e5561型加密射頻識別電路的原理及其應(yīng)用

摘要：簡要介紹Atmel公司的e5561型射頻識別電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，給出采用U2270B型讀/寫基站集成電路和AT89C52型微控制器組成的射頻識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。同時(shí)給出其讀/寫基礎(chǔ)電路框圖和單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程。 關(guān)鍵詞：加密;射頻識別;e5561 引言 射頻識別(RFID)是無線電頻率識別的簡稱，即通過無限電波進(jìn)行識別處理。射頻識別系統(tǒng)通常由讀卡器(閱讀器)和應(yīng)答器(卡)二部分組成。其識別數(shù)據(jù)被存儲在應(yīng)答器電路中。應(yīng)答器是一種非接觸卡，該卡自身不帶電源，當(dāng)卡進(jìn)行閱讀器的電磁場范圍時(shí)，便可通過耦合無線電波的能量并經(jīng)整流穩(wěn)壓后獲得工作電源。這樣，在激活狀態(tài)下，卡上存儲的數(shù)據(jù)便可通過編碼、調(diào)制送往閱讀器以實(shí)現(xiàn)識別。

Atmel公司生產(chǎn)的e5561型電路是一種加密的射頻識別器(IDIC)，它適用于高保密的場合，其內(nèi)部有加密運(yùn)算單元。其主要性能如下： ●低功率、低電壓的CMOS IDIC; ●射頻(RF)范圍為100kHz150kHz，典型值為125kHz; ●內(nèi)含320bitEEPROM(分10塊); ●位率為RF/32，RF/64; ●加密鑒別時(shí)間小于10ms; ●帶有可編程讀/寫保護(hù)功能; ●采用曼徹斯特和兩相兩種編碼方式。 1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理 正常使用時(shí)e5561只使用線圈1(coil1)和線圈2(coil2)及外接電感線圈和電容器，其余引腳均未使用。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。芯片包括自適應(yīng)部分、前置模塊端、調(diào)制器、解碼器、存儲器、加密電路等部分。

當(dāng)基站與e5561的諧振頻率不匹配時(shí)，其自適應(yīng)部分調(diào)整e5561的頻率使其與基站頻率匹配，調(diào)整范圍為5%。前置模擬端(AFE)可用來產(chǎn)生電路所需的電源，同時(shí)可處理與基站的雙向數(shù)據(jù)通信。 芯片中的存儲器由320位EEPROM組成，分為10塊，每塊32位;第0位用于保存基本的配置數(shù)據(jù)，第1塊-第9塊為用戶數(shù)據(jù)區(qū)，可自由編程，其中第 1-4塊為ID代碼，第5-8塊為密匙，在口令模式下，第9塊的4-31位用于存放口令，0-3位用于存放用戶配置數(shù)據(jù)，否則，第9塊的相應(yīng)位也可自由編程。 編程電壓由高壓電發(fā)生器提供(18V)。加密電路AUT64運(yùn)算規(guī)則加密寫入e5561的口令，運(yùn)算結(jié)果可被基站讀出，將此結(jié)果與基站數(shù)據(jù)相比較，便可建立高安全的認(rèn)證過程。 調(diào)制器由2個(gè)數(shù)據(jù)編碼器組成，基本的調(diào)制類型有曼徹斯特和兩相編碼方式。 e5561可工作在以下工作模式： (1)ID模式：在RF場中，e5561向基站循環(huán)發(fā)送ID碼。ID模式允許使用二種不同的位率和調(diào)制方式，并可使用二種長度的ID碼代(64位或128 位)。 (2)編程模式：使用前要對e5561進(jìn)行編程。EEPROM會(huì)被分成10塊，每塊被分別編程，基站送出的數(shù)據(jù)序列應(yīng)被寫入e5561的EEPROM存儲器。在編程期間，如果e5561監(jiān)視器發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或保護(hù)被入侵，那么，系統(tǒng)將會(huì)回到ID模式。 (3)直接存儲模式：當(dāng)基站發(fā)送一特殊數(shù)據(jù)序列給e5561時(shí)，e5561就會(huì)進(jìn)入直接存儲模式。這種模式有二種功能：一是基站讀取EEPROM每一塊的內(nèi)容，二是重新設(shè)備e5561。在此期間，如果e5561監(jiān)視器發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或保護(hù)被入侵，那么，系統(tǒng)將會(huì)回到ID模式。 (4)加密模式：此模式中，e5561使用AUT64運(yùn)算規(guī)則(一種非線性的高安全的運(yùn)算規(guī)則)。在基站完成對e5561的識別后(通過讀取ID代碼)，基站可對應(yīng)答器進(jìn)行鑒別(通過發(fā)送一口令)，當(dāng)收到此數(shù)據(jù)序列后，e5561進(jìn)入加密模式。如果e5561監(jiān)視器發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或保護(hù)被入侵，系統(tǒng)也會(huì)回到ID 模式。

