射频识别和传感器技术实验指导书.docx

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射频识别和传感器技术实验指导书

《射频识别与传感器技术》实验指导书

实验一125KHzRFID实验

1、实验项目：

125KHzRFID实验

2、目的与意义

熟悉CVT-RFIDMCU-

实验箱的硬件结构和原理，掌握实验箱配套控制软件的使用。

了解RFID的基本工作原理，了解典型的密耦合系统，了解125KHzRFID系统应答器芯片和阅读器芯片。

掌握125KHz只读卡、读写卡操作的基本原理。

通过相关信号的测量加深对信号调制与解调、125KHzRFID技术只读卡、读写卡相关协议标准的理解。

3、实验环境（设备与仪器）

CVT-RFIDMCU实验箱一台，PC机一台，双踪示波器一台，PC机操作系统WindowsXP，RFID综合实验平台环境

4、背景知识

1）实验箱系统硬件原理简介

整个系统主要由以下几部分组成：

（1）主处理器

采用ATMEL的高性能AVR单片机，主要处理RFID标签的读写操作、ZIGBEE模块的数据传输、键盘和显示电路的处理，以及和上位机的通信。

系统有标准JTAG接口和ISP下载接口，方便程序的调试和下载。

（2）CPLD

采用ALTERA的MAX系列CPLD，完成系统和上位机通信串口的切换工作，另外还挂接了键盘的行信号ROW0～ROW3。

（3）125KHzRFID

采用瑞士EMMICROELECTRONIC的低频RFID处理芯片，完成对125KHz标签的自动寻卡、读写操作等。

（4）ISO14443RFID

采用PHILIPS的高频RFID处理芯片，工作频率为13.56MHz，完成对ISO14443标签的寻卡、防冲突、选择卡、密码下载和校验、修改密码和读写操作等。

（5）ISO15693RFID

采用模拟分立元件的设计方法，使RFID读写器的内部结构更加清晰，工作频率为13.56MHz，可以完成对ISO15693标签的寻卡、防冲突、选择卡、密码下载和校验、修改密码和读写操作等。

（6）900MHzRFID

采用模块化的接口设计，增强超高频RFID的抗干扰性。

完成对900MHz标签的寻卡、读写操作等。

（7）ZIGBEE无线通信部分

采用TI的无线通信单片机，系统有2个ZIGBEE模块，可以实现相互之间数据的无线透传。

（8）键盘和显示部分

键盘采用4×4矩阵键盘，其中列信号线COL0～COL3连接到主处理器上，考虑到主处理器IO口不够，所以行信号线ROW0～ROW3挂接在CPLD上；显示屏采用128×64的点阵屏，所以口线均连接到主处理器上。

图1-1系统硬件原理框图

2）125KHzRFID硬件原理

采用低频RFID的CMOS集成收发器电路基站芯片，有以下功能和特点:

1100到150kHz载波频率范围。

2利用载波驱动天线，集成的锁相环系统，以实现用自适应载波频率来匹配天线谐振频率。

3用于可读写应答器的AM调制磁场。

对从天线传输来的应答器的调制信号进行AM解调。

4和微处理器通过串行接口通讯。

5无需外部晶振。

6睡眠模式电流低至1μA。

具体工作原理是：

通过外部线圈及内部集成的电容一起组成谐振电路，从连续的125KHZ磁场中获取能量启动。

芯片从内部的EEPROM中读出数据，并通过和线圈并联的负载的开断产生深幅调制，将数据发送出去。

通过对125KHZ磁场的100%幅度调制，可以执行各种命令和更新EEPROM中的数据。

图1-2125KHzRFID硬件原理框图

3）125KHz测量点

图1-3125KHz测量点

J22：

GND测量点，信号公共地。

J23：

RDY_CLK测量点，射频芯片返回给处理器的同步时钟信号测量点。

J24：

MOD测量点，处理器发送的调制信号测量点。

J25：

DEMOD_OUT测量点，射频芯片返回给处理器的数据输出信号测量点。

4）125KHz通信协议简介

这里介绍ISO18000-2标准协议，ISO/IEC18000-2定义了125～134.2KHz的空中接口通信协议参数，规定了时序参数、信号特性、标签与读写器之间通信的物理层架构、协议和指令，以及多标签读取时的防碰撞方法。

