实验3、HF高频RFID通讯协议

实验三、HF高频RFID通信协议
一、实验目的
1.1 掌握高频读卡器的通讯协议
1.2 掌握本平台高频模块的操作过程
1.3 掌握高频模块工作原理
二、实验设备
硬件：RFID实验箱套件，电脑等。

软件：Keil，串口调试助手。

三、实验原理
3.1 高频RFID系统
典型的高频HF（13.56MHz）RFID系统包括阅读器（Reader）和电子标签（Tag，也称应答器Responder）。

电子标签通常选用非接触式IC卡，全称集成电路卡又称智能卡，可读写，容量大，有加密功能，数据记录可靠。

IC卡相比ID卡而言，使用更方便，目前已经大量使用在校园一卡通系统、消费系统、考勤系统、公交消费系统等。

目前市场上使用最多的是PHILIPS的Mifare系列IC卡。

读写器(也称为“阅读器”)包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及与卡连接的耦合元件。

由高频模块和耦合元件发送电磁场，以提供非接触式IC卡所需要的工作能量以及发送数据给卡，同时接收来自卡的数据。

此外，大多数非接触式IC卡读写器都配有上传接口，以便将所获取的数据上传给另外的系统(个人计算机、机器人控制装置等)。

IC卡由主控芯片ASIC（专用集成电路）和天线组成，标签的天线只由
线圈组成，很适合封状到卡片中，常见IC卡内部结构如图3.1所示。

图 3.1 IC卡内部结构图
较常见的高频RFID应用系统如图3.2所示，IC卡通过电感耦合的方式从读卡器处获得能量。

图 3.2 常见高频 RFID 应用系统组成
下面以典型的IC卡MIARE 1为例，说明电子标签获得能量的整个过程。

读卡器向IC卡发送一组固定频率的电磁波，标签内有一个LC串联谐振电路(如图 3.3)，其谐振频率与读写器发出的频率相同，这样当标签进入读写器范围时便产生电磁共振，从而使电容内有了电荷，在电容的另一端接有一个单向通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当储存积累的电荷达到2V时，此电源可作为其他电路提供工作电压，将标签内数据发射出去或接收读写器的数据。

图 3.3 IC卡功能结构图
3.2 非接触式IC卡
目前市面上有多种类型的非接触式IC卡，它们按照遵从的不同协议大体可以分为三类，各类IC卡特点及工作特性如图1.4所示，PHILIPS的Mifare 1卡(简称M1卡)属于PICC卡，该类卡的读写器可以称为PCD。

图3.4 IC卡分类
高频RFID系统选用PICC类IC卡作为其电子标签，这里以Philips公司典型的PICC 卡Mifare 1为例，详细讲解IC卡内部结构。

Philips是世界上最早研制非接触式IC卡的公司，其Mifare技术已经被制定为IS0 14443 TYPE A国际标准。

本平台选用用Mifare 1（S50）卡作为电子标签，其内部原理如图3.5所示。

图3.5 M1卡内部原理
射频接口部分主要包括有波形转换模块。

它可将读写器发出的13.56MHZ的无线电调制
频率接收，一方面送调制/解调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终输出供给卡片上的各电路。

数字控制单元主要针对接收到的数据进行相关处理，包括选卡、防冲突等。

Mifare1卡片采取EEPROM作为存储介质，其内部可以分为16个扇区，每个扇区由4块组成，（我们也将 16 个扇区的 64 个块按绝对地址编号为 0-63，存贮结构如下图3.6所示：
图 3.6 MFI卡片存储结构
第 0 扇区的块 0（即绝对地址 0 块），它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。

