向验证机制，即读卡器验证射频标签的合法性，同时射频标签也验证读卡器的合法性 ： 处理前，标签要与读卡器进行三次相互认证，而且在通讯过程中所有数据都加密。 此外，标签中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。 天线 （ Antenna） 射频识别系统中的天线用于产生磁通量，而磁通量用于向无源标签提供能量并在读卡 器和标签之间传送信息。 Mifare1卡存储结构 M1 卡分为 16 个扇区，每个扇区由 4 块（块 0、块 块 块 3）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 所示： 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。 每个扇区的块 0、块 块 2 为数据块，可用于存贮数据。 数据块可作两种应用： （ 1）用作一般的数据保存，可以进行读、写操作。 （ 2）用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作。 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 A5 FF 07 80 69 B1 B2 B3 B4 B5 密码 A（ 6 字节） 存取控制（ 4 字节） 密码 B（ 6 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（包括数据块和控制块）理工大学学士学位论文 7 的存取条件是由密码和存取控制共同决定的。 块 0 数据块 0 扇区 1 块 1 数据块 1 块 2 数据块 2 块 3 数据块 3 块 0 数据块 4 块 1 数据块 5 扇区 2 块 2 数据块 6 块 3 数据块 7 0 数据块 60 扇区 15 1 数据块 61 2 数据块 62 3 数据块 63 图 扇区结构图 Mifare 1卡的读写控制 每个扇区的尾块 （ 16 字节 ） 包含了该扇区的两个密码信息以及对本扇区中各块的读写权限信息，是扇区的控制块。 控制块使用两个密码，为用户提供多重控制方式。 例如，用户可以用一个密码控制对数据块的读操作，用另一个密码控制对数据块的写操作。 射 频识别系统分类 根据射频识别系统的不同特点，射频识别系统有多种分类方法，根据工作频率划分，有低频、中频、高频 ； 根据存储器是否可写，可分为只读型和可读写型 ； 根据读卡器和应答器谁先发送信息，可分为 TTF 型和 RTF 型 ； 另外根据应答器内是否内置电源可分为有源型和无源型。 按工作频率分类 低频射频识别的工作频率主要是 125kHz，中频为 ，而高频有 869MHz， 密码 A 存取控制 密码 B 密码 A 存取控制 密码 B 密码 A 存取控制 密码 B 理工大学学士学位论文 8 902928MHz， ， 等，允许的最大发射功率电平和频率分配因国家和地区的不同而有所不同。 其中 125kHz 系统主要应用在动物识别和商品流通等领域。 系统一般应用在公共交通和门禁系统等领域，其识别距离 一般为几厘米（ IS014443 标准 ） 到几十厘米 （ IS015693 标准 ） ，采用特殊制作的天线最大识别距离为 米左右。 在 UHF 频段 （ 869MHz 和 902928MHz ） ，系统的识别距离远，可从几米到几十米。 UHF 频段的自动识别系统主要应用在高速公路收费、集装箱识别和铁路车辆的识别、跟踪等业务中。 被动式系统 （ 无源标签 ） 一般可提供 1 米左右的识别距离，主动式系统 （ 有源标签 ） 可以达到十几米的 识别距离。 系统主要应用在交通领域，目前我国公路联网收费系统暂行标准也把此频段作为车辆识别的系统标准。 按读卡器和应答器谁先发送信息分类 RTF （ Reader Talks First，读卡器先发言 ） 和 TTF （ Tag Talks First，标签先发言 ）是两种读卡器抗冲突协议方式。 在一般状态下，电子标签处于 ―等待 ‖或称为 ―休眠 ‖的工作状态，当电子标签进入读卡器的作用范围时，检测到一定特征的射频信号，便从 ―休眠 ‖状态，转到 ―接收 ‖状态，接收读卡器发出的命令后，进行相应的处理，并将结果返回读卡 器。 这类只有接收到读卡器特殊命令才发送数据的电子标签被称为 RTF（ Reader Talk First，即读卡器先发言 ）方式 ； 与此相反，进入读卡器的能量场即主动发送自身 ID号的电子标签被称为 TTF（ Tag Talk First，即标签先发言 ） 方式。 TTF0 和 RTF 协议相比， TTF 方式的射频卡具有识别速度快点，适用于需要高速应用的场合 ； 另外，它在噪声环境中更稳健，在处理标签数量动态变化的场合也更为实用。 因此，更适于工业环境的跟踪和追踪应用。 按电子标签的供电方式分类 射频识别系统按电子标签的供电方式可分为有 源标签和无源标签两类。 无源标签所需工作能量需要从读卡器发出的射频波束中获取能量，经过整流、稳压后提供电子标签所需的工作电压。 与有源标签相比，具有成本低、不需要维护、使用寿命长等特点。 缺点是读卡器要发射更大的射频功率，识别距离相对较近等。 然而，目前的集成电路设计技术能使所需工作电压进一步降低至 1V 甚至 ，这使得无源射频识别系统可以达到 20 米以上的识别距离。 这在不同的无线电规则限制情况下，可以满足大部分实际应用系统的需要。 有源标签本身带有微型电池，由于不需要射频供电，其识别距离更远，读卡器需要的功率较小。 理工大学学士学位论文 9 射频识别系统中信号的 编码 与 调制 图 是一个典型的数字通信系统模型，与数字通信系统相类似，射频识别系统中阅读器和应答器之间的数据传输，需要三个主要的功能块 :按从阅读器到应答器的数据传输方向，它们是阅读器 （ 发送器 ） 中的信号编码 （ 信号处理 ） 和调制器 （ 载波信号处理电路 ） 、传输介质 （ 信道 ） 、以及应答器 （ 接收器 ） 中的解调器 （ 载波回路 ） 和信号译码（ 信号处理 ）。 信号编码系统的作用是使传输的信息和它的信号表示尽可能最佳的与传输通道的性能相匹配，也就是将发送的数据信息变换为适合于信道传输特性的频谱结构。 这样的处理对信息提供某种程度的保护，以防止信息受干扰或相碰撞，以及对某些信号特性的蓄意改变。 信 道噪 声信号处理载波回路载波回路信号处理发 送 器接 收 器信 号 源接 受 信 号 图 数字通信系统中的信号和数据流 调制是对信号源的编码信息进行处理，使其转变为适合传输的形式，一般是将基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的带通信号。 传输介质 （ 信道 ） 把信息传输过一段预定的距离，射频识别系统中采用的传输介质是磁场 （ 电感祸合 ） 或电磁波 （ 微波 ）。 解调是一种另外的调制过程，以再生基带信号。 解码的任务也就是从基带编码的接收信号中恢复的原来的信息，并识别和标识出传输错误。 基带编码 常用的编码有 NRZ（ 反相不归零制 ） 编码、曼彻斯特 （ Manchester） 编码、单极性归零制编码 （ Unipolar RZ） 、差动双相编码 （ DBP） 、米勒 （ Miller） 编码、差动编码。 理工大学学士学位论文。