MCU 或ＰＣ机 RS232 RS485 USB 数据 阅读器 天 线 时序 天 线 应答器图2-1 RFID系统的基本模型图 系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。阅读器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程(主-从原则)；信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。
在RFID的实际应用中，电子标签被附着在被识别的物体上，当带有电子标签的物品通过阅读器可识读范围时，阅读器自动以无接触的方式将电子标签中的约定识别信息读取出来，从而实现自动识别物品或自动识别物品标志信息的功能。射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域：汽车、火车等交通监控，高速公路自动收费系统，停车场管理系统，物品管理，流水线生产自动化，安全出入检查，仓储管理，动物管理和车辆防盗等等。
2.1.1 系统采用 IC S50非接触式IC智能射频卡特点
Mifare One IC S50智能(射频)卡的核心是飞利浦公司的Mifare One IC S50（-01，-02，-03，-04）系列微模块（微晶片）,简称S50卡，见图2-2。它确定了IC卡的特性以及卡片读写器的诸多性能。S50非接触式卡符合MIFARE I的国际标准，容量为8K位，数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次。S50卡不带电源，自带天线，内含加密控制逻辑电路和通讯逻辑电路，卡与读写器之间的通讯采用国际通用的DES和RES保密交叉算法，具有极高的保密性能。工作频率 13.56MHz。S50智能(射频)卡上具有先进的数据通信加密并双向
能量 验证密码系统；且具有防重叠功能：能在同一时间处理重叠在卡片读写器天线的有效工作距离内的多张重叠的卡片。S50智能(射频)卡与读写器通信使用握手式半双工通信协议；卡片上有高速的CRC协处理器，符合CCITT标准。卡片制造时具有唯一的卡片系列号，没有重复的相同的两张MIFARE 卡片。
卡片上内有8K（bit） EEPROM存储容量区，并划分为16个扇区，每个扇区划分为4个数据存储块，每个扇区可由多种方式的密码管理。还内有增值/减值的专项的数学运算电路，非常适合公交/地铁等行业的检票/收费系统。典型的检票交易时间最长不超过100ms(0.1秒)（包括卡片的认证，6个扇区的读（768bit,2个扇区的认证），2个扇区的写操作（256bit））。
图2-2 MIFARE ONE S50非接触式IC智能射频卡的功能组成图
在RF射频接口电路中，主要有波形转换模块。用于卡片读写器上的13.56MHZ的无线电调制频率接收，一方面进行调制/解调，另一方面用于波形转换，如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。POR（POWER-ON-RESET）模块用于对卡片上的各个电路进行上电复位，使各电路同步工作。
S50具有如下独特的数字电路模块：
(1) Select Application 模块：主要用于卡片的选择。
当卡片与读写器完成了上述二个步骤后，由程序员控制的读写器如果想对卡片进行读写操作，须对卡片进行“Select”（选择） 操作。以使卡片确定被选中。被选中的卡片将存储在Block 0中的卡片容量“Size” 字节传送给读写器，当读写器收到这一数据后，将对卡片进行深一步的读写操作。例如，可以进行密码验证等等。读写器当收到的“Size” 字节
可能为：88h。
(2) AntiCollision模块：防止（卡片）重叠功能
如果有多张Mifare One卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，AntiCollision模块的防重叠功能将被启动工作。在程序员控制下的卡片读写器将会首先与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的系列号。由于Mifare One卡片每一张都具有其唯一的系列号，决不会相同，因此卡片读写器根据卡片的序列号来识别，区分已选的卡片，卡片读写器中的MCM中的AntiCollision防重叠功能配合卡片上的防重叠功能模块，由程序员来控制读写器，根据卡片的序列号来选定一张卡片。被选中的卡片将直接与读写器进行数据交换，未被选择的卡片处于等待状态，随时准备与卡片读写器进行通信。
AntiCollision模块（防重叠功能）启动工作时，卡片读写器将得到卡片的序列号Serial Number。序列号Serial Number存储在卡片的Block 0中，共有5个字节，实际有用的为4个字节，另一个字节为序列号Serial Number的校验字节，序列号Serial Number中实际有用的4个字节，可能为：007e0a42h 。
(3) ATR模块：Answer to Request(“请求之应答“)
