使用32位MCU解決RFID智能標簽/智能卡系統設計難題

無(wú)線(xiàn)射頻識別 (RFID) 將成為第一種與條碼技術(shù)并存并最終將在低成本識別和個(gè)人數據存儲領(lǐng)域取代條碼技術(shù)的新興技術(shù)。 與條碼技術(shù)相比，它具有多種優(yōu)勢，包括： 1.) 可以存儲更多數據，2.) 可以在標簽中集成一定智能，3.) 可以在一定距離外掃描，以及 4.) 可以減少人為干預。 所有這一切皆因MCU 的使用而成為可能。 　　EPC 技術(shù)對智能標簽的影響 　　在消費層的部署中，下一代標簽系統必須發(fā)展一種新的復雜級別，以應對新應用和全球互操作性所帶來(lái)的復雜性。 　　就像統一產(chǎn)品編碼 (UPC) 是條碼技術(shù)的基本標識一樣，一個(gè)名為 EPCglobal 的企業(yè)聯(lián)盟也為 RFID 創(chuàng )建了電子產(chǎn)品編碼 (EPC)。 EPC 代碼為 64 位或 96 位長(cháng)。它將作為聯(lián)網(wǎng)數據庫中的一個(gè)查找項，數據庫中的數據必須能夠實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)。 　　在某些時(shí)候，標簽必須與位于公司內聯(lián)網(wǎng)之外的主機系統進(jìn)行通信。 公司可以與其合作伙伴協(xié)作，提供 EPC 信息服務(wù) (EPCIS)。 這將需要更多的標準化、互操作性和安全性。

　　圖 1： 標簽應用貫穿從入庫到零售的整個(gè)過(guò)程 　　32 位 MCU 適于復雜RFID系統 　　由于它們經(jīng)濟有效，32 位 MCU 非常適合用于復雜 RFID 自動(dòng) ID 系統。 正如前面指出的那樣，大部分重新設計工作將是對閱讀器進(jìn)行的。 　　圖 2 顯示了一個(gè)基本閱讀器的框圖。

　　圖 2： 使用 MCU 和閱讀器 IC 的 RFID 閱讀器 　　MCU 可以使用幾種流行串行接口中的任一種接口與較大的 EPCIS 數據庫通信，這些接口包括 UART 和 USB 串行通道。 閱讀器和標簽之間的通信由 MCU 負責。 　　系統依賴(lài)于存儲在 EEPROM 中的數據，并具有幾個(gè)基本特性：　　%26;#183; 每個(gè)標簽有一個(gè)唯一的串行編號，存儲在 EEPROM 塊 1 和 2 中?！　?26;#183; 兩個(gè)特殊功能控制代碼：電子商品防竊 (EAS) 和安靜模式，用于解決安全和開(kāi)/關(guān)操作(存儲在塊 3 中)?！　?26;#183; 每個(gè)標簽擁有一個(gè) 8 位系列碼和一個(gè) 8 位應用標識號(均存儲在塊 4 中)。 這兩個(gè)代碼對標簽并不是唯一的?！　?26;#183; 余下的存儲器用于用戶(hù)數據?！　?26;#183; 定義了 256 個(gè)時(shí)隙，標簽在其中的一個(gè)時(shí)隙中進(jìn)行廣播 　　如果一個(gè)閱讀器尋找某個(gè)特定標簽或一組標簽，它可以使用系列碼和應用標識號標準詢(xún)問(wèn)位于其操作范圍內的所有標簽。 　　閱讀器需要對標簽進(jìn)行一系列詢(xún)問(wèn)操作。 這種交互操作通常是對標簽中用戶(hù)數據的讀操作，但也有可能發(fā)生后續的寫(xiě)操作。 　　整個(gè)過(guò)程大體如下： 　　%26;#183; 重復詢(xún)問(wèn)標簽的操作，直到不再檢測到數據逋唬閱讀器已了解附近范烏的所有標簽為止?BR>　　%26;#183; 當符合所需系列和應用代碼的標簽被找到時(shí)，閱讀器將通過(guò)整個(gè)排序過(guò)程為它們分配時(shí)隙?！　?26;#183; 不符合該系列/應用代碼標準的標簽被指示停止廣播其串行編號?！　?26;#183; 為了使排序過(guò)程進(jìn)行得盡可能快，采用了優(yōu)化算法。 優(yōu)化是根據對完成該過(guò)程所需命令的平均數的仿真進(jìn)行的。 使用一個(gè) 32 位 MCU 可以最好地完成這些算法的快速執行。 　　所有這些合起來(lái)，對 MCU 構成嚴重負荷。 標簽需要具有更高的性能。 使用 32 位 MCU 和大容量片上閃存，就可以實(shí)現本地數據庫信息存儲，而不必與主機進(jìn)行無(wú)休止的通信。 　　智能卡閱讀器數據加密和解密結構 　　加密可通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現，也可以通過(guò)硬件和軟件的組件來(lái)實(shí)現。 純軟件加密的主要優(yōu)點(diǎn)就是便宜。 另一方面，基于硬件/軟件的安全措施會(huì )更安全，性能也會(huì )有相當多的提升。 　　除了 8 位和 16 位系統處理軟件加密時(shí)的性能弱勢以外，對于內存受限的設計來(lái)說(shuō)，軟件使用的代碼也常常會(huì )顯得太多，并且幾乎總是存在后門(mén)，從而造成安全風(fēng)險。 當系統設計者沒(méi)有其他選擇，只能通過(guò)增加外部存儲器來(lái)容納剩余代碼時(shí)，安全風(fēng)險就會(huì )進(jìn)一步增加。 32 位 MCU 提供了足夠的片上內存資源(512 K 字節閃存)，而后續產(chǎn)品還將隨著(zhù)時(shí)間流逝而不斷擴展。 　　設計團隊經(jīng)常想當然地以為硬件加密會(huì )造成令人無(wú)法接受的 BOM 成本和 IP 成本增加。 盡管 DES 和 Triple DES 等算法不受版權限制，不需要交納牌照費，但能夠改善其效率的那些實(shí)現方法卻是受專(zhuān)利保護的。 　　好消息是當使用帶有安全內核和豐富 IP 庫的 32 位 MCU 時(shí)，設計者實(shí)際上可從兩個(gè)領(lǐng)域均受益。 一方面，32 位 MCU 擁有通過(guò)軟件來(lái)執行加密算法所需的全部處理能力。 另一方面，具有優(yōu)化加密引擎的安全內核可以提供所需的所有硬件安全性。 受專(zhuān)利保護的實(shí)現算法則是作為 MCU 的 IP 庫的一部分。 　　軟件可配置性對閱讀器/標簽系統來(lái)說(shuō)特別重要。 例如，很快將進(jìn)入市場(chǎng)的支持 EPCIS 的下一代智能標簽系統，將能夠在使用中改變其加密算法。 　　對于以前的智能標簽系統，系統智能的大部分將保留在閱讀器模塊中。 當閱讀器采用基于安全 ARM 內核和適當 IP 的 32 位 MCU 標準元件來(lái)提供支持時(shí)，實(shí)現基于硬件的安全造成的額外成本將非常小。 　　使用 32 位元件如飛利浦的 LPC2000 系列元件的另一個(gè)優(yōu)勢是它們能夠提供額外的內存容量。 通過(guò)在閱讀器的 MCU 中嵌入足夠內存，可以消除通常在 8 位和 16 位設計中見(jiàn)到的 MCU 與內存之間的外部總線(xiàn)。 沒(méi)有了這種總線(xiàn)，也就避免了一種安全威脅，因為從此黑客們將無(wú)法再監測閱讀器的內存總線(xiàn)。

