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基于ISO14443 TYPE B协议的实用型射频卡读写器设计


总第44卷第493期 2007年第1期
Electl5cal

电测与仪表 Measurement&Instrumentation

V01.44 No.493 Jan.2007

基于IS014443 TYPE B协议的实用型 射频卡读写器设计冰
刘磊安,赖声礼,赵党锋,朱海龙,谭嘉恒
(华南理工大学电子与信息学院,广州510640)

摘要:介绍了基于ISO/IECl4443

TYPE

B协议的13.56MHz的RFID阅读器的设计。给

出了设计的硬件电路和防冲撞算法的软件实现,最后给出了示波器测试的实验结果。本 文所用的阅读器芯片为瑞士斗EM公司生产的模拟前端集成电路芯片EM4094,微控制 器使用了ARM7芯片LPC2104,防冲撞算法使用传统的基于ALOHA的算法。

关键词:RnD;射频卡;阅读器;ISO/IEC
中图分类号:TP274+.2

14443 TYPE B

文献标识码:B

文章编号:1001—1390(2007)01—0037—04

A practical design of



RF reader conformed to ISO 14443
V- 一

type B protocol
LIU Lei-an,LAI Sheng-li,ZHAO Dang-feng,ZHU Hai-long,TAN Jia-heng

(School

of Electronic and Information Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 5 1

0640,China)

Abstract:The design of



13.56 MHz RFID

reader

conformed

to

ISO/IEC

14443 Type B

protocol is introduced.The hardware circuit,the anti-collision algorithm and some experi— mental results
are

presented.The chip used to

design

the reader is EM4094,which

is



highly versatile product of EM Microelectronic Corporation.The microchip
as

LPC2104

is used

the

microcontroller.The

anti-collision algorithm used in this paper is the aloha——like al-

gorithm. Key words:RFID;RF card;RF

reader;ISO/IEC

14443 TYPE B

0引



了TYPE A、TYPE B两种类型协议,它们的不同主要

目前,工作在13.56MHz的射频卡应用比较广泛,

在于载波的调制深度及位的编码方式【n。TYPE A采用 开关键控(On—Off keying)的Manchester编码,rIYPE B 采用NRZ—L的BPSK编码。TYPE B与’rYPE A相比. 具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力列强的 优点。根据二者的设计方案不同.可看出,TYPE B较

该卡符合的国际标准有ISO/IEC 10536、ISO/IEC 14443以及ISO/IEC 15693等三种。这三种标准是根
据卡和阅读器之间有效的工作距离的不同来分的。

ISO/IEC 10536标准是针对卡和阅读器之间的通讯距 离在10cm以下的情况:ISO/IEC 14443标准是针对卡 和阅读器之间的通讯距离在10cm左右的情况:iso/
IEC

TYPE

A主要有以下优势:

(1)芯片具有更高的安全性。接收信号时,不会 因能量损失而使芯片内部逻辑及软件工作停止; (2)支持更高的通讯速率。TYPE A最大的数据

15693标准是针对卡和阅读器之间的通讯距离在

10cm以上的情况。目前使用的绝大多数射频卡符合

ISO/IEC 14443标准.所以对符合该标准的阅读器的 研究有很大的现实意义。ISO/IEC 14443标准中定义
+广东省科技攻关资助项目(2003C40406)

通讯速率为150—200kbit/s。应用10%ASK技术的

TYPE

B至少可支持400kbit/s的速率;
一37—

(3)外围电路设计简单。阅读器到卡及卡到阅读

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器的编码方式均采用NRZ方案,电路设计对称,设计 时可使用简单的串口: (4)抗干扰能力强。副载波采用BPSK调制技术, 较TYPE A方案降低了6dB的信号噪声;

的电平信号为高并且同时在DIN引脚出现一个上升 沿跳变,EM4094被复位。复位之后,在每一个DCLK 引脚电平的上升沿,DIN引脚上的信号被写入到 EM4094的内部寄存器中。当DCLK引脚/电平出现31