1、调制

标签和读写器之间采用ASK调制方式，调制深度为100%，如图1-4所示：

图1-4125KHzASK调制波形

图1-4中的时间参数如表1-1所示：

表1-1调制时间参数

注：

Tac=1/fac≈8us

2、读写器到标签

（1）数据编码

读写器到标签的数据编码包括：

数据‘0’、数据‘1’、‘codeviolation’和‘stopcondition’，如图1-5所示：

图1-5读写器到标签的数据编码

图1-5中的时间参数如表1-2所示：

表1-2数据编码时间参数

注：

Tac=1/fac≈8us

（2）SOF

读写器到标签的SOF起同步作用，由一个数据‘0’和一个‘codeviolation’组成，如图1-6所示：

图1-6读写器到标签的SOF

（3）EOF

EOF由‘stopcondition’组成，如图1-7所示：

图1-7读写器到标签的EOF

3、标签到读写器

（1）数据编码

标签到读写器的数据编码有两种速率：

4kbit/s和2kbit/s，其中4kbit/s速率用在InternationalStandardcommand，2kbit/s速率用在Inventorycommand。

如图1-8所示：

图1-8标签到读写器的数据编码

（2）SOF

标签到读写器的SOF由3bits位数据‘110’组成，如图1-9所示：

图1-9标签到读写器的SOF

（3）EOF

标签到读写器的EOF在ISO18000-2标准协议里没有定义。

5）125KHzID卡简介

实验中用到的125KHzID卡分只读卡和可读可写卡两种，下面是对这两种卡的简单介绍：

1、只读卡

主要特征：

●64位EEPROM

●多种编码（Manchester，Bi-phase，miller，PSK，FSK）

●多种速率

●工作频率范围（100-150KHz）

●工作温度范围（-40到+85℃）

存储器结构：

64位的EEPROM由5个部分组成，其中9位用作数据头（全1），数据头后紧接着10组4位的数据，每4位数据跟着1位奇偶校验位，最后一行由4位奇偶校验位和1位停止位（停止位规定为0）组成，详细结构如表1-3所示：

