13.56M高频RFID射频通信实验
1.1 实验目的
1.学习了解ISO/IEC1443(13.56M)协议。
2.掌握连接/断开上位机软件与13.56MRFID硬件系统的操作。
3.通过PC端上位机软件实现对13.56M标签的寻卡操作。
1.2 实验环境
1.硬件：电脑（推荐：主频2GHz+，内存：1GB+），物联网RFID套件；
2.软件：Windows 7/Windows XP。
1.3 实验原理
1.3.1 13.56M高频RFID射频工作原理
非接触式IC卡的标准ISO/IEC14443标准分为4个部分：
第一部分物理特性；第二部分射频功能和信号接口；第三部分初始化和防冲突；第四部分传输协议。
标准的全称为ISO/IEC14443-识别卡-无接触点集成电路卡-接近式卡，标准分为两类TYPE A和TYPE B。主要在非接触的通信信号接口类型、防冲突机制和传输协议方面，分别有不同的规范定义。
TYPE A是目前广泛运用的一种标准，即MIFARE标准。TYPE A主要的非接触卡片有各种不同的容量，天津地铁采用MIFARE 8Kbit（1K字节）作为储值卡。
TYPE A与TYPE B最根本的区别在于两者的编码与调制方式不同。
TYPE A和TYPE B主要不同为调制方式，对于TYPE A，读写器（PCD）到卡（PICC）采用100%ASK调制，为改进米勒编码，卡（PICC）到读写器（PCD）使用负载调制方式，使用曼彻斯特编码。
对于TYPE B，读写器（PCD）到卡（PICC）采用ASK10%调制，使用NRZ编码，即反向不归零制，卡（PICC）到读写器（PCD）使用负载调制方式，使用BPSK编码。
对于TYPE B类型的卡片来说，采用ASK10%调制，虽然读写器始终都在向卡片供应能量，但是不同信号序列的高低电平之差却相对TYPEA小的多，大大降低了数字信号的噪声容量，抗干扰能力较差，但是可以实现高速的通讯速率。防冲突由软件方式实现，解决方案更加灵活，采用时间槽的方式来解决多张卡的防冲突机制。
1.3.2 13.56M高频RFID操作接口
1.数据帧格式
UART数据帧格式：1个起始位、8个数据位、无奇偶校验位、1个停止位。波特率：19200bps
主机每发送一个命令，模块都有应答。正常通信时，一帧数据中，发送两个字节数据的时间间隔不能大于6ms，若大于6ms，则作为超时处理。
1）MCU→RPD522
命令 |
帧长度 |
数据 |
校验字节 |
Cmd |
Len |
Data |
BCC |
命 令：一个字节；
帧长度：一个字节，一个帧的总长度；
数据：数据可以为空；
校验字节：从命令字节到数据的逐字节异或
BCC=Cmd ^ Len ^ Data0 ^…^ DataN。
2）RPD522→MCU
命令 |
帧长度 |
状态 |
数据 |
校验字节 |
Cmd |
Len |
Status |
Data |
BCC |
命 令：一个字节；
帧长度：一个字节，一个帧的总长度；
状 态：一个字节，0 操作成功，非 0 操作失败；
数 据：数据可以为空；
校验字节：从命令字节到数据的逐字节异或
BCC=Cmd ^ Len ^ Status ^ Data0 ^…^ DataN。
2.操作命令
13.56M高频RFID操作命令如下表所示：
命令 |
说明 |
Cmd = 0x11 |
GetInfo 读取模块信息 |
Cmd = 0x21 |
Antenna 开关 RF 天线 |
Cmd = 0x31 |
Request 请求 |
Cmd = 0x32 |
AnticollSelect 防冲撞与选择 |
Cmd = 0x34 |
Halt 休眠 |
Cmd = 0x35 |
Authentication 验证密钥 |
Cmd = 0x36 ReadBlock |
读块 |
Cmd = 0x37 WriteBlock |
写块 |
Cmd = 0x38 InitValue |
初始化值 |
Cmd = 0x39 |
ReadValue 读值 |
Cmd = 0x3A |
Decrement 扣款 |
Cmd = 0x3A |
Increment 充值 |
1.3.3 13.56M高频软件编程接口
13.56M高频软件PC端编程接口如下表所示：
实验名 |
接口 |
说明 |
寻卡实验接口 |
Private void btn_openAntenna_Click(object sender, EventArgs e) |
单击打开天线按钮产生的事件，实现发送命令执行打开天线操作功能。 |
privatevoid btn_ReqeustAll_14443_Click(object sender, EventArgs e) |
单击请求所有按钮产生的事件， 实现发送命令执行请求所有标 签操作功能 |
public Byte MfRequest(Byte[] requestdata) |
请求所有标签命令发送功能实 现 |
块读写实验、密钥验证实验接口 |
public Byte MfAuthentication(Byte[] requestdata, Byte[] authcommand, ref Byte[] result) |
实现密钥认证功能 |
private void btn_Read_14443_Click(object sender, EventArgs e) |
单击读取按钮产生的事件，实现 发送命令执行读取标签数据功能 |
