一、引言

    RFID（Radio Frequency Identification）即無線射頻識別系統(tǒng)達，也稱為無線IC 標簽、電子標簽、感應(yīng)式電子芯片、非接觸卡等，它是一種透過無線電波來到非接觸的資料獲取和存取的技術(shù)，即一種非接觸式的自動識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID 技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。自2004 年以來，與RFID 技術(shù)相關(guān)的文章在各個媒體上不斷涌現(xiàn)相關(guān)的報道讓這個歷史其實并不短的技術(shù)在短時間內(nèi)成為國際追逐的焦點。從全球巨型商業(yè)帝國沃爾瑪，到國際IT 巨頭IBM、HP、微軟等等，從美國國防部到中國國家標準委，全都在RFID魔棒的指揮下舞蹈起來。本文所論述的工作，主要是在基于Philips系統(tǒng)的RFID 讀卡器的軟件設(shè)計及其調(diào)試。具體來說，主要是在利用AT89S51 單片機控制Philips 的RFID 芯片，讀取射頻卡上的信息，并將其顯示在數(shù)碼管上。

    二、基本原理及相關(guān)理論

    1．RFID 標簽的組成

    （1）讀寫器：也是由天線、信號收發(fā)報機與譯碼器組成。RFID 標簽上的芯片被激活啟動后，就進行需要的讀出、寫入數(shù)據(jù)操作，讀寫器可把通過天線得到的標簽芯片中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過譯碼器進行譯碼，送往主計算機處理。
    （2）天線：標簽和讀寫器收發(fā)報機之間的管道，通過天線來控制系統(tǒng)信號的獲得與交換。天線的形狀和大小有多種多樣，例如可以裝在門框上，接收從該門通過的人或物品的相關(guān)數(shù)據(jù)；還可安裝在適當?shù)攸c監(jiān)控道路上的交通情況等。
    （3）標簽：其核心部分是發(fā)射機應(yīng)答器，能夠接收并發(fā)送信號，一般被做成低功率的集成電路，與外部的電磁波或電磁感應(yīng)相互作用，產(chǎn)生RFID 標簽工作時所需的功率并進行數(shù)據(jù)傳輸。RFID 標簽通常是由印刷層、芯片層與底層構(gòu)成。芯片層在印刷層與底層之間，是標簽的核心部分，芯片層不能承受印刷壓力，因此通常的做法是先印好印刷層，做好底層，再與芯片層復合。

    2．RFID 讀卡器工作原理

    RFID（射頻識別）系統(tǒng)由兩部分組成：讀/寫單元和電子收發(fā)器。讀寫器通過天線發(fā)出一定頻率的射頻信號，當射頻卡進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去。系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器，讀寫器對接收的信號進行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關(guān)處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。讀寫器的控制單元的功能包括：與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令；控制與射頻卡的通信過程（主—從原則）；信號的編解碼。對一些特殊的系統(tǒng)還有執(zhí)行防沖突算法，對射頻卡與讀寫器間要傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密，以及進行射頻卡和讀寫器間的身份驗證等附加功能。射頻識別系統(tǒng)的讀寫距離是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。目前，長距離射頻識別系統(tǒng)的價格還很貴，因此尋找提高其讀寫距離的方法很重要。影響射頻卡讀寫距離的因素包括天線工作頻率、讀寫器的射頻輸出功率、讀寫器的接收靈敏度、射頻卡的功耗、天線及諧振電路的Q 值、天線方向、讀寫器和射頻卡的耦合度，以及射頻卡本身獲得的能量及發(fā)送信息的能量等。大多數(shù)系統(tǒng)的讀取距離和寫入距離是不同的，寫入距離大約是讀取距離的40%～80%。系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

    三、讀卡器軟件部分設(shè)計

    本次設(shè)計的目的是設(shè)計一款應(yīng)用于13.56MHz 的射頻讀卡器，使其能非接觸地讀取IC 卡信息，使信息準確無誤地顯示在數(shù)碼管上，并保證一定的讀卡距離。

    編程平臺：Keil uVision2；程序燒錄軟件：AtmelMicrocontroller ISP Software

    1．對IC卡操作的流程如圖2 所示。

    （1）初始化：初始化就是對MF RC500 的32 個寄存器進行設(shè)置。MF RC500 在復位引腳RSTPD 腳由高變低的時候復位，延時的長度由系統(tǒng)晶振頻率決定， 本系統(tǒng)的晶振頻率是13.56MHz。初始化程序流程圖如圖3 所示。

    （2）發(fā)送請求：發(fā)送請求命令過程為ISO/IEC14443 TYPE A 通信協(xié)議中的REQA 命令。借助RC500 的TRANSCEIVE 命令將REQA 命令發(fā)送至IC 卡，并接收返回的數(shù)據(jù)。發(fā)送請求命令的作用就是搜尋有無IC 卡靠近，跟據(jù)返回得數(shù)據(jù)判斷有無需要與之通信的IC 卡。

    請求模式有Request all 和Request std 兩種。Request all 指令是非連續(xù)性的讀卡指令，只讀一次。但有個例外，當某一次Request all 指令讀卡片失敗時，例如，卡片沒能通過密碼認證或其它原因而出錯時，Request all 指令將連續(xù)地讀卡，直到讀卡成功才進入非連續(xù)性的讀卡模式。

{$page$}

    Request std 指令的使用和Request all 指令剛巧相反。Request std 指令是連續(xù)性的讀卡指令。當某一張卡片在天線的有效的工作范圍（距離）內(nèi)，Request std 指令在成功地讀取這一張卡片之后，進入對卡片的其它操作。如果其它操作完成之后，程序員又將程序進入Request std 指令操作，則Request std 指令將連續(xù)地再次進行讀卡操作，而不管這些片卡是否被拿卡。只要有一張卡片進入天線的有效的工作范圍內(nèi)，Request std 指令將始終連續(xù)地再次進行讀卡操作。對于Mifare One 卡，該函數(shù)反回值為0004H。發(fā)送請求程序流程圖如圖4 所示。