表1-3125KHz只读ID卡存储器组成结构

1

1

1

1

1

1

1

1

1

9headerbits

8versionbitsorcustomerID

D00

D01

D02

D03

P0

10lineparitybits（P0-P9）

D10

D11

D12

D13

P1

32databits

D20

D21

D22

D23

P2

D30

D31

D32

D33

P3

D40

D41

D42

D43

P4

D50

D51

D52

D53

P5

D60

D61

D62

D63

P6

D70

D71

D72

D73

P7

D80

D81

D82

D83

P8

D90

D91

D92

D93

P9

4columnparitybits

PC0

PC1

PC2

PC3

S0

1stopbitsettologic0

2、可读可写卡

主要特征：

●16个32位的数据块组成512位EEPROM

●32位密码读写保护

●32位唯一的ID码

●10位客户码

●锁定位可以将EEPROM的数据块变成只读模式

●多种编码（Manchester，Bi-phase，miller，PSK，FSK）

●多种速率

●工作频率范围（100-150KHz）

●工作温度范围（-40到+85℃）

存储器结构：

512位的EEPROM由16个32位的数据块组成，EEPROM的块被编号成0到15，每块的位被编号为位0到位31。

访问总是从LSB开始的。

这32bit的EEPROM字段，是以一个字段的写命令编程的。

开始的两个块是被芯片制造商规划安排的只读块（块0和块1）。

它们被分别写入有该芯片的类型、版本，客户码和唯一序列号（UID），再往下的3个块（块2到块4），用来定义器件的操作选项，分别为密码字段、保护字段和配置字段。

块5到块15是用户可以自由使用的空间。

详细结构如表1-4所示：

表1-4125KHz可读写ID卡存储器组成结构

地址编号

描述

类型

B0………………B31

0

芯片类型/谐振电容/用户代码

只读

Ct0……………Ct31

1

序列号UID

只读

Uid0……………Uid31

2

密码

只写

Ps0……………Ps31

3

保护字段

OTP

Pr0……………Pr31

4

配置字段

读写

Co0……………C031

5

用户空间

读写

Us0……………Us31

6

用户空间

读写

Us0……………Us31

7

用户空间

读写

Us0……………Us31

8

用户空间

读写

Us0……………Us31

9

用户空间

读写

Us0……………Us31

10

用户空间

读写

Us0……………Us31

11

用户空间

读写

Us0……………Us31

12

用户空间

读写

Us0……………Us31

13

用户空间

读写

Us0……………Us31

14

用户空间

读写

Us0……………Us31

15

用户空间

读写

Us0……………Us31

注：

OTP表示该字段可以一次性编程写入数据，写入后的数据不能再更改。

块0存放卡片信息及通用码等，该块为只读块。

块1存放卡片的身份识别码（UID），该块为只读块。

块2存放卡片密码，该块为只写块，为了保护卡片密码，该块在本平台中不开放写权限。

块3存放卡片保护字，用于控制卡片每块的读写权限，该块每一位都是一次性写入，写入后不可修改，为保证卡片正常使用，在本平台中不开放该块的写权限。

块4存放卡片配置字，用于配置卡片每块的加密情况，该块可读可写，为保证卡片正常使用，在本平台中不开放该块的写权限。

块5-块15为用户数据区，可读可写。

6）控制软件界面

软件界面分布如图1-10。

图1-10软件界面图

注：

①菜单栏②串口连接设置③实验操作区域④操作提示区域⑤协议显示列表⑥系统提示

通讯协议格式如图1-11：

Byte0

Byte1

Byte2

Byte3

Byte4-Byte4+n

Byte4+n+1-Byte4+n+2

0x43

0xBC

帧长度

模块类型

命令

CRC-16校验

图1-11通讯协议格式

Byte0：

帧头1，‘C’的ASCII码

Byte1：

帧头2，Byte0的反码

Byte2：

Byte0到Byte4+n+2的总字节数

Byte3：

表示命令操作针对的模块

0x00：

表示设置实验类型

0x01：

表示125K

0x02：

表示13.56M-14443

0x03：

表示13.56M-15693

0x04：

表示900M

0x05：

表示Zigbee1

0x06：

表示Zigbee2

Byte4+n+1-Byte4+n+2：

Byte0到Byte4+n的16位CRC数据校验，高位在前，低位在后

CRC多项式：

8408，初始值：

FFFF

5、实验内容与过程

（一）125KHz硬件基本实验

1）125KHz时钟信号测量实验

1、测试线连接

连接示波器：

使用CH1探头，地接到J22测试架，CH1探针接到J23测试架

设置示波器：

触发源选择CH，其余设置可以参照示波器使用说明书。

2、操作

打开控制软件，系统默认实验模式即为LF125KHz模式，打开串口，启动只读自动识别标签。

3、观测信号，如图1-12所示：

图1-12解调电子标签返回的时钟信号图

2）125KHzMOD信号测量实验

1、测试线连接

连接示波器：

使用CH1探头、CH2探头，地都接到J22测试架，CH1探针接到J23测试架，CH2接到J24测试架。

设置示波器：

触发源选择CH，其余设置可以参照示波器使用说明书。

2、操作

打开控制软件，系统默认实验模式即为LF125KHz模式，打开串口，选择读写卡操作的读数据。

3、观测信号，如图1-13所示：

图1-13射频调制信号图

3）125KHz调制解调信号测量实验

1、测试线连接

连接示波器：

使用CH1探头、CH2探头，地都接到J22测试架，CH1探针接到J24测试架，CH2接到J25测试架。

设置示波器：

触发源选择CH，其余设置可以参照示波器使用说明书。

2、操作

打开控制软件，系统默认实验模式即为LF125KHz模式，打开串口，选择读写卡操作的读数据。

3、观测信号，如图1-14所示：

图1-14射频调制解调信号图

（二）125KHzID只读卡读取实验

1、将串口连接到实验箱COM1上，实验箱通电。

2、打开RFID综合实验平台软件。

3、选择菜单栏中的通讯，点击设置，弹出设置实验类型对话框。

图1-15实验类型设置

4、串口设置，如果直接使用PC机串口1，选择COM1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后打开串口。

5、实验设置，选择实验类型为125k，点击设置。

6、选择LF125K标签，连接串口线到实验箱串口1，如果直接使用PC机串口1，选择COM1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后打开串口。

7、点击只读卡操作中的自动寻卡按钮，程序会不停的向125kHz模块发送寻卡命令。

将125K只读卡放到125K天线附近，当125kHz模块读到有只读卡时，只读卡操作面板上会出现卡号显示，若没有识别到只读卡，则显示全0。

8、观察读到的卡号。

如图1-16所示：

图1-16125K只读卡实验

从图1-16可以看出，读取到这张ID卡的信息如下：

CustomerCode：

3F

DataItem：

00BF598D

BitRate：

RF/64

Encoder:

