e5561型加密射頻識別電路的原理及其應用

摘要：簡(jiǎn)要介紹Atmel公司的e5561型射頻識別電路的內部結構和工作原理，給出采用U2270B型讀/寫(xiě)基站集成電路和AT89C52型微控制器組成的射頻識別系統的設計方法。同時(shí)給出其讀/寫(xiě)基礎電路框圖和單片機系統的設計流程。 關(guān)鍵詞：加密;射頻識別;e5561 引言 射頻識別(RFID)是無(wú)線(xiàn)電頻率識別的簡(jiǎn)稱(chēng)，即通過(guò)無(wú)限電波進(jìn)行識別處理。射頻識別系統通常由讀卡器(閱讀器)和應答器(卡)二部分組成。其識別數據被存儲在應答器電路中。應答器是一種非接觸卡，該卡自身不帶電源，當卡進(jìn)行閱讀器的電磁場(chǎng)范圍時(shí)，便可通過(guò)耦合無(wú)線(xiàn)電波的能量并經(jīng)整流穩壓后獲得工作電源。這樣，在激活狀態(tài)下，卡上存儲的數據便可通過(guò)編碼、調制送往閱讀器以實(shí)現識別。

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(chǎng)合，其內部有加密運算單元。其主要性能如下： ●低功率、低電壓的CMOS IDIC; ●射頻(RF)范圍為100kHz150kHz，典型值為125kHz; ●內含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(xiě)保護功能; ●采用曼徹斯特和兩相兩種編碼方式。 1 內部結構和工作原理 正常使用時(shí)e5561只使用線(xiàn)圈1(coil1)和線(xiàn)圈2(coil2)及外接電感線(xiàn)圈和電容器，其余引腳均未使用。其內部結構框圖如圖1所示。芯片包括自適應部分、前置模塊端、調制器、解碼器、存儲器、加密電路等部分。

當基站與e5561的諧振頻率不匹配時(shí)，其自適應部分調整e5561的頻率使其與基站頻率匹配，調整范圍為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據通信。 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據，第1塊-第9塊為用戶(hù)數據區，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(hù)配置數據，否則，第9塊的相應位也可自由編程。 編程電壓由高壓電發(fā)生器提供(18V)。加密電路AUT64運算規則加密寫(xiě)入e5561的口令，運算結果可被基站讀出，將此結果與基站數據相比較，便可建立高安全的認證過(guò)程。 調制器由2個(gè)數據編碼器組成，基本的調制類(lèi)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制方式，并可使用二種長(cháng)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，基站送出的數據序列應被寫(xiě)入e5561的EEPROM存儲器。在編程期間，如果e5561監視器發(fā)現錯誤或保護被入侵，那么，系統將會(huì )回到ID模式。 (3)直接存儲模式：當基站發(fā)送一特殊數據序列給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每一塊的內容，二是重新設備e5561。在此期間，如果e5561監視器發(fā)現錯誤或保護被入侵，那么，系統將會(huì )回到ID模式。 (4)加密模式：此模式中，e5561使用AUT64運算規則(一種非線(xiàn)性的高安全的運算規則)。在基站完成對e5561的識別后(通過(guò)讀取ID代碼)，基站可對應答器進(jìn)行鑒別(通過(guò)發(fā)送一口令)，當收到此數據序列后，e5561進(jìn)入加密模式。如果e5561監視器發(fā)現錯誤或保護被入侵，系統也會(huì )回到ID 模式。

