基于射频技术的IC卡的研究[毕业论文]

机电设计毕业论文：基于射频技术的IC卡的研究含毕业论文、任务书、开题报告

摘 要

射频识别技术经过九十年代的快速发展，已经向世人展现了她广阔的应用前景。目前，射频识别的核心技术还是掌握在国外几个公司手中，国内的射频识别产品跟国外的产品比起来不仅性能更差，而且成本更高，而过高的成本又反过来限制着射频识别技术的更加普遍的应用。因此设计一种低功耗低成本的模拟前端电路便成了普及射频识别技术的关键。

首先，本文分析了射频识别技术的发展现状和工作原理，还分析了非接触式IC卡工作过程中用到的编码和调制技术。

然后在第2、3章中，对非接触式IC卡进行了结构和功能进行进一步的阐述。非接触式IC卡的基本结构由模拟前端、数字电路和存储器等三个部分组成。数字电路主要由中央处理单元及其外部模块构成，其中中央处理单元主要是一个8位的RISC，外部模块则包括移位寄存器、时钟产生器、地址译码器和存储器。RISC具有结构简单、指令简单的特点。由于结构简单合理，所以运行速度快，而且可以通过几条基本的指令实现很多复杂功能。

再次，第4章主要对非接触式IC卡进行设计，介绍了一种带有USB接口的射频IC卡系统，阐述了该系统的工作原理。选用USBN9603作为USB接口控制芯片，构成USB接口电路，可以使设计简单，尤其适合于产品的改型设计。给出了USB设备的软件设计方法，并给出了单片机与上位管理机通信的程序流程。由于采用USB接口，可以克服以往IC卡系统不支持热插拔和不能灵活与外设连接的缺点。并在最后设计了一种基于非接触式IC卡的家用门锁。

关键词：射频识别，非接触式，RISC，USB，家用门锁

ABSTRACT

After the fast development in the 1990's，RFID (Radio Frequency Identification) has shown her broad application prospect.However the advanced RFID core technology is mastered only by some oversea companies，and the domestic products not only have worse performance，but also cost more. The high cost in turn has been limiting the universal application of the Chinese RFID products. Therefore the designing of a front-end with low power consumption and low cost is the key to the popularization of RFID.

This article first analyzed the development situation of RFID，and then discussed the principles of RFID，especially the electromagnetic principles of RFID. Furthermore the article discussed the coding and modulation of Contactless IC Cards.

In the third chapter，the structure and functions of Contactless IC Card are introduced. The Contactless IC Card is composed of the front-end， the digital circuits and the memory. The digital circuits are mainly composed of an RISC and the exterior circuits including the shift register， the clock producer， the address decoder and the memory. The structure of RISC is very simple. Therefore its speed is quick. Moreover we can realize complex functions through several basic instructions.

In the forth chapter，a kind of radio frequency IC card system with USB interface is introduced，and the hardware structure and software design are discussed，and the design of universal serial bus interface circuit is also given. Because of using the PNP(plug and play) interface，this system with USB can connect on-line the computer and other equipment conveniently.The usage of RFIC technology in home-used electric lock is introduced in the terms of its function，warking made，etc. New thoughts in the system safety，reliability and low consumption and also put forward

Keywords：RFID，Contactless，RISC，USB，Home-used lock

目录

第1章 绪论 1
1.1 射频识别的概念 1
1.2 IC卡的概念 1
1.3 IC卡的分类 2
第2章 射频识别技术的发展和工作原理 3
2.1 RFID的应用现状 4
2.2 RFID技术的发展方向 4
2.3 射频识别系统的分类 5
2.3.1 工作频率 5
2.3.2 TTF与RTF 5
2.3.3 有源型和无源型 6
2.4 国际规范与标准化 6
2.4.1 使用的频率范围 6
2.4.2 允许使用的国际规范 7
2.4.3 国际标准ISO 14443 7
2.5 射频识别技术的工作原理 9
2.5.1 RFID的电磁学原理 9
2.5.2 射频识别中的编码 13
2.5.3 射频识别系统中的调制 14
第3章 非接触式IC卡的结构和功能 15
3.1 射频识别系统的组成 15
3.1.1 读写器 15
3.1.2 应答器(非接触式IC卡) 17
3.2 非接触式IC卡的数据处理单元的系统结构设计 18
3.2.1 移位寄存器 18
3.2.2 时钟产生器 18
3.2.3 地址译码器 18
3.2.4 存储器 19
3.2.5 RISC(精简指令集计算机) 19
3.3 RISC的指令系统 20
3.4 非接触式IC卡的各种操作 21
3.4.1 复位 21
3.4.2 密码验证 21
3.4.3 读操作 21
3.4.4 加减运算操作 21
3.4.5 写操作 22
3.4.6 其他操作 22
3.5 非接触式IC卡的各种操作 22
3.6 模拟前端的结构 23
第4章 非接触式IC卡的设计 24
4.1 基于USB接口的射频IC卡系统 24
4.1.1 硬件设计 24
4.1.2 软件设计 26
4.1.3 小结 27
4.2 射频IC卡家用智能电子门锁 27
4.2.1 锁体功能设计 28
4.2.2 锁体低功耗设计 29
4.2.3 安全性与可靠性分析 30
结 论 32
参考文献 33
致 谢 34
附录1 英文资料原稿 35
附录2 英文译文 41