Manchester

9、关闭自动寻卡。

（三）125KHzID可读写卡实验

1、将串口连接到实验箱COM1上，实验箱通电。

2、打开RFID综合实验平台软件。

3、选择菜单栏中的通讯，点击设置，弹出设置实验类型对话框。

4、串口设置，如果直接使用PC机串口1，选择COM1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后打开串口。

5、实验设置，选择实验类型为125k，点击设置。

6、选择LF125K标签，连接串口线到实验箱串口1，如果直接使用PC机串口1，选择COM1，如果使用USB转串口或其他方式，请选择相应串口，然后打开串口。

7、将125K可读写卡放到125K天线附近，在选择地址下拉菜单中选择一个地址，点击可读写卡操作中的读数据按钮，观察读到的卡号。

如图1-17所示。

图1-17125K可读写卡读数据实验

从图1-17可以看出，这张ID卡的地址5的数据为：

00000000，可以选择不同的地址，然后读取数据。

8、仍然选择地址5，在数据栏里把‘00000000’改成‘12345678’，点击写数据按钮，提示栏里会提示写入数据完成，这时再点击读数据按钮，查看地址5的数据写入是否成功。

如图1-18所示。

图1-18125K可读写卡写数据实验

从图1-18可以看出，地址5的数据写入完成后，数据由‘00000000’改成‘12345678’，这表示对ID卡的写入数据时成功的。

地址5到地址15是可读可写区，可以选择这些地址，进行写数据实验。

6、综合思考与练习

（1）根据该实验箱给出的硬件原理图，找出125KHzRFID技术中使用的应答器和读写器核心芯片型号，查找资料，进一步了解它们的引脚分布，分析其工作原理。

（2）分析125KHzRFID技术中的数据编码及调制解调技术。

（3）分析125KHzRFID技术对应的相关协议标准，总结一下本实验体现出了哪些部分。

实验二13.56MHzISO/IEC14443实验

1、实验项目：

13.56MHzISO/IEC14443实验

2、目的与意义

理解典型的近耦合系统，熟悉CVT-RFIDMCU-II实验箱基本操作，熟悉CVT-RFIDMCU-II综合实验平台，理解Mifareone卡操作基本原理，了解Mifareone卡通信协议。

了解13.56MHzISO/IEC14443RFID系统应答器芯片和阅读器芯片。

进一步加强对13.56MHzISO/IEC14443协议标准的理解。

理解ISO/IEC14443标签防碰撞的原理和协议。

3、实验环境（设备与仪器）

CVT-RFIDMCU实验箱一台，PC机一台，双踪示波器一台，PC机操作系统WindowsXP，RFID综合实验平台环境

4、背景知识

1）ISO14443硬件原理

采用高频RFID的CMOS集成收发器电路基站芯片，该读卡IC利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。

支持ISO14443A的多层应用。

内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线（可达100mm）。

接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于ISO14443A兼容的应答器信号。

数字部分处理ISO14443A帧和错误检测（奇偶＆CRC）。

此外，它还支持快速CRYPTO1加密算法，用于验证MIFARE系列产品。

方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，这样给读卡器/终端的设计提供了极大的灵活性。

有以下功能和特点:

高集成度的调制解调电路；

缓冲输出驱动器使用最少数目的外部元件连接到天线；

最大工作距离100mm；

支持ISO14443TypeA协议的-1～-4部分和Mifare经典协议；

采用Crypto1加密算法并含有安全的非易失性内部密匙存储器；

并行微处理器接口带有内部地址锁存和中断请求线；

自动检测微处理器并行接口类型；

灵活的中断处理；

64字节发送和接收FIFO缓冲区；

带低功耗的硬件复位；

可编程定时器；

唯一的序列号；

用户可编程初始化配置；

面向位和字节的帧结构；

支持防碰撞操作；

数字、模拟和发送器部分经独立的引脚分别供电；

内部振荡器缓存器连接13.56MHz石英晶体；

在短距离应用中，发送器（天线驱动）可以用3.3V供电。

图2-1ISO14443硬件原理功能框图

2）ISO14443通信协议简介

ISO/IEC14443规定了邻近卡（PICC）的物理特性；需要供给能量的场的性质与特征，以及邻近耦合设备（PCDs）和邻近卡（PICCs）之间的双向通信；卡（PICCs）进入邻近耦合设备（PCDs）时的轮寻，通信初始化阶段的字符格式，帧结构，时序信息；非接触的半双功的块传输协议并定义了激活和停止协议的步骤。

