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e5561型加密射頻識別電路的原理及其應(yīng)用

文章出處:http://m.botanicstilllife.com 作者:www.21cn.com   人氣: 發(fā)表時間:2011年09月18日

[文章內(nèi)容簡介]: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)計方法。同時給出其讀/寫基礎(chǔ)電路框圖和單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計流程。

 

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,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100kHz~150kHz,典型值為125kHz;

●內(nèi)含320bitEEPROM(分10塊);

●位率為RF/32,RF/64;

●加密鑒別時間小于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,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運算規(guī)則加密寫入e5561的口令,運算結(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)錯誤或保護(hù)被入侵,那么,系統(tǒng)將會回到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,e5561就會進(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)錯誤或保護(hù)被入侵,那么,系統(tǒng)將會回到ID模式。

(4)加密模式:此模式中,e5561使用AUT64運算規(guī)則(一種非線性的高安全的運算規(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)錯誤或保護(hù)被入侵,系統(tǒng)也會回到ID模式。

    (5)停止模式:當(dāng)二個或二個以上應(yīng)答器同時使用時,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,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傳輸通道:一是能量傳輸通道,另一個是信號傳輸通道。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椤皩憽?,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,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

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;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

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

一個基本的射頻識別系統(tǒng)通常由三個標(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)部含有一個由片上電源、振蕩器和線圈激勵器組成的、可為應(yīng)答器供電的能量轉(zhuǎn)換電路和一個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)動能力大、通信距離長(最長112km)、抗干擾能力強等特點。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現(xiàn)。一般為使數(shù)據(jù)容易解碼,設(shè)計時都選用同步信號。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時和判別。寫卡則是通過P1.0來對U2270B的載波允許/禁止端進(jìn)行控制,以定時控制載波有無,其各位的順序應(yīng)注意與讀卡時時間,以防止數(shù)據(jù)字節(jié)或比特的混亂

本文關(guān)鍵詞:e5561,射頻識別,加密
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