第1章 绪论

1.1 射频识别的概念

对于接触式IC（Integrated Circuit Card，IC）卡来说，在很多情况下，机械触点的接通是不可靠的。数据载体与一个所属的阅读器之间的数据进行非接触传输将灵活得多。电子数据载体工作时所需要的能量通过阅读器非接触地传输来获取。根据使用的能量和数据传输方法，我们把非接触的识别系统称作射频识别系统(Radio Frequency Identification，RFID)[1]。

RFID与IC卡有着密切的关系。数据存储在电子数据载体(称应答器)之中。然而，应答器的能量供应以及应答器与阅读器之间的数据交换不是通过电流的触点接通而是通过磁场或电磁场，这方面采用了无线电和雷达技术。射频识别是无线电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别。同其他识别系统相比，射频识别系统具有许多优点。因此，射频识别系统开始占领了巨大的销售市场。这方面的典型例子是：用非接触式IC卡作短距离公交车票。

射频识别系统一般由以下两部分构成：应答器和阅读器。应答器应放置在要识别的物体上；阅读器可以是读或写/读装置，取决于所使用的结构和技术。一台典型的阅读器包含有高频模块(发射器和接收器)、控制单元以及与应答器连接的耦合元件。此外，许多阅读器还带有附加的接口(RS-232、RS-485等)，以便将所获得的数据进一步传输给另外的系统(个人计算机、机器人控制装置等)[2]。应答器是射频识别系统真正的数据载体。通常，应答器由耦合元件以及微电子芯片组成。在阅读器的响应范围之外，应答器处于无源状态。一般，应答器没有自己的供电电源(电池)。只有在阅读器的响应范围之内，应答器才是有源的。应答器工作所需的能量，如同时钟脉冲和数据一样，是通过耦合单元(非接触的)传输给应答器的。

1.2 IC卡的概念

IC卡是将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡的形式，其外形与覆盖磁条的磁卡相似，在其左上方嵌有一片或若干片集成电路芯片(接触式IC卡)。芯片一般是不易挥发性存储器(ROM，EPROM，E2PROM )保护逻辑电路，甚至于CPU(中央处理单元)。

IC卡的概念是20世纪70年代初提出来的，法国布尔(BULL)公司于1976年首先创造出IC卡产品，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、身份证明等多个行业，它将微电子技术和计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度。IC卡芯片具有写入数据和存储数据的能力，IC卡存储器中的内容根据需要可以有条件地供外部读取，或供内部信息处理和判定之用。卡内还存储有唯一的发行人和持卡人的识别标志，用以唯一的确定卡的身份，这样的卡又叫做“识别卡”。

1.3 IC卡的分类

IC卡在经过二十几年的发展之后，逐渐形成了各种类别、不同工作方式的产品系列的家族。因此，对于IC卡的分类也只能从不同的方面进行[1]。

(1) 按卡中嵌的集成电路来分类：IC卡主要分4类：

① 存储器IC卡：又称为非加密型存储卡，所用的芯片就是一种串行存储器芯片。

② 逻辑加密IC卡：同时具有数据存储部分和数据加密操作控制部分电路的IC卡则是逻辑加密IC卡。它是在非加密型存储卡的基础上，在增加一部分加密控制电路。

③ ASIC卡(Application Special Integrated Circuit Card)：专用集成电路卡，是在逻辑加密卡的基础上增加上一些专用电路，如完成加密/解密运算的电路等。但由于ASIC卡的加解密运算是通过事先设计好的逻辑电路实现的，所以在受到攻击时不能做出相应的变化，对开放式应用环境的安全适应能力不如CPU高。