其中：第 0～3 个字节为卡片的序列号；第4个字节为序列号的校验码；第5个字节为卡片内容“size ”字节，第6~7个字节为卡片的类型字节。

每个扇区的块 0、块 1、块 2 为数据块，可用于存贮数据。

数据块可作两种应用： 用作一般的数据保存，可以进行读、写操作。

例如在食堂消费时采用输入饭菜金额的方式扣款。

用做数据值，可以进行初始化加值、减值、读值操作。

例如在食堂消费时对于定额套餐采用输入餐号的方式加以扣款，又如公交/地铁等行业的检票/收费系统中的扣费。

每个扇区的块 3 为控制块，包括了密码 A 、存取控制、密码 B 。

具体结构如下，
A0 A1 A2 A3 A4 A5FF 07 80 69B0 B1 B2 B3 B4 B5
其中其中 A0—A5 代表密码 A 的六个字节；B0—B5 代表密码 B 的六个字节；FF 07 80 69 为四字节存取控制字的默认值，FF 为低字节。

每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。

存取控制为 4 个字节，共 32 位，扇区中的每个块（包括数据块和的存取条件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位，定义如下：
块 0： C10 C20 C30
块 1： C11 C21 C31
块 2： C12 C22 C32
块 3： C13 C23 C33
三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问权限（如进行减值操作必须验证 KEY A ，进行加值操作必须验证 KEY B ，等等）。

三个控制位在存取控制字节中的位置，以块 0 为例，如下所示：
Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
字节6
字节7
字节8
字节9
3.3 ISO 14443协议标准简介
ISO 14443协议是超短距离智慧卡标准，该标准定义出读取距离7-15公分的短距离非接触智能卡的功能及运作标准，ISO 14443 标准分为TYPE A 和 TYPE B 两种。

TYPE A 的产品具有更高的市场占有率，如Philips 公司的MIFARE 系列占有了当前约80%的市场，且在较为恶劣的工作环境下有很高的优势。

而TYPE B 在安全性、高速率和适应性方面有很好的前景，特别适合于CPU 卡。

这里重点介绍MIFARE 1符合的ISO 14443 TYPE A 标准。

1) ISO 14443 TYPE A 标准中规定的基本空中接口基本标准 C20_ b C10_
b
C10 C30_ b C30 C20
PCD到PICC（数据传输）调制为：ASK，调制指数100%
PCD到PICC（数据传输）位编码为：改进的Miller编码
PICC到PCD（数据传输）调制为：频率为847kHz的副载波负载调制
PICC到PCD位编码为：曼彻斯特编码
数据传输速率为106kbps
射频工作区的载波频率为13.56MHz
最小未调制工作场的值是1.5A/mrms（以Hmin表示），最大未调制工作场的值是
7.5A/mrms (以Hmax表示) ，邻近卡应持续工作在Hmin和Hmax之间
PICC的能量是通过发送频率为13.56MHz的阅读器的交变磁场来提供。

由阅读器产生的磁场必须在1.5A/m-7.5A/m之间
2) ISO 14443 TYPE A标准中规定的PICC标签状态集，读卡器对进入其工作范围的
多张IC卡的有效命令有：
REQA：TYPE A请求命令
WAKE UP：唤醒命令
ANTICOLLISION：防冲突命令
SELECT：选择命令
HALT：停止命令
图 3.7为PICC（IC卡）接收到PCD（读卡器）发送命令后，可能引起状态的转换图。

传输错误的命令(不符合ISO 14443 TYPE A协议的命令)不包括在内。

图 3.7 PICC状态转化图
掉电状态(POWER OFF):在没有提供足够的载波能量的情况下，PICC不能对PCD发射的命令做出应答，也不能向PCD发送反射波；当PICC进入耦合场后，立即复位，进入闲置状态。

闲置状态(IDLE STATE)：当PICC进入闲置状态时，标签已经上电，能够解调PCD发射的信号；当PICC接收到PCD发送的有效的REQA（对A型卡请求的应答）命令后，PICC将进入就绪状态。

