13.56MHz讀寫(xiě)卡工作原理
我們?cè)谏钪谐３Ｓ龅剿⒖ㄟ@件事，比如上公交刷公交卡、上地鐵刷地鐵卡、出門(mén)在外住酒店時(shí)，也有一張小小的房卡用于刷卡開(kāi)門(mén)。那么這個(gè)刷卡的原理到底是怎樣的呢？這就要提到射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)了。
一、什么是射頻識(shí)別技術(shù)
射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)，是一種利用射頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的條形碼、磁卡等接觸式識(shí)別技術(shù)，射頻識(shí)別技術(shù)可實(shí)現(xiàn)非可視、多目標(biāo)識(shí)別，具有防水、防磁、壽命長(zhǎng)、容量大、無(wú)機(jī)械損耗、信息可加密、內(nèi)容可更改等優(yōu)點(diǎn)。如今RFID 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的日常生活，最常見(jiàn)的如公共交通、門(mén)禁管理、二代身份證、公共食品藥品衛(wèi)生管理等。如圖1所示都是我們平常經(jīng)?？吹降囊恍┓墙佑|式卡，這些都是RFID技術(shù)的運(yùn)用。
圖1 生活中常見(jiàn)的非接觸式卡
二、RFID讀寫(xiě)卡原理
RFID讀寫(xiě)卡工作頻率范圍為10~15MHz，通常工作選用的頻率為13.56MHz。讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽的工作次序通常有兩種時(shí)序：一種是讀寫(xiě)器先發(fā)言（RTF,Reader Talk First）：另一種是標(biāo)簽先發(fā)言（TTF，Tag Talk First）。RTF方式：電子標(biāo)簽只有接收到讀寫(xiě)器特殊命令才發(fā)送數(shù)據(jù)。TTF方式：電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的能量場(chǎng)主動(dòng)發(fā)送自身系列號(hào)。TTF方式的射頻標(biāo)簽具有識(shí)別速度快等特點(diǎn)，適用于需要高速應(yīng)用的場(chǎng)合。另外，TTF方式在噪聲環(huán)境中更穩(wěn)健，在處理標(biāo)簽數(shù)量動(dòng)態(tài)變化的場(chǎng)合也更為實(shí)用，因此，更適于工業(yè)環(huán)境的跟蹤和追蹤應(yīng)用。
RFID天線系統(tǒng)包括讀寫(xiě)器天線和標(biāo)簽天線，即一個(gè)讀寫(xiě)卡系統(tǒng)包含兩個(gè)部分：非接觸式射頻卡（PICC）和閱讀器（PCD），其中PICC也叫射頻存儲(chǔ)應(yīng)答器。他們之間交換數(shù)據(jù)是通過(guò)ISO/IEC 14443 TYPE A和TYPE B接口來(lái)進(jìn)行的。下面分別簡(jiǎn)述二者的工作原理。
三、非接觸式射頻卡工作原理
非接觸式射頻卡由時(shí)鐘提取、分頻鏈、序列電路、密勒碼產(chǎn)生器、整流器、調(diào)制器、電源管理、存儲(chǔ)器幾個(gè)部分組成，如圖2所示。
圖2 非接觸式射頻卡內(nèi)部電路框圖
電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器采用電感耦合方式進(jìn)行能量傳遞與通信。讀寫(xiě)器的天線線圈產(chǎn)生高頻強(qiáng)電磁場(chǎng)，磁場(chǎng)穿過(guò)線圈的橫截面和線圈周?chē)臻g，使得靠近讀寫(xiě)器天線線圈的標(biāo)簽天線在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。整流電路將耦合的射頻（13.56MHz）信號(hào)進(jìn)行整流并經(jīng)濾波電容C2平滑后，電源管理電路將在電源電壓達(dá)到內(nèi)部電路工作電壓時(shí)激活卡內(nèi)電路， 13.56MHz信號(hào)被分頻鏈電路分頻，可產(chǎn)生通訊所需的時(shí)鐘，此時(shí)鐘即是數(shù)據(jù)傳送的波特率。如果希望將分頻系數(shù)定為 128、256、1024、2048、4096或8192，則需預(yù)先選定。存儲(chǔ)在ROM中的信息（64位）經(jīng)讀出后，可通過(guò)Miller碼產(chǎn)生器產(chǎn)生Miller碼，同時(shí)可用該Miller碼進(jìn)行負(fù)載調(diào)制，并將存儲(chǔ)信息送出。
三、讀卡器工作原理
讀卡器由發(fā)送和接收兩個(gè)部分組成，下面分別簡(jiǎn)述這兩個(gè)部分的工作原理。
1.發(fā)送：射頻RF信號(hào)從PCD基站芯片的引腳TX1和TX2輸出，可以直接驅(qū)動(dòng)天線線圈。調(diào)制信號(hào)及TX1,TX2輸出的射頻信號(hào)類型（已調(diào)或無(wú)調(diào)制載波）相位關(guān)系均可由PCD基站芯片相應(yīng)的寄存器控制。
2.接收：通過(guò)天線接收來(lái)自非接觸式卡的調(diào)制載波信號(hào)，載波解調(diào)采用正交解調(diào)電路，正交解調(diào)所需的I和Q時(shí)鐘（兩者相差為90°）可在PCD基站芯片內(nèi)產(chǎn)生。解調(diào)后由所得副載波調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，濾波等相關(guān)電路，判決電路進(jìn)行副載波解調(diào)，其中放大電路的增益可由PCD基站芯片的相應(yīng)寄存器的設(shè)置來(lái)控制。
四、讀卡器與非接觸式卡之間的交互過(guò)程
PCD發(fā)送REQUEST命令給所有在天線場(chǎng)范圍內(nèi)的非接觸式卡，通過(guò)防碰撞循環(huán)，得到一個(gè)卡的序列號(hào)，選擇此卡進(jìn)行鑒別認(rèn)證，通過(guò)后對(duì)存儲(chǔ)卡進(jìn)行操作，如圖3所示。
圖3 PCD和PICC之間交互過(guò)程
PCD用隨機(jī)數(shù)、卡的序列號(hào)和密鑰進(jìn)行加密，采用三次認(rèn)證過(guò)程，如圖4所示。
圖4 PCD和PICC認(rèn)證過(guò)程
A.B發(fā)送隨機(jī)數(shù)RB.；
B.A發(fā)送TokenAB到B；
C.B接收到報(bào)文TokenAB后，對(duì)加密部分進(jìn)行解密，并驗(yàn)證標(biāo)識(shí)符B和隨機(jī)數(shù)RB的正確性，驗(yàn)證在A發(fā)送到B的RB與包含在TokenAB中的隨機(jī)數(shù)是否一致；
D.B發(fā)送TokenBA到A；
E.A接收到報(bào)文TokenBA后，對(duì)加密部分進(jìn)行解密，并檢查隨機(jī)數(shù)的一致性。