④ CPU卡：虽然很多场合下智能卡泛指为大部分的IC卡，但是实际上只有CPU卡才能真正称得上为智能卡。CPU卡在IC卡的集成电路中带有微处理器(CPU)电路的IC卡。其微处理器单元一般为8位微处理器，能执行指令和程序。CPU卡属于主动型。它不仅能够管理各种输入/输出的数据，检验来自接口设备的输入的个人密码，而且能够根据应用系统的要求主动识别与之连接的接口设备。因此，在CPU卡中，能够建立多种应用系统的授权，存放多个应用系统的相关数据，并实现对数据信息存取的高可靠性、高安全性控制，可以进行复杂的信息处理和计算。这种IC卡可以以一种新型的金融交易卡—现金卡(Cash Card)的方式，完全代替现金进行消费和支付，成为真正的“电子货币”。

(2) 按应用领域来分:

IC卡有金融卡和非金融卡两种。金融卡又有信用卡(Credit Card)和现金卡(Debit Card)等。非金融卡往往出现在各种事物管理、安全管理场所，如身份证明、健康记录和职工考勤等。另外一些预付费卡，如用于公交系统中的交通卡和电表上的IC卡等，各有相应的管理单位发行(当然也可委托银行收费)，这种卡兼有一部分电子钱包的功能。

第2章 射频识别技术的发展和工作原理

射频识别（Radio Frequency Identification，简称RFID)，是一种无接触自动识别技术，其基本原理是利用射频信号及其空间耦合、传输的原理，实现对静止的或移动中的待识别物品的自动识别。RFID技术是一个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，而且还包括通信原理和半导体集成电路技术，是一个多学科综合的新兴学科。上世纪90年代以来RFID获得了蓬勃的发展和广泛的应用，她展现出的方便快捷安全可靠的特点越来越受社会的肯定和认可。如今在物流、收费、门禁控制、自动化等方面己经有了很多成熟的应用[3]。

RFID在国外的发展较早较快。尤其是在美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非等，目前均有较为成熟且先进的RFID系统。现在RFID芯片的主要供应商有飞利浦、ATMEL、西门子、Microchip、ST等。我国在RFID技术的研究方面也发展很快，市场培育已初步开花结果。比较典型的是在中国铁路车号自动识别系统建设中，推出了完全拥有自主知识产权的远距离自动识别系统。在近距离RFID应用方面，许多城市已经实现了公交射频卡作为预付费电子车票应用，预付费电子饭卡也开始普及，基于RFID技术的第二代身份证也已经在开始使用。

在RFID技术研究及产品开发方面，国内已具有了自主开发低频、高频与微波RFID电子标签与读写器的技术能力及系统集成能力。但与国外相比，我国的RFID技术应用的普及率、RFID芯片技术等方面还是有比较明显的差距，芯片的功耗、单芯片成本、功能扩展等方面都有待做更进一步的研究。

RFID技术直接继承了雷达的概念，1948年哈里•斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识别RFID的理论基础。在20世纪中，无线电技术的理论与应用研究是科学技术发展最重要的成就之一.RFID技术的发展可按10年期划分如下：

1941~1950年。雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。

1951~1960年。早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。

1961~1970年。RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。

1971~1980年。RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速。出现了一些最早的RFID应用。

1981~1990年。RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。

1991~2000年。对ID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用，RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。

2001至今。RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大，RFID技术的理论得到丰富和完善，单芯片电子标签、多电子标签识别、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的RFID正在成为现实。.

2.1 RFID的应用现状

在过去的10多年中，有关RFID技术国际标准的研讨空前热烈，国际标准化组织ISO/IEC联合技术委员会JTCI下的SC31下级委员会成立了RFID标准化研究工作组WG4。尤其是1999年10月1日由美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)发起的Auto-ID Center非盈利性组织在规范RFID应用方面发挥着越来越明显的作用。Auto-ID Center在对RFID理论、技术及应用研究的基础上，在产品电子代码格式规划、实物互联网概念及构架、建立开放性的国际自动识别技术、应用公用技术研究平台等方面作出了很大的贡献。RFID技术的应用己趋成熟。典型的应用领域包括：

(1) 校园卡、饭卡、乘车卡、会员卡、驾照卡、健康卡(医疗卡)等。

(2) 安全、防伪方面的应用以及汽车遥控门锁、电子门锁等。

(3) 车辆道路交通自动收费管理。如：高速公路自动收费、公共汽车自动收费等。

(4) 铁路车号自动识别管理。

(5) 旅客航空行包的自动识别、分拣、转运管理。

(6) 车辆出入控制。如：停车场、垃圾场、水泥场车辆出入、称重管理等。

(7) 生产线产品加工过程自动控制。主要应用在大型工厂的自动化流水作业线上。

(8) 动物识别(大型养殖厂和家庭牧场中养牛、羊等)。

(9) 物流、仓储自动管理(大型物流、仓储企业)。

2.2 RFID技术的发展方向

RFID技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面RFID的成功应用又极大地促进了应用需求的扩展。从技术角度说，RFID技术的发展体现在若干关键技术的突破。从应用角度来说，RFID技术的发展目的在于不断满足日益增涨的应用需求[4]。