(5)停止模式：當(dāng)二個(gè)或二個(gè)以上應(yīng)答器同時(shí)使用時(shí)，為避免沖突，基站將發(fā)送一特殊數(shù)據(jù)序列以使處于主動(dòng)狀態(tài)的應(yīng)答器進(jìn)入停止模式，之后通過加電復(fù)位或發(fā)出重啟命令，使e5561再進(jìn)入ID模式。 各模式之間的轉(zhuǎn)換可通過基站發(fā)送一序列命令來改變。 使用時(shí)，e5561可通過外接LC回路來接收讀/寫基站的RF信號，并經(jīng)過電路內(nèi)部的電源電路處理為電路提供電源。電路可通過內(nèi)部的阻尼負(fù)載將片內(nèi) EEPROM中的數(shù)據(jù)讀入讀/寫基站，并以一個(gè)特殊的方式中斷RF場，以使讀/寫基站可將數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)EEPROM中。 基站在完成口令和ID碼識別以及密碼鑒別后，便可產(chǎn)生控制信號以控制系統(tǒng)的動(dòng)作。其應(yīng)答器電路如圖2所示。 應(yīng)答器與基站的通信有二個(gè)傳輸通道：一是能量傳輸通道，另一個(gè)是信號傳輸通道。能量傳輸通道是單向的，可由基站產(chǎn)生給應(yīng)答器供電的電磁場。信號傳輸通道是雙向的，通常由基站向應(yīng)答器傳輸?shù)男畔?ldquo;寫”，反方向則為“讀”用戶數(shù)據(jù)(包括用戶口令、ID碼、密碼等)。使用時(shí)，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行編程。表1和表 2分別給出EEPROM第0塊(共32位)和第9塊的配置數(shù)據(jù)位。 表1 第0塊位的含義及設(shè)置 位代 號含 義 設(shè) 置 值 0 MOD 調(diào)制類型 0：曼徹斯特;1：二相 1 BR 位率 0：RF/32;1：RF/64 2 BC 代碼長度 0：128bit;1:64bit 3-4 T 終端 00：測試;1 0，0 1：終端;1 1：無 5 S 停止模式 0：關(guān);1：開 6 A 自適應(yīng)部分 0：自動(dòng);1：人工設(shè)置 7 AUT 次數(shù) 0：8次;1：24次 8 L_0 第0塊鎖定 0：解鎖;1：鎖定 9-11 Adapt bit 固定 1;1;1 12-31 SID 廠商芯片代碼出廠設(shè)定表2 第9塊位的含義及設(shè)置 位代 號含 義設(shè) 置 值 0 L_ID 第1-4塊鎖定 0：解鎖;1：鎖定 1 L_K 第5-8塊鎖定 0：解鎖;1：鎖定 2 L_9 第9塊鎖定 0：解銷;1：鎖定 3 PWD 口令允許 0：允許;1：不允許 4-31 　存放口令可編程設(shè)置 2 e5561的應(yīng)用 一個(gè)基本的射頻識別系統(tǒng)通常由三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部件組成：應(yīng)答器、讀/寫基站和微控制器。由e5561組成的應(yīng)答器電路如圖2所示，圖中給出電感線圈和電容器參數(shù)，該電路的RF工作頻率為125kHz。 2.1 讀/寫基站 讀寫基站主要由U2270B型配套電路組成。U2270B是Atmel公司生產(chǎn)的IDIC讀/寫基站專用電路，其內(nèi)部含有一個(gè)由片上電源、振蕩器和線圈激勵(lì)器組成的、可為應(yīng)答器供電的能量轉(zhuǎn)換電路和一個(gè)能將微小輸入信號變?yōu)槲⒖刂破魉栊盘柕男盘柼幚黼娐?。它屬于非編程電路，采?V單電源供電，外圍電路比較簡單，只需配置讀寫天線(L)、諧振電容器(C)、輸入電容器(CIN)等元件即可工作。在天線載波頻率為125kHz、比特率為RF/32的典型情況下，基站天線L的電感量為737μH。一般采用銅制漆包線繞制成直徑為3cm、匝數(shù)為100的線圈即可。 射頻載波允許/禁止端(CFE)和讀數(shù)據(jù)輸出端(OUTPUT)的對外接口，應(yīng)分別與單片機(jī)的二條I/O口線P1.0和P1.1相連以用來對e5561卡進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。 2.2 單片機(jī)系統(tǒng) 本系統(tǒng)的單片機(jī)采用AT890C52機(jī)型，其內(nèi)部有8KB的Flash EEPROM存儲系統(tǒng)程序，主要用于完成鍵盤掃描、顯示相關(guān)數(shù)據(jù)、通過U2270B對卡中數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫處理，以及與上位管理主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊等功能。擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器AT29C256型Flash EEPROM主要用于掉電后的數(shù)據(jù)存儲。單片機(jī)與上位管理主機(jī)的通信選用RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)具有接口簡單(只需2條數(shù)據(jù)線和1條地線)，驅(qū)動(dòng)能力大、通信距離長(最長112km)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。由于一般微機(jī)串行口采用的都是RS-232接口，故需另配接RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器。讀/寫基站電路如圖3所示。

圖4所示是本系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)主程序框圖。本系統(tǒng)中，由于U2270B只能完成射頻調(diào)制信號和整流和發(fā)射，而對所選編碼方式以及讀數(shù)據(jù)流的解碼、寫數(shù)據(jù)流的編碼等則需軟件實(shí)現(xiàn)。一般為使數(shù)據(jù)容易解碼，設(shè)計(jì)時(shí)都選用同步信號。由于讀信號的波形隨調(diào)制、編碼方式的不同而不同，因此，讀卡程序選用模擬信號時(shí)序，即在P1.1口先檢測同步信號，然后根據(jù)所選的編碼方式進(jìn)行相應(yīng)的解碼。方法是對收到的信號計(jì)時(shí)和判別。寫卡則是通過P1.0來對U2270B的載波允許 /禁止端進(jìn)行控制，以定時(shí)控制載波有無，其各位的順序應(yīng)注意與讀卡時(shí)時(shí)間，以防止數(shù)據(jù)字節(jié)或比特的混亂。