　　圖 3： AES 加密和解密結構 　　32 位 MCU在未來(lái)應用中更具優(yōu)勢 　　在下一代智能標簽和非接觸式智能卡應用中，32 位 MCU 具有明顯優(yōu)勢。 例如，它們能夠進(jìn)行更多智能標簽的識別和排序處理，可以使用更多內存，而不必像 8 位 MCU 那樣采用內存換頁(yè) (memory banking) 技術(shù)來(lái)實(shí)現。 　　當加密成為 RFID 閱讀器/標簽系統特性列表的一部分時(shí)，優(yōu)勢就更加明顯。 例如，DES 和 Triple DES 需要使用 32 位乘法器，而在基于 ARM7TDMI-S 的 MCU 如飛利浦半導體公司的 LPC213x 系列 MCU 上，乘法器早已內置其中。 　　軟件執行加密算法具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如可以在使用中更改加密密_等。 但軟件執行需要使用大量嵌入式內存，而 32 位 MCU 可以提供這些內存。 使用內存映射 I/O 的能力使系統設計變得更加容易，32 位 MCU 上的 I/O 選項一般包括多種高位速率接口。 　　LPC213x 和 LPC214x 系列擁有豐富的外圍通信接口，包括用于板外通信的 UART 和 USB 串行通道，以及用于板上通信的 SPI 和 I2C 總線(xiàn)。 　　過(guò)去，32 位 MCU 的不足之處在于成本較高。 然而，自從飛利浦半導體公司等廠(chǎng)商引入基于標準 ARM 的 MCU 之后，價(jià)格已經(jīng)下降。 采用前沿半導體工藝進(jìn)行大批量生產(chǎn)縮小了管芯尺寸，降低了 32 位標準規格 MCU 的價(jià)格。 當然，32 位 MCU 的成本仍然比最便宜的 8 位 MCU 要高，但系統設計者現在還是采用了可以提供他們所需性能的 32 位 MCU，并且能夠符合整個(gè)系統的材料預算。 　　RFID 和自動(dòng)識別技術(shù)與安全性和保密性問(wèn)題的融合，勢必將促進(jìn) 32 位 MCU 在智能標簽和非接觸式智能卡市場(chǎng)的發(fā)展。 　　近期之內，我們將看到它們融入支付、庫存和銷(xiāo)售點(diǎn)系統中;而不久我們就會(huì )看到增強的技術(shù)或非接觸式智能卡大量進(jìn)入電子護照等敏感領(lǐng)域。