目前的第二代电子身份证采用的标准就是ISO/
IEC 14443 TYPE

个变化之后,EM4094的配置完成。醚/EM4094成功
之后,如果DCLK引脚电平再次发生变化,EM4094将 进入正常工作模式。在正常工作模式下,如果DIN引 脚电平为高,EM4094工作在ASK模式,并产生低的 电磁场;而如果EM4094工作在OOK模式,将不产生 电磁场。在正常工作模式下,DCLK引脚电平应该设为 低电平。 EM4094的外围电路如图2所示。

B协议。正是由于以上的原因,本文

设计了基于瑞士“EM公司生产的EM4094芯片的
ISO 14443 TYPE

B型阅读器。ISO/IEC 14443标准

中,卡用PICC(Proximity Card)来表示,阅读器用PCD
(Proximity Coupling Device)来表示。

1硬件结构 传统的RFID系统由RFID阅读器、标签(卡)和 数据处理系统三部分构成圜,见图1。
数据

耻垂耀
豢c≥
图1

巴辫。匿圈
RFID系统构架

在本设计中,使用的射频卡是Atmel公司生产
Crypto

RF卡。该卡是第一种在我国获得大量推广使
TYPE

图2

EM4094外围电路

用的符合IS014443

B标准的卡。用来设计阅读

器的芯片是EM4094t31,EM4094是瑞士仙EM公司开 发的一体化高集成读卡器芯片,它的功能多样,适用 于13.56MHz的RFID阅读器系统,该系统的副载波

2系统防冲撞过程 在RFID系统中,如果有多个标签同时处在阅读 器的询问区域之内,它们的返回信号将在阅读器处发 生冲突。为了避免冲突的发生,必须设定相应的算法。 本文将结合TYPE B型卡的工作过程来解释系统的防 冲撞过程。TYPE B型卡的工作过程如下[41。

频率为212~848kHz。兼容了ISO/IEC 14443和ISO/
IEC

15693协议标准。其协议标准可以通过使用一个

3线的串口界面来编程31个配置位而完成。发送器可 以发射200mW的输出电压到50Q的负载上面,并具 有OOK和ASK调制的能力。它可以应用于两种情 况:低成本阅读器解决方案和手持式阅读器。LPC2104 作为微控制器来控制EM4094芯片并且处理PCD接 收和发送的数据。EM4094通过五个引脚和LPCZi04 相连接,分别是EN,DIN,DCLK,DOUT和DOUTl。对 于LPC2104来说,EN引脚设为输出引脚。当EN引脚 电平信号为高电平时,EM4094芯片被驱动,处于工作 状态。DIN、DCLK也被设定为输出引脚。其中DIN引 脚被用作数据输出引脚,而DCLK引脚被用作时钟输 出引脚。DOUT和DOUT设为输入引脚,分别用来数 据和时钟的输入。 微控制器控制EM4094的配置位的电平,从而达 到配置EM4094的目的。配置过程为:当DCLK引脚
一38一

图3

TYPE

B型卡工作过程

图3中,SN是Slot—MARKER命令所分配的时隙

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电测与仪表

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号。为了解决系统中的冲突问题,本文使用了以下几 个命令:

QB将没有ATQB信号返回。每次PCD重复发送 REQB命令时,其中的参数N的值将以2的指数倍增 加。但是最大的N的值为16。 通过图4.我们可以更清楚的了解本文中的防冲 撞算法的原理。图4中,有三张PICC处在PCD的询 问区域之内。第一个REQB命令之后(此时,参数N的 值为1),所有的PICC都返回ATQB信号给PCD。收 到该信号之后,PCD知道发生了冲突,不止一张PICC 处在自己的询问区域之内。PCD发送第二个REQB命 令,此时其中的参数N的值为4。三张PICC内部产生 不同的随机数:R=I,R=2和R=4。R=I的PICC立即发 送ATQB信号给PCD。而R=2和R=4的PICC分别在 Slot—MARKER2命令和Slot—MARKER4命令之后发 送ATQB信号给PCD。

