无线射频卡的原理与应用

0 引言
IC卡在我们的日常生活中经常见到，它的发展经历了接触式存储卡、加密卡，现正在向着非接触卡、CPU卡的方向发展。无线IC卡使用非接触方式，它利用射频技术实现射频卡和读写设备之间的通信，与条码、磁卡等早期或同期识别技术相比，具有工作距离大、无接触、信息处理速度快等优点，所以这种高技术产品除应用在机密、金融产品中，还可以广泛应用在家用电器、身份证明控制、防盗报警、电子防伪标签、动物耳标分类等领域。本文以工作频率为13．56MHz的BL75R06SM无线射频识别芯片为例，介绍无线射频卡的优点、基本组成、工作原理和应用。

1 无线射频卡的优点
无线射频识别技术简称RFID(Radio Frequency Identification)，是非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和电磁的空间耦合、传播的传输特性，实现对被识物体的自动识别，是一种综合多学科、多技术的应用技术。无线IC卡，又称方便卡、雷达卡、感应卡、非接触卡、RF卡、魔术卡、射频卡、聪明卡，它将无线射频识别技术与IC卡技术有机结合起来，解决了无源(卡内无电源)和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。它具有以下优点：
(1)无线IC卡具有高可靠性。它与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写器而产生的各种故障。例如，粗暴插卡，非卡外物插入，灰尘或油污导致错读卡或接触不良等。
(2)因IC卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题。
(3)操作方便。它在距读写器30~200mm的范围内晃动小于10ms的时间，就可以与读写器双向交易，因此，放把公交卡放在钱包里的仍可交易。
(4)交易速度快。它内部有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，其读写时间小于10ms，经认证、交易的时间也小于100ms。
(5)加密性能好。其芯片内设有64bit的资料数据，包含又一个9bit的标题、40bit的资料数据内容和14bit校验位以及一个停止位，它的序列号是唯一的，制造厂家的芯片出厂前已将此序列号固化，一经固化不能再修改。IC卡和读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证IC卡的合法性，非法卡无法进入系统进行交易，具有很强的安全性、保密性和使用性。

2 BL75R06的功能特点
BL75R06SM是一款8kbE2PROM的非接触加密存储IC卡芯片，由射频通信接口、数字逻辑控制模块(包括安全控制单元)和8kb的E2PROM存储器三部分集成在一个Die上组成。图1是BL75R06的内部拓朴结构。该芯片在应用时直接连接在由线圈组成的天线，用来进行无线传输，读写距离为10cm。

射频通信接口部分由与天线导入的射频通信接口、整流、稳压、调制／解调器、上电复位和时钟等部分组成；数字逻辑控制模块由要求应答、防冲突、应用选择、认证和访问控制、控制和算术单元、RAM、ROM、密码单元等部分组成；E2PROM存储器部分由接口和8kb的E2PROM存储器组成。
BL75R06的RF接口符合ISO／IECl4443TypeA要求，芯片无需电池，接收读卡器发射的能量即能激活，无线回传芯片内的ID号码和所需信息数据；操作距离可达10cm，当然，其距离与天线的几何形状和效率有关；工作频率为13．56MHz；数据传输率为106kbps；16位CRC校验、奇偶校验、位编码、位计数等确保传输数据的完整性和可靠性；典型交易时间，包括备份管理时间小于100ms。E2PROM分成16个扇区，每个扇区分成4块，每块16字节；每个存储块的访问条件可由客户自己定义；数据保持时间最少10年；擦写次数最少10万个周期。
BL75R06支持IS014443TypeA射频接口和支持PHILIPS标准读卡器芯片。

3 IC卡的主要架构与安全体系
IC卡主要采用类似印刷电路板腐蚀成型的铜簿环状天线和绑定在其上的裸芯片(见图2)构成，外加卡的两面彩塑封装。

IC卡的天线形状和匝数与工作频率有关，既要有精确的计算，也需要丰富的实践经验积累，以及与芯片的匹配。在原始设计时需要用网络分析仪来验证和调整天线的几何图形及网络匹配。
为了提供高安全等级，BL75R06采用了符合ISO／IECDIS9798―2协议的三重相互认证体制：
(1)读卡器先确定要访问的扇区，然后选择密钥A或密钥B；
(2)第一重是卡从扇区的Trailer块读出密钥和访问条件，发送一个随机数给读卡器：
(3)第二重是读卡器用密钥和附加的输入计算卡的响应，然后向卡发送一个响应和另一个随机数；
(4)第三重是卡验证读卡器的响应，然后计算一个响应，发给读卡器；
(5)读卡器再验证卡的响应；
执行完以上步骤，再发送第一个随机数后，卡和读卡器的通信就都是加密的了。

4 通信工作原理
射频识别(RFID)是无线电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别处理。射频识别系统通常由读卡器(阅读器)和应答器(卡)两部分组成，基本组成见图3。读卡器也称非接触式IC卡读写终端，一般由电源、微处理器、天线板等组成，通过外围接口与计算机相连。应答器是一种非接触卡，在应答器内有感应线圈(天线)及用于存储有关应用标识信息的存储器，该卡自身不带电源，当卡进入阅读器的电磁场范围时，便可通过耦合无线电波的能量，并经整流稳压后获得工作电源。