    （3）防沖突。防沖突原理：讀卡器發(fā)送SELECT 命令至IC 卡，所有IC 卡返回其完整的UID（唯一標示）。如果有多于一張卡發(fā)回請求應(yīng)答，則將產(chǎn)生沖突；此時讀卡器收到的應(yīng)答信息至少有一位既是0 又是1，即該位的前半部分和后半部分都有調(diào)制信號。此時，讀卡器識別出第一個發(fā)生沖突的位置，并保留沖突位之前的UID，然后再由讀卡器決定在沖突位添加1 個bit（0 或1），一般添加1，并將SEL 和有效位數(shù)據(jù)發(fā)送出去。只有當其UID 部分與讀卡器發(fā)送的有效數(shù)據(jù)相同時，才發(fā)出UID 的其余位，這樣就排除了沖突位為0 的IC 卡。其過程為ISO/IEC14443 TYPE A 協(xié)議中的ANTICOLLION 命令。MF RC500 將ANTICOLLION 命令發(fā)送給IC 卡后，將自動完成防沖突過程。此段程序執(zhí)行完畢后，讀卡器即可正確的接收到一張IC 卡的UID（唯一序列號）。防沖突程序流程圖如圖5 所示。

    （4）選擇卡：選擇卡的過程即為ISO/IEC14443 TYPE A 協(xié)議中的SELECT 命令。作用是選擇一張卡。其程序流程圖如圖5 所示。 

    （5）三重認證。三重認證原理：三重認證就是讀卡器對IC 卡的密碼認證。認證過程原理示意圖如圖7 所示。

    認證步驟：
    ①由IC 卡向讀卡器發(fā)送一個隨機數(shù)據(jù)RB。
    ②讀卡器收到RB 后，向IC 卡發(fā)送一個令牌數(shù)據(jù)TOKEN AB，其中包含了讀卡器發(fā)出的一個隨機數(shù)據(jù)RA。
    ③IC 卡收到TOKEN AB 后，對TOKEN AB 的加密部分進行解密，并校驗第一次由步驟①中IC 卡發(fā)出的隨機數(shù)RB 是否與步驟②中接收到的TOKEN AB 中的RB 相一致。
    ④如果步驟③中校驗結(jié)果正確，則IC 卡向讀卡器發(fā)送令牌TOKEN BA 給讀卡器。
    ⑤讀卡器收到令牌TOKEN BA 后，將對令牌TOKEN BA中的RB 進行解密；并校驗由步驟②中讀卡器發(fā)出的隨機數(shù)RA是否與步驟④中接收到的TOKEN BA 中的RA 相一致。如果上述的每一個步驟都能正確通過驗證。則整個認證過程將成功，讀寫器將能對剛通過認證的這一分區(qū)進行下一步的操作。反之，如果認證過程中的任何一個環(huán)節(jié)出錯，則整個認證過程終止，認證過程必須重新開始。MF RC500 認證程序步驟是固定的，即采用LoadKeyE2或LoadKey 命令將密鑰裝入密鑰緩沖區(qū)；采用Authent1 命令，結(jié)束時檢測錯誤標志以獲得該命令執(zhí)行的狀態(tài)，若所接收數(shù)據(jù)的最后一位為000B，表示由IC 卡讀入的該字節(jié)是正確的；啟動Authent2 命令，結(jié)束時檢測錯誤標志和CryptolOn標志位，若CryptolOn 標志位為1，說明認證成功；若為0則認證失敗。三重認證程序流程圖8 所示。

    （6）讀卡：在前面的工作完成之后，即可對IC 卡進行操作。一次讀回一個塊的16B 數(shù)據(jù)，只要不改變分區(qū)，則不必經(jīng)過三重認證環(huán)節(jié)即可再讀。讀卡程序流程圖如圖9 所示。 

    （7）寫卡：一次寫入IC 卡一個塊的16B 數(shù)據(jù)，只要不改變分區(qū)，則不必再經(jīng)過三重認證環(huán)節(jié)即可再寫。寫卡程序流程圖如圖10 所示。

    四、結(jié)束語

    RFID 的應(yīng)用范圍非常的廣泛，凡是我們?nèi)粘Ｉ钪械氖?、衣、住、行、育、樂所有牽涉到的物品，皆能使用RFID。本文基于Philips 系統(tǒng)進行RFID 讀卡器的設(shè)計，著重于整個軟件設(shè)計流程。

    參考文獻
    [1] 游戰(zhàn)清，李蘇劍.無線射頻識別技術(shù)（RFID）理論與應(yīng)用[J].北京：電子工業(yè)出版社，2004：101-103.
    [2] 曾雋芳.RFID 技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀分析及未來趨勢展望[J].金卡工程，2007，11（1）：55-59.
    [3] GINNY LU. 掀起的技術(shù)熱潮.A＆S：國際中文版，2007，（2）：64-65.
    [4] 李素彩.RFID 技術(shù)在物流領(lǐng)域的應(yīng)用——RFID 技術(shù)概述[J].物流技術(shù)與應(yīng)用，2006，11（12）：64-67.
    [5] 李成.RFID——實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化[J].汽車制造業(yè)，2007，（2）：39-41.
    [6] 孫劍，陳琪明.RFID 中間件在世界及中國的發(fā)展現(xiàn)狀[J].物流技術(shù)與應(yīng)用，2007，12，（2）：98-101.