传输协议同时适用于TYPEA和TYPEB。

　　TYPEA和TYPEB型卡片主要的区别在于载波调制深度及二进制数的编码方式和防冲突机制。

　　1、调制解调与编码解码技术

　　根据信号发送和接收方式的不同，ISO/IEC14443-3定义了TYPEA、TYPEB两种卡型。

它们的不同主要在于载波的调制深度及二进制数的编码方式。

从PCD向PICC传送信号时，二者是通过13.56Mhz的射频载波传送信号。

从PICC向PCD传送信号时，二者均通过调制载波传送信号，副载波频率皆为847KHz。

图2-2TypeA、B接口的通信信号

　　TypeA型卡在读写机上向卡传送信号时，是通过13.65MHz的射频载波传送信号。

其采用方案为同步、改进的Miller编码方式，通过100%ASK传送；当卡向读写机具传送信号时，通过调制载波传送信号。

使用847kHz的副载波传送Manchester编码。

简单说，当表示信息"1"时，信号会有0.3微妙的间隙，当表示信息"0"时，信号可能有间隙也可能没有，与前后的信息有关。

这种方式的优点是信息区别明显，受干扰的机会少，反应速度快，不容易误操作；缺点是在需要持续不断的提高能量到非接触卡时，能量有可能会出现波动。

　　TypeB型卡在读写机具向卡传送信号时，也是通过13.65MHz的射频载波信号，但采用的是异步、NRZ编码方式，通过用10%ASK传送的方案；在卡向读写机具传送信号时，则是采用的BPSK编码进行调制。

即信息"1"和信息"0"的区别在于信息"1"的信号幅度大，即信号强，信息"0"的信号幅度小，即信号弱。

这种方式的优点是持续不断的信号传递，不会出现能量波动的情况；

从PCD到PICC的通信信号接口主要区别在信号调制方面，TYPEA调制使用RF工作场的ASK100%调制原理来产生一个"暂停（pause）"状态来进行PCD和PICC间的通信。

图2-3TypeA调制波形

TYPEB调制使用RF工作场的ASK10%调幅来进行PCD和PICC间的通信。

调制指数最小应为8%，最大应为14%。

图2-4TypeB调制波形

根据二者的设计方案不同，可看出，TYPEA和TYPEB有以下不同：

　　●TYPEB接收信号时，不会因能量损失而使芯片内部逻辑及软件工作停止。

在NPAUSE到来，TYPEA的芯片得不到时钟，而TYPEB用10％ASK，卡片可以从读写器获得持续的能量；TYPEB时容易稳压，所以比较安全可靠。

TYPEA卡采用100％调制方式，在调制发生时候无能量传输，仅仅靠卡片内部电容维持，所以卡片的通讯必须达到一定的速率，在电容电量耗完之前结束本次调制，否则卡片会复位。

　　●负载波采用BPSK调制技术，TYPEB较TYPEA方案降低了6dB的信号燥声，抗干扰能力更强。

　　●外围电路设计简单。

读写机具到卡及卡到读写机具的编码方式均采用NRZ方案，电路设计对称，设计时可使用简单的UARTS，TYPEB更容易实现。

　　2、防冲突机制

　　ISO/IEC14443-3规定了TYPEA，TYPEB的防冲突机制。

二者防冲突机制的原理完全不同。

前者是基于BIT冲突检测协议，后者则是通过字节、帧及命令完成防冲突。

　　RFID的核心是防冲突技术，这也是和接触式IC卡的主要区别。

　　TYPEAPICC防冲突和通信使用标准帧用于数据交换，并按以下顺序组成：

　　——通信开始；

　　——n*（8个数据位+奇数奇偶校验位），n≥1。

每个字节的LSB首先被发送。

每个字节后面跟随一个奇数奇偶校验位。

奇偶校验位P被设置，使在（b1到b8，P）中1s的数目为奇数；

　　——通信结束。

　　最先传输位

　　奇偶位

　　第2字节

　　第n字节

　　　　传输结束

第1字节：

图2-5TYPEA标准帧

TY