(1)REQB/WUPB命令。这两个命令是PCD用来
检测场中符合IS014443
TYPE

B标准的PICC。WUPB

命令和REQB命令不同的是,该命令主要是用来唤醒

处于HLT状态的PICC。时隙N是REQB/WUPB命令
中的一个参数,它的大小由具体的应用来决定。该命 令中还包含了AFI应用类标识符等参数。 (2)Slot—MARKER命令。PCD发送REQB/WUPB 命令之后,如果有冲突的发生,则PCD必须在每一个 时隙开始发送Slot—MARKER命令。该命令对处于指 令中所包含的时隙N的卡片进行查询。

(3)ATQB命令。该命令是对REQB/wuPB命令
或者Slot—MARKER命令的响应。该命令中包括了 PICC四个字节的伪标识码PUPI,PUPI可以用来区分 不同的卡片,每个卡片的PUPI是唯一的。 (4)ATI'RIB命令。如果PCD只检测到一张 PICC,那么PCD将发送ATrRIB命令。该命令用来给 一张PICC分配一个独立的CID(Card Identifier)。 (5)HLTB命令。该命令用来使一张PICC进入 HALT状态,从而停止对REQB命令的响应。只对 WUPB命令响应。
TYPE

I:x2D一.』丑一一囤一』丑圈一匾一一
N=1 N=4

PlC'C1一一一卫丑j墨一一一圈一一一一一一一 纠c∞一一一圈一』兰一一一一一一一一一囤一
PICC3一一一圃一』王回一一一一一一一一一一
图4防冲撞过程实例 在我们的设计中,为了对阅读器接收到的信号进 行解码和解决冲突等问题,定义使用了以下几个函 数: (1)void transmit(uint8 Command)。PCD使用该函 数来发送命令,例如REQB,Slot—MARKER,ATrRIB 命令等。

B型卡工作过程:开始时,多张PICC处在

掉电状态。PCD发送REQB命令或者WUPB命令,命

令中的参数N的值为l。当PICC收到PCD的REQB/ wuPB命令之后,比较自己的AFI和REQB/WUPB命 令中的AFI。如果自己的AFI和REQB/wuPB命令中
的AFI相符合,那么将发送ATQB信号给PCD。如果 多张PICC同时返回ATQB信号给PCD,这些信号之 间将发生冲突。PCD可以检测这种冲突。检测到冲突 之后,PCD再次发送REQB命令,其中的参数N此时 不再为1,而是等于2,4,8或者16。PICC收到该命令 之后.内部产生一个随机数R。R的值在I~N的范围 内等概率分布。如果有一张PICC内部电路所产生的 R的值为l,那么它将立即发送ATQB给PCD。收到该 ATQB信号之后,PCD发送ATI'RIB命令,分配一个 CID给该PICC,该PICC被PCD所识别。如果PICC内 部电路所产生的R的值不等于1,将处于等待状态。 此时,如果PCD发送Slot—MARKER命令,该命令中 包含的时隙号和某一张PICC内部电路产生的R的值 相等,该PICC将发送A’rQB给PCD。收到该ATQB信 号之后.PCD发送ATFRIB命令,分配一个CID给该 PICC.该PICC也被PCD所识别。该过程不断重复.直 到所有的PICC都被PCD所识别,此时PCD发送RE— 号。

(2)void—irq IRQ_Time0(void)。该函数是用来
使用LPC2104的Time0中断来捕获PICC的返回信

(3)void Decode(unit8 data)。该函数对PICC返回 信号做解码。 (4)Void ComputeCrc(int
CRCTYPE,BYTE术Da—

ta,int Len殍h,BYTE*TransmitFirst,BYTE半Transmit-

Second)。该函数用来计算CRC。CRC校验是用来判断 PICC或者PCD发出的数据到达对方时是否发生改 变。 (5)void Time0Init(void)。该函数是用来初始化 LPC2104的Time0。 (6)void UARTo-Init(void)。该函数是用来初始化
LPC2104的UAR7r0。

(7)void UART0_SendByte(uint8 data)。该函数是 用来把经LPC2104解码的数据发送给PC,从而清楚 地检测该数据是否正确。
一39—

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Measurement&Instrumentati011