RFID技术的发展得益于多项技术的综合发展。所涉及的关键技术大致包括：芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁传播特性。RFID技术的发展已经走过50余年，在过去的10多年里得到了更快的发展。随着技术的不断进步，RFID产品的种类将越来越丰富，应用也越来越广泛。可以预计，在未来的几年中，RFID技术将持续保持高速发展的势头。RFID技术的发展将会在电子标签(射频标签)、阅读器、系统种类、标准化等方面取得新的进展。

在电子标签方面：电子标签芯片所需的功耗更低；无源标签、半无源标签技术更趋成熟；作用距离更远；无线可读写性能更加完善；适合高速移动物品识别；快速多标签读/写功能；智能性更强；成本更低。
阅读器方面：功能更多：多种数据接口(RS232，RS422/485，USB，红外，以太网口)；多制式兼容(兼容读写多种标签类型)；小型化、便携式、嵌入式、模块化更加完善；多频段兼容。

系统种类方面：低频近距离系统具有更高的智能、安全特性；高频远距离系统性能更加完善，成本更低；2.45GHz，5.8GHz系统更加完善。

标准化方面：标准化基础性研究更加深入、成熟；标准化为更多企业所接受；系统、模块可替换性更好、更为普及。

2.3 射频识别系统的分类

根据射频识别系统的不同特点，射频识别系统有多种分类方法，根据工作频率划分，有低频、中频、高频；根据存储器是否可写，可分为只读型和可读写型；根据读写器和应答器谁先发送信息，可分为TTF型和RTF型：另外根据应答器内是否内置电源可分为有源型和无源型[5]。

2.3.1 工作频率

低频RFID的工作频率主要是125kHz，中频为13.56MHz，而高频有869MHz 902~928MHz、2.45GHz、5.8GHz等，允许的最大发射功率电平和频率分配因国家和地区的不同而有所不同。其中125kHz系统主要应用在动物识别和商品流通等领域。13.56MHz系统一般应用在公共交通和门禁系统等领域，其识别距离一般为几厘米到几十厘米，采用特殊制作的天线最大识别距离为1.5米左右。在UHF频段(869MHz和902~928MHz)，系统的识别距离远，可从几米到几十米。UHF频段的自动识别系统主要应用在高速公路收费、集装箱识别和铁路车辆的识别、跟踪等业务中。2.45GHz被动式系统(无源标签)一般可提供1米左右的识别距离，主动式系统(有源标签)可以达到十几米的识别距离。5.8GHz系统主要应用在交通领域，目前我国公路联网收费系统暂行标准也把此频段作为车辆识别的系统标准。

2.3.2 TTF与RTF

RTF(Reader Talks First，读写器先发言)和TTF(Tag Talks First，标签先发言)是两种读写器抗冲突协议方式。

在一般状态下，电子标签处于“等待”或称为“休眠”的工作状态，当电子标签进入读写器的作用范围时，检测到一定特征的射频信号，便从“休眠”状态，转到“接收”状态，接收读写器发出的命令后，进行相应的处理，并将结果返回读写器。这类只有接收到读写器特殊命令才发送数据的电子标签被称为RTF(Reader Talk First，即读写器先发言)方式；与此相反，进入读写器的能量场即主动发送自身ID号的电子标签被称为TTF(Tag Talk First，即标签先发言)方式。TTF和RTF协议相比，TTF方式的射频卡具有识别速度快等特点，适用于需要高速应用的场合：另外，它在噪声环境中更稳健，在处理标签数量动态变化的场合也更为实用。因此，更适于工业环境的跟踪和追踪应用。

2.3.3 有源型和无源型

射频识别系统按电子标签的供电方式可分为有源标签和无源标签两类。无源标签所需工作能量需要从读写器发出的射频波束中获取能量，经过整流、稳压后提供电子标签所需的作电压。与有源标签相比，具有成本低、不需要维护、使用寿命长等特点。缺点是读写器要发射更大的射频功率，识别距离相对较近等。然而，目前的集成电路设计技术能使所需工作电压进一步降低至1V甚至0.42V，这使得无源RFID系统可以达到20米以上的识别距离。这在不同的无线电规则限制情况下，可以满足大部分实际应用系统的需要。有源标签本身带有微型电池，由于不需要射频供电，其识别距离更远，读写器需要的功率较小。