当一张Mifare One卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，程序员控制读写器向卡片发出REQUEST all(或REQUEST std) 命令后，卡片的ATR将启动，将卡片Block 0 中的卡片类型（TagType）号共2个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果不进行第一步的ATR工作，读写器对卡片的其他操作（Read/Write等）将不会进行。卡片的类型（TagType）号共2个字节，可能为：0004H。
(4) RAM/ROM 单元：
RAM主要配合控制及算术运算单元，将运算的结果进行暂时存储，如果某些数据需要存储到EEPROM，则由控制及算术运算单元取出送到EEPROM存储器中；如果某些数据需要传送给读写器，则由控制及算术运算单元取出，经过RF射频接口电路的处理，通过卡片上的天线传送给卡片读写器。RAM中的数据在卡片失掉电源后（卡片离开读写器天线的有效工作范围内）将被清除。同时，ROM中还固化了卡片运行所需要的必要的程序指令，由控制及算术运算单元取出去对每个单元进行微指令控制。使卡片能有条不紊地与卡片的读写器进行数据通信。
(5) Control & Arithmetic Unit 控制及算术运算单元：
这一单元是整个卡片的控制中心，是卡片的“头脑”。它主要进行对整个卡片的各个单位进行微操作控制，协调卡片的各个步骤；同时它还对各种收/发的数据进行算术运算处理，
递增/递减处理，CRC运算处理，等等。是卡片中内建的中央微处理机（MCU）单元。
(6) Authentication & Access Control 模块： 认证及存取控制模块
S50卡使用的认证算法称为三重认证。它基于密钥长度为48比特的公有加密数据流。如欲获取标准卡片的数据，有关密钥的知识是必需的。为了能够成功进行卡的认证以及后续对储存于卡EEPROM中的数据进行操作，S50卡必须能够获得正确的密钥。当一张卡按照ISO14443A协议被选中后，用户可以按照标准协议继续操作。在这种情况下，必须执行卡片认证。在认证指令执行过程中，S50卡从内部密钥缓冲器中读取密钥。密钥总是从密钥缓冲器中获取。因此认证指令无需指明密钥存储地址。当然，在认证指令开始之前，用户必须保证在密钥缓冲器中已经准备好了密钥。密钥缓冲区器可以通过以下两种方式加载：用LoadKeyE2指令从EPROM加载；直接由外部处理器通过LoadKey指令从FIFO中加载。 三遍认证过程如图2-3所示，认证过程如下：
2
图2-3 三遍认证的令牌原理框图
图中的所示的符号
Token AB＝ekAB（RA RB B Text2） Token BA＝ekAB（RB RA Text4） (A)B发出一个随机数RB (B)A返回Token AB给B
(C)收到Token AB后，B译码并验证符号AB中所含的随机数RB是否与在(A)中所发出的一致。
(D)B发给A一个值BA
(E)收到BA之后，A译码并验证RB的正确性，同时还验证BA中所含的随机数RA是否和(B)发出的一致。
如果上述的每一个环都为“真”，都能正确通过验证，则整个的认证过程将成功。读写器将能对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区可以进入下一步的操作（READ/WRITE 等操作）。卡片中的其他扇区由于有其各自的密码，因此不能对其进行进一步的操作。如想对其他扇区
进行操作，必须完成上述的认证过程。认证过程中的任何一环出现差错，整个认证将告失败。必须从新开始。
如果事先不知卡片上的密码，再加上密码的变化极其复杂，因此靠猜测密码而想打开卡片上的一个扇区的可能性几乎为零。
2.1.3 射频卡读写操作关键技术及概念
（1）.存贮结构
S50卡片的存储容量为8192 BIT X 1位字长（即1K X 8位字长），采用EEPROM作为存储介质，整个结构划分为16个扇区，编为扇区0～15。每个扇区有4个块（Block）,分别为块0,块1,块2和块3。每个块有16个字节。一个扇区共有 16 Byte X 4 = 64 Byte。 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。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：一是用作一般的数据保存，可以进行读、写操作。二是用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作。每个扇区的块3(即第四块) 包含了该扇区的密码A(6个字节)、存取控制(4个字节)、密码B(6个字节)，是一个特殊的块。其中：第1~4个字节为卡片的序列号，第5个字节为序列号的校验码；第6个字节为卡片的容量“SIZE”字节；第7，8个字节为卡片的类型号字节，即Tagtype字节；其他字节由厂商另加定义。如图2-4所示。
图2-4 S50卡内部结构
（2）. 读写控制