e5561型加密射頻識(shí)別電路的原理及其應(yīng)用

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射頻識(shí)別（RFID）是無(wú)線電頻率識(shí)別的簡(jiǎn)稱，即通過(guò)無(wú)限電波進(jìn)行識(shí)別處理。射頻識(shí)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(shí)別數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)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(chǎng)范圍時(shí)，便可通過(guò)耦合無(wú)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(chǔ)的數(shù)據(jù)便可通過(guò)編碼、調(diào)制送往閱讀器以實(shí)現(xiàn)識(shí)別。

    Atmel公司生產(chǎn)的e5561型電路是一種加密的射頻識(shí)別器（IDIC），它適用于高保密的場(chǎng)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(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(chǔ)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(lái)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(chǔ)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(guò)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(chǎng)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(zhǎng)度的ID碼代（64位或128位）。

（2）編程模式：使用前要對(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(duì)e5561的識(shí)別后（通過(guò)讀取ID代碼），基站可對(duì)應(yīng)答器進(jìn)行鑒別（通過(guò)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(guò)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(guò)基站發(fā)送一序列命令來(lái)改變。

使用時(shí)，e5561可通過(guò)外接LC回路來(lái)接收讀/寫基站的RF信號(hào)，并經(jīng)過(guò)電路內(nèi)部的電源電路處理為電路提供電源。電路可通過(guò)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(chǎng)，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(shí)別以及密碼鑒別后，便可產(chǎn)生控制信號(hào)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(hào)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(chǎng)。信號(hào)傳輸通道是雙向的，通常由基站向應(yīng)答器傳輸?shù)男畔椤皩憽保捶较騽t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

表2 第9塊位的含義及設(shè)置

2 e5561的應(yīng)用

一個(gè)基本的射頻識(shí)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(hào)變?yōu)槲⒖刂破魉栊盘?hào)的信號(hào)處理電路。它屬于非編程電路，采用5V單電源供電，外圍電路比較簡(jiǎn)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(duì)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(lái)對(duì)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(chǔ)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(guò)U2270B對(duì)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(chǔ)器AT29C256型Flash EEPROM主要用于掉電后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。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(jiǎn)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(zhǎng)（最長(zhǎng)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(hào)和整流和發(fā)射，而對(duì)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(hào)。由于讀信號(hào)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(hào)時(shí)序，即在P1.1口先檢測(cè)同步信號(hào)，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(duì)收到的信號(hào)計(jì)時(shí)和判別。寫卡則是通過(guò)P1.0來(lái)對(duì)U2270B的載波允許/禁止端進(jìn)行控制，以定時(shí)控制載波有無(wú)，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