就绪状态( READY STATE)：在就绪状态下，执行位帧防碰撞算法或其他可行的防碰撞算法；当PICC标签处于就绪状态时，采用防冲突方法，用UID(惟一标识符)从多张PICC标签中选择出一张PICC；然后PCD发送含有UID的SEL命令，当PICC接收到有效的SEL命令时，PICC就进入激活状态（ACTIVE STATE）。

激活状态（ACTIVE STATE）：在激活状态下，PICC应该完成本次应用所要求的所有操作（例如，读写PICC内部存储器）；当处于激活状态的PICC接收到有效的HALT命令后，PICC就立即进入停止状态。

停止状态（HALT STATE）： PICC完成本次应用所有操作后，应进入停止状态；当处于停止状态的PICC接收到有效的WAKE_UP命令时，PICC立即进入就绪状态。

注意:当PICC 处于停止状态下时，在重新进入就绪状态和激活状态后，PICC接受到相应命令，不在是进入闲置状态，而是进入停止状态。

3.4 高频ＲＦＩＤ系统读写器
3.4.1 通信流程
高频RFID系统读写器与IC卡通信过程如图3.8所示，主要步骤有：
复位应答（Answer to request）：M1射频卡的通讯协议和通讯波特率是定义好的，当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否为M1射频卡，即验证卡片的卡型。

防冲突机制(Anticollision Loop）：当有多张卡进入读写器操作范围时，防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式等待下一次选卡，该过程会返回被选卡的序列号。

具体防冲突设计细节可参考相关协议手册。

选择卡片(Select Tag）选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。

三次互相确认(3 Pass Authentication）：选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯（在选择另一扇区时，则必须进行另一扇区密码校验）。

对数据块的操作：包括读、写、加、减、存储、传输、终止。

图3.8 读卡器与IC通讯流程
3.4.2 防冲突
当读写器读写范围内部有多张PICC标签时，读写器利用各卡的UID(惟一标识符)从多张标签中选择出一张PICC标签。

不同IC卡其内部的UID大小不同，通常UID由4、7或10个UID字节组成。

PICC将这些字节按照其字节数封装在几个串联级别中发送给读卡器，每个串联级别内包含5个数据字节，其中包括3个或4个UID字节，见图3.9，从图可知PICC 最多会发送三个串联级别(串联级别数又可以称为UID大小)。

图3.9 UID结构
图中CT为级联信号，表示在下一级中还有UID；BCC为本级检验码。

由图可知，PICC最多应处理3个串联级别，以得到所有UID字节。

阅读器防冲突过程如下：
1）首先由PCD发送REQA命令或WAKE UP命令，使卡进入READY状态（参见标签状态转换图）。

这两个命令的差别是：REQA命令使卡从IDLE状态进入READY状态，而WAKE UP命令使卡从HALT状态进入READY状态。

2）PICC接收到命令后，所有处在PCD电磁场范围内的PICC同步发出ATQA应答，说明本卡UID的大小(1、2或3)，之后进入READY状态，执行防冲突循环操作。

3）PCD通过发送ANTICOLLISION和SELECT命令执行防冲突循环操作，命令格式如下所示：
3.5 上位机与高频RFID模块间的通讯协议
在LF低频RFID实验中，上位机和低频RFID模块之间没有任何的协议通信，这是因为低频RFID功能简单，低频RFID模块只有一个工作状态就是监听状态，此时模块只需将监听到的标签数据传给上位机即可。

而高频RFID以及之后将要学习的超高频RFID、2.4GRFID模块的功能就要多得多。

除了简单的读卡外，还有写入数据，修改密码的功能，这就需要上位机和这些RFID模块之间进行通信。

以下便是上位机和高频RFID之间的一些协议。

以下数据均为16进制，第一字节表示此次发生的字节长度
读卡号
02 A0
读数据
09 A1 Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5 Kn.
例:0xA1为读数据标志。