3实验结果与分析 通过示波器观测的实验结果如图5~8所示。因为 该RFID系统中命令的相似性,仅仅给出了REQB和 ATQB命令的示波器观察波形。 图5给出了LPC2104发出的REQB命令信号波 形(上)以及经过天线调制的信号波形(下)。图5中的 前面的31位数据是EM4094的配置位,这些位不通 过天线发射。

图7

ATQBl信号的扩展

图5调制的/没有调制的REQB信号 图6给出了当PCD询问范围内只有一个标签 时,经过EM4094解调过的PICC返回信号ATQBl (下)以及阅读器的询问信号REQBl(上)。
图8

ATOB2信号

4开发体会 使用高度集成芯片EM4094,操作简单,可以通过 使用一个3线的串口界面来编程31个配置位而完成 对其的配置。

ARM7芯片肿C2104非常小的尺寸和极低的功
耗,常适合于那些将小型化作为主要要求的应用。它 带有宽范围的串行通信接口片内多达64K字节的 SRAM,由于具有大的缓冲区规模和强大的处理能力。 特别是该芯片的两个定时器具有上升沿和下跳沿的 捕获能力,可以方便地对阅读器接收到的信号进行解
图6

REQBI/ATQBl信号

码。 该阅读器设计的难点在于防冲突算法的实现、阅 读器和卡之间的双向认证以及对卡加密算法的实现。 5结束语 本文主要介绍了符合IS014443
7IYPE

图7所示的信号波形是图6中的ATQBl信号的 扩展,目的是为了更清楚地观察该信号。 图8所示为当PCD询问范围内有多张PICC时 (本实验中,使用了两张PICC),PICC的返回信号 ATQB2的波形。 比较图7和图8的波形可以清楚地看到.除去帧 头部分。两个波形在前端和后端都有明显的区别,说 明在这两个部分发生了冲突。这两个不同的部分是分 别是两张PICC的PUPI字节数据和CRC数据。除去 这两个部分,两张PICC返回的波形的其它部分一致。
一40一

B的RFID

阅读器的设计。该读写器的工作距离在lOcm以内。该 读写器操作方便,通过我们自己设计的串口通讯界面 或者其它串口通讯软件,根据IS014443
rIYPE

B协议

规定向它发送命令,就可以完成读写卡的用户区和配 置区、修改卡的密码、完成卡和阅读器之间的双向认 (下转第24页)

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2007年第1期 Eiectrical

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真正的dA值,然后下载到装置的非易失RAM中,有 功校正即完毕。
2.5

等级可达到O.3级。 表1校正点电脉冲数选取参照表

电能计量校正注意事项 由于SPI接口速度是有限的,CPU的工作速度也

是有限的.CPU只能以一定的时间间隔或频率读取有 功计数器的值并进行处理,送出电脉冲信号。由于 CPU读取处理的滞后性.虽然不会造成电能累计的丢 失,但将造成不能及时送出电脉冲。在用校验台进行 校验时,校验台无法及时收到应产生的电脉冲信号, 在装置计量准确的情况下,会测得误差超限,以至于 无法对装置进行校验.这是由于电脉冲产生的方法和 测量方法不匹配造成的。解决的办法是:在校验时,校 验台要保证电脉冲的计量个数要至少应达到某个值。 因为在一定的负载条件下,无论取多少个电脉冲数, 这种校验方法所能带来的最大绝对误差都是因为在 最后一个采样周期内所能测到的计数器增量值没能 及时处理的结果。随着电脉冲个数的增加。这个绝对 误差所造成的相对误差就会逐渐减小。在一定的采样 周期和一定的负载条件下,为了保证校验精度,校验 台所需最小电脉冲计量个数计算如下: 假设装置的采样周期为20ms,装置的准确度等 级要求为1.0级,这时应使校验方法本身所带来的附 加误差控制在±0.1%以内,以负载为20A为例: 20A、1000ms时对应320x 1000个计数器值 那么20A、20ms时对应6400个计数器值 设m为所需计量电脉冲个数。一个电脉冲对应的 计数器值已在前面计算得到,其值为78261,为了使校 验方法误差小于±0.1%,应使下式成立
,0.1 78261m’100 6400