2.4 国际规范与标准化

2.4.1 使用的频率范围

因为射频识别系统产生并辐射电磁波，所以这些系统被合理地划分为无线电设备一类，其他无线电服务的功能应绝不受射频识别系统工作的干扰或削弱。特别是应保证射频识别系统不会干扰附近的无线电广播和电视广播、移动的无线电服务(警察、安全服务、工商业)、航运和航空用无线电服务和移动电话等。要求顾及其他的无线电服务在很大程度上限制了适用于射识别系统的工作频率的选择。因此，通常只能使用特别的频率，如为工业、科学和医疗应用而保留的ISM(Industrial-Scientific-Medical)频段。

除了ISM频率外，在135kHz以下的整个频率范围也是可用的(在北美洲和南美洲以及在日本<400kHz)，因为这里可以用较大的磁场强度工作，特别适用于电感耦合的射频识别系统[6]。

对射频识别系统来说，最主要的频率是0~135kHz，以及ISM频率6.78MHz、13.56MHz、27.125MHz、40.68MHz、433.92MHz、869.0MHz、915.0MHz(在欧洲不使用)、2.45GHz、5.8GHz以及24.125GHz。

不同的频率范围适用的领域也有所侧重：

•<135kHz：优先适用于远作用距离和低成本应答器。

•6.78MHz：可用于低成本和中等速度的应答器。

•13.56MHz：可用于高速/高档和中速/低档的应用。数据传输快(典型是106kbits/s)，可实现密码验证等复杂功能。

2.4.2 允许使用的国际规范

在大量的RFID应用中，目标跟踪存在相当大的潜在市场。应答器就有可能不仅在国内流通也可在国外流通，这就要求应答器与国外的读写器相兼容。因此，应答器必须与国外的射频标准或相关规范相兼容。相关标准的制定组织有：国际通信联合会ITU(the International Telecommunication Union)、欧洲邮电和通信管理委员会CEPT(the European Conference of Postal and Telecommunitions Administrations)、欧洲电信标准化研究所ETSI(the European Telecommunications Standards Institute)、欧洲联合通信委员会FCC (the Federal Communications commission)、邮电和电信部MPT(the Ministry of Posts and Telecommunications)、无线电工业和商业委员会ARIB(the Association of Radio Industries and Businesses)以及国际标准化组织ISO(International Standards Organization)等。比较常见的规范有由欧洲电信标准研究所(ETSI)拟定的EN300330，EN300220-1，EN300220-2， EN 300440等，此外还有很多国际和国家标准，每个标准都对允许使用的频率、最高发射功率、最大电场以及测量距离做了具体规定[7]。

2.4.3 国际标准ISO 14443

国际标准ISO 14443以“识别卡—近耦合集成电路卡”为标题说明非接触的近耦合IC卡的作用原理和工作参数。这项标准由以下部分组成：

第1部分：物理特性

第2部分：射频界面

第3部分：初始化和反碰撞

第4部分：传输协议

(1) 物理特性

这项标准的第1部分规定了IC卡的机械性能。尺寸与国际标准ISO 7810中的规定相符，即85.72mm×54.03mm×0.76mm的容差。

此外，标淮的这一部分中还有对弯曲和扭曲试验的附加说明以及时用紫外线，X射线和电磁射线的辐射试验的附加说明。

(2) 初始化与反碰撞

如果一个近耦合的IC卡处于某阅读器的作用范围内，首先就要在阅读器和IC卡间建立起通信关系。此外，还必须考虑到：在这个阅读器的作用范围内有多于一个的IC卡存在或者己经同另外一个比卡建立了通信关系。因此，标准的这一部分首先规定了协议(帧)的结构。该协议由在第2部分规定购基本要素：数据位，帧起始标记和帧结束标记构成。标准的这一部分还规定了为选择一个单独的IC卡使用的反碰撞方法。因为对A型和B型来说不同的调制方法是以不同的协议和反碰撞方法为前提的，所以在这项标准的第3部分将A型和B型两种类型分别规定[7]。

(3) 射频接口

根据ISO 14443国际标准，耦合IC卡的能量是通过发送13.56MHz的阅读器的交变磁场来提供的。IC卡中包含有一个大面积的天线线圈，典型的线圈具有3-6匝导线。由阅读器产生的磁场强度也作了严格规定，不允许超过或低于极限值。但是读写器与

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