该卡密码A为16进制:ff ff ff ff ff ff 对应Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5；
要读的块数为第4块即 Kn=4；
则发送:09 A1 ff ff ff ff ff ff 04 .
返回第4块的16字节数据.
写数据
19 A2 Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5 Kn Num0 Num1 Num2 Num3 Num4 Num5 Num6 Num7 Num8 Num9 Num10 Num11 Num12 Num13 Num14 Num15.
例:0xA2为写数据标志。

该卡密码A为16进制:FF FF FF FF FF FF 对应Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5；
要写的块数为第4块即 Kn=4；
要写的数据位 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F
则发送:19 A2 FF FF FF FF FF FF 04 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F.
修改密码
0F A3 Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5 Kn New0 New1 New2 New3 New4 New5 . 例:0xA3为修改密码标志。

该卡原密码A为16进制:FF FF FF FF FF FF 对应Key0 Key1 Key2 Key3 Key4 Key5；要修改的密码块数为第7块即 Kn=7；(密码保存在扇区尾块,分别为
7,11,15,19......)
要修改成的密码为 20 10 20 11 20 12 对应New0 New1 New2 New3 New4 New5则发送:0F A3 FF FF FF FF FF FF 07 20 10 20 11 20 12.
注意事项：不建议用户修改卡的密码，
四、实验步骤
4.1 打开\光盘\源代码\上位机开发用\RFID-UART\RVMDK工程目录，编译并烧写到实验箱，将实验箱上的UART-STM串口与PC机相连，打开电源，打开串口助手(\光盘\应用程序\串口助手)，并正确配置串口参数。

可以发现此步与实验2中的4.1节相同，它们用的是同一个STM 固件程序。

4.2 读卡号操作。

在串口助手中选择十六进制发送字节0x02 0x02，选择与高频RFID通信，此时高频RFID区的红色LED变亮。

将显示区选择为十六进制显示，发送字节0x04 0x05 0x02 0xA0，并进行高频标签的刷卡操作，观察是否有数据返回，如图3.11所示。

在3.5节中介绍，高频RFID的读卡指令(协议)为0x02 0xA0，但是此时为什么发送的是0x04 0x05 0x02 0xA0呢？正如实验二中所介绍的，0x04 0x05这两个字节上位机说给STM单片机听的，它的意思是我这条指令一共4个字节(0x)，它的用处是一个和RFID模块的通信指令(0x05),STM单片机收到后，首先检测它收到的数据确实是4个，并且知道了0x02 0xa0是上位机要给某个RFID模块的，于是STM单片机就将这两个字节通过UART2口传给了真正能读懂它(0x02 0xa0)的RFID模块。

（再次之前已经完成了模块的选择了。

）
图3.11
4.3 读数据操作。

在串口助手发送区发送十六进制字符串0b 05 09 A1 ff ff ff ff ff ff 04，观察返回值，并解析0b 05 09 A1 ff ff ff ff ff ff 04这条指令的意义。

实例如图3.12所示。

图 3.12返回块4数据
4.4请同学根据现在所学到的内容，自行完成写卡操作，在完成写卡后，再次读卡，观察
是否正确写入信息。

4.5细心的同学可能已经观察到了，上位机和高频RFID模块间的通信协议和我们自定义的
STM上的协议非常类似，也是第一个字节代表了整个指令的长度，第二个字节是功能吗。

例如读卡号的指令02 A0, 其中02代表了这条指令的长度，而A0则说明上位机想要做的事是读卡号。

而在我们的实验中04 05 02 A0则是指令(协议)中包含了指令（协议）。

其中04 05是上位机和STM单片机之间的协议指令，而02 A0则是上位机和高频RFID模块间的协议指令。

4.6将实验箱配套的串口模块插在高频区的4pin插槽上，将PC机和串口模块相连，如图
3.13,3.14所示。

此时在打开串口助手，设置波特率为9600-8-N-1，再次发送指令02
A0并刷卡，依然会有正确的卡号返回，这是因为此时上位机适合高频模块直接通信了，不再通过STM单片机了，也就不需要发送它和STM单片机之间的协议指令了。

图3.13
图3.14。