懿撩
3结束语 性好,适合特定的应用场合。



本文介绍的多用户、多功能电能计量监控装置成 本低、可靠性高、精度高、校正快捷、强弱电隔离安全 SA9903B未提供电流有效值功能;芯片本身没有 内部校正功能,因此没有电脉冲输出功能,只能由控 制其工作的CPU对其数据进行处理,进行校正计算 后,由CPU送出电脉冲,软件任务重,对算法效率要求 较高。其总体功能略显不足。但是SA9903B上电即工 作,不需由CPU对其进行校正数据和其它功能初始化 设定,其SPI接1:3的输入功能只用于写被读入的寄存 器地址。这样即使因较大干扰发生复位情形时,只要 干扰消失、电压正常,即进入正常的工作状态,从这一 点上说.SA9903B要比那些功能多、但需要进行复杂 初始化设定的多功能计量芯片的可靠性要高。 参考文 献

[11 SA9903B DataSheet[Z].http://www.Sfnles.co.∞. 【2】Evaluation Board Instruction for the SA9903B Energy
Metering

re[z].http://www.ssrues.co.z8.
Development
Environ?

[31

C51 User’S Guide from Keil C Integrated

ment阁.
作者简介: 赵文斌(1963一),男,工学硕士,高级工程师,主要研究方向为自动控制、 电子仪器、计算机应用软件开发。 林连冬(1978一),男,哈尔滨工程大学信息与通信学院在读研究生,主要 研究方向为电子设计自动化、电子仪器。 收稿日期:2006—10—18

m>6400x100x10/78261=82(个)
据此,当装置的采样周期为20ms时,可得到装置 在各个校正测试点所需的最少校正电脉冲数,见表1。 遵循这种原则,对样机进行型式试验时,准确度 (上接第40页) 证、对卡加密等操作。从实验结果部分可以看出,该阅 读器工作完好,不但可以完成对一张卡的读写,还可 以完成同时对多张卡的读写。在我们设计中,最多同 时可以读取5张卡。 参
考 文 献

(刘家新编发)

业出版社.2001. 【3】EM
Microeleetronie,Analog Front End Integrated Circuit for

13.56MHz RFID Base

Station[S].2003

【4】4 ISOhEC 1“43—3,Identification Cards-Contactless Integrated Circuit (S)cards-Proxlmity cards-Part3:Initialization and anti-collision[S],2000. 作者简介: 刘磊安(1979一),男,华南理工大学在读博士,从事射频识别系统关键技 术与嵌入式技术研究。 收稿时问:2006—11—22

[11 ISO/IEC 14443—2.Identification Cards-Contaedess Integrated Circuit (s)cards-Proximity cards-Part2:Radio frequency face[S],1999. [2】Klaus Finkenzeller著,陈大才编译.射频识别(RFID)技术【M】.电子工
一24一
power

and signal

inter—

(丘



编发)

万   方数据

基于ISO14443 TYPE B协议的实用型射频卡读写器设计
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 刘磊安, 赖声礼, 赵党锋, 朱海龙, 谭嘉恒, LIU Lei-an, LAI Sheng-li, ZHAO Dang-feng, ZHU Hai-long, TAN Jia-heng 华南理工大学,电子与信息学院,广州,510640 电测与仪表 ELECTRICAL MEASUREMENT & INSTRUMENTATION 2007,44(1) 1次

参考文献(4条) 1.ISO/IEC 14443-2.Identification Cards-Contactless Integrated Circuit (s) cards-Proximity cardsPart2:Radio frequency power and signal interface 1999 2.Klaus Finkenzeller.陈大才 射频识别(RFID)技术 2001 3.EM Microelectronic,Analog Front End Integrated Circuit for 13.56MHz RFID Base Station 2003 4.ISO/IEC 14443-3.Identification Cards-Contactless Integrated Circuit (s) cards-Proximity cardsPart3:Initialization and anti-collision 2000

引证文献(1条) 1.徐新萍.赵鹏.王晓民.高亚兵.彭瑞云.王德文 基于RFID技术的多模态生物特征识别系统设计[期刊论文]-中国体 视学与图像分析 2008(3)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dcyyb200701010.aspx


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