(5)停止模式：當二個(gè)或二個(gè)以上應答器同時(shí)使用時(shí)，為避免沖突，基站將發(fā)送一特殊數據序列以使處于主動(dòng)狀態(tài)的應答器進(jìn)入停止模式，之后通過(guò)加電復位或發(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(xiě)基站的RF信號，并經(jīng)過(guò)電路內部的電源電路處理為電路提供電源。電路可通過(guò)內部的阻尼負載將片內 EEPROM中的數據讀入讀/寫(xiě)基站，并以一個(gè)特殊的方式中斷RF場(chǎng)，以使讀/寫(xiě)基站可將數據寫(xiě)入片內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的動(dòng)作。其應答器電路如圖2所示。 應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)生給應答器供電的電磁場(chǎng)。信號傳輸通道是雙向的，通常由基站向應答器傳輸的信息為“寫(xiě)”，反方向則為“讀”用戶(hù)數據(包括用戶(hù)口令、ID碼、密碼等)。使用時(shí)，用戶(hù)可根據需要進(jìn)行編程。表1和表 2分別給出EEPROM第0塊(共32位)和第9塊的配置數據位。 表1 第0塊位的含義及設置 位代 號含 義 設 置 值 0 MOD 調制類(lèi)型 0：曼徹斯特;1：二相 1 BR 位率 0：RF/32;1：RF/64 2 BC 代碼長(cháng)度 0：128bit;1:64bit 3-4 T 終端 00：測試;1 0，0 1：終端;1 1：無(wú) 5 S 停止模式 0：關(guān);1：開(kāi) 6 A 自適應部分 0：自動(dòng);1：人工設置 7 AUT 次數 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(chǎng)商芯片代碼出廠(chǎng)設定表2 第9塊位的含義及設置 位代 號含 義設 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(xiāo);1：鎖定 3 PWD 口令允許 0：允許;1：不允許 4-31 　存放口令可編程設置 2 e5561的應用 一個(gè)基本的射頻識別系統通常由三個(gè)標準部件組成：應答器、讀/寫(xiě)基站和微控制器。由e5561組成的應答器電路如圖2所示，圖中給出電感線(xiàn)圈和電容器參數，該電路的RF工作頻率為125kHz。 2.1 讀/寫(xiě)基站 讀寫(xiě)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(xiě)基站專(zhuān)用電路，其內部含有一個(gè)由片上電源、振蕩器和線(xiàn)圈激勵器組成的、可為應答器供電的能量轉換電路和一個(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(jiǎn)單，只需配置讀寫(xiě)天線(xiàn)(L)、諧振電容器(C)、輸入電容器(CIN)等元件即可工作。在天線(xiàn)載波頻率為125kHz、比特率為RF/32的典型情況下，基站天線(xiàn)L的電感量為737μH。一般采用銅制漆包線(xiàn)繞制成直徑為3cm、匝數為100的線(xiàn)圈即可。 射頻載波允許/禁止端(CFE)和讀數據輸出端(OUTPUT)的對外接口，應分別與單片機的二條I/O口線(xiàn)P1.0和P1.1相連以用來(lái)對e5561卡進(jìn)行數據讀寫(xiě)。 2.2 單片機系統 本系統的單片機采用AT890C52機型，其內部有8KB的Flash EEPROM存儲系統程序，主要用于完成鍵盤(pán)掃描、顯示相關(guān)數據、通過(guò)U2270B對卡中數據進(jìn)行讀寫(xiě)處理，以及與上位管理主機進(jìn)行數據通訊等功能。擴展的數據存儲器AT29C256型Flash EEPROM主要用于掉電后的數據存儲。單片機與上位管理主機的通信選用RS-485總線(xiàn)標準，該標準具有接口簡(jiǎn)單(只需2條數據線(xiàn)和1條地線(xiàn))，驅動(dòng)能力大、通信距離長(cháng)(最長(cháng)112km)、抗干擾能力強等特點(diǎn)。由于一般微機串行口采用的都是RS-232接口，故需另配接RS-232/RS-485轉換器。讀/寫(xiě)基站電路如圖3所示。

圖4所示是本系統的單片機系統主程序框圖。本系統中，由于U2270B只能完成射頻調制信號和整流和發(fā)射，而對所選編碼方式以及讀數據流的解碼、寫(xiě)數據流的編碼等則需軟件實(shí)現。一般為使數據容易解碼，設計時(shí)都選用同步信號。由于讀信號的波形隨調制、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，然后根據所選的編碼方式進(jìn)行相應的解碼。方法是對收到的信號計時(shí)和判別。寫(xiě)卡則是通過(guò)P1.0來(lái)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(wú)，其各位的順序應注意與讀卡時(shí)時(shí)間，以防止數據字節或比特的混亂。