private void btn_Write_14443_Click(object sender, EventArgs e) |
单击写入按钮产生的事件，实现发送命令执行向标签写入数据 功能 |
卡钱包实验接口 |
private void btn_Init_Money_14443_Click(object sender, EventArgs e) |
单击初始化金额按钮事件，实现 发送初始化金额命令实现初始化金额功能 |
private Int32 readRemainMoney() |
实现发送读取金额命令实现读 取余额功能 |
private void btn_Read_Money_14443_Click(object sender, EventArgs e) |
单击读取余额按钮事件，实现发 送读取余额命令实现读取余额功能 |
private void btn_Add_Money_14443_Click(object sender, EventArgs e) |
单击充值按钮事件，实现发送添加金额命令实现添加金额功能 |
private void btn_Del_Money_14443_Click(object sender, EventArgs e) |
单击扣款按钮事件，实现发送扣 除金额命令实现扣除金额功能 |
1.4 实验步骤
1.4.1 RFID系统的寻卡实验
1.注意事项
切记：插、拔各模块前最好先关闭电源，模块插好后再通电。
RFID 读写器串口波特率为19200bps
2.环境部署
准备13.56M高频RFID模块，参考1.4.2章节设置跳线为模式2，将模块的电源拨码开关设置为OFF，参考1.4.3章节通过交叉串口线将模块与电脑的串口相连，给模块接5V电源；
将模块的电源拨码开关设置为 ON，此时模块的电源指示灯亮，表明模块电源上电正常；
运行RFID实训系统.exe 软件，选项卡选择13.56M模块，如下图所示；
图3-1 RFID 13.56M模块页面
3.打开串口操作
设置串口号为COMx，设置波特率为19200，点击“打开”按钮执行串口连接操作，如下图所示：
图3-2 打卡串口操作
4.初始化操作
读取模块信息。串口设置成功后，点击“读取模块信息”按钮，命令发送成功后，信息栏显示模块信息“版本号：2010-18-17”，如下图所示。
图3-3 读取模块信息
打开天线。串口设置成功以后，点击“打开天线”按钮，命令发送成功后，信息栏显示“打开天线成功”，打开天线成功之后，“请求所有”按钮变为可执行状态，“请求所有”表示发出 Request请求，检测读写器天线场区内有无标签，如下图所示。
图3-4 打开天线
打开天线成功后，将13.56M标签放入天线场区正上方，点击“请求所有”按钮时，提示“ 请求所有的卡成功”，并且“寻卡”按钮变为可执行状态。如下图所示：
图3-5 请求所有标签
点击“寻卡”按钮，执行防冲撞检测，寻卡成功时ID文本框内显示13.56M标签ID:43 05 E9 01,与此同时信息栏提示：防冲撞选择卡片成功，卡号为：43 05 E9 01。
特别提醒：因为后续要执行读卡、写卡操作，故在寻卡时需通过防冲撞检测唯一确定检测到的一个标签，后续的验证密钥、读卡、写卡试验均是对检测到的该标签进行操作，故需保证寻卡成功后，保持该标签在读写器天线场区内。
图3-6 寻卡成功
1.4.2 RFID系统的块读写实验
1.连接硬件设备、打开串口、请求所有、寻卡
依次执行3.4.1章节的1-5步完成RFID系统的寻卡操作，并保证13.56M标签在天线场区正上方；
2.验证密钥操作
1）寻卡成功后，验证密钥按钮变为可执行状态，表示可执行验证密钥操作，如下图所示；读写卡密钥是12个F，即 FF FF FF FF FF FF。设置扇分区为0、块编号为1，点击“验证密钥A”执行密钥验证，用密钥A验证标签第1块成功，如图所示：
图3-7 密钥A验证标签第1块成功
3.读卡操作
读卡：验证密钥成功后，方可执行对标签的读写操作；在执行验证密钥操作时，针对标签扇分区0块编号1执行了密钥A验证，接下来的读卡、写卡均是针对该标签扇分区0块编号1，点击“读取按钮”，在数据文本框中显示16进制数据：00000000000000000000BBBBBBBBBBBB，如下图所示。
图3-8 读取数据成功
写入：点击“写入”按钮，将数据文本框内的16进制数据写入标签，读写器提示灯闪烁的同时（表示Android 应用在向读写器发送命令），信息栏提示写卡成功。
图3-9 写入数据成功
写卡验证：为了验证写卡是否成功，点击“读取”按钮，读卡成功后，读取的信息与写入的信息一致，读卡、写卡操作均正常完成。
图3-10 写卡验证成功
1.4.3 RFID系统的验证密钥修改实验
1.连接硬件设备、打开串口、请求所有、寻卡
依次执行3.4.1章节的1-5步完成RFID系统的寻卡操作，并保证13.56M标签在天线场区正上方；
图3-11 寻卡成功
2、密钥认证第3块存储区（密钥区）
选择任意一个扇区的第3块存储区，弹出“所有扇区的第3块用于存放本扇区验证密钥，请谨慎写卡”对话框，如下图所示。
图3-12 选择任意扇区的第3块存储区
认证密钥A：点击“认证密钥A”按钮，对扇区0块编号3存储区进行密钥认证，执行成功后，信息栏显示“用密钥A 验证卡号的第3块成功”，如下图所示：
图3-13 密钥A验证扇区0块编号3存储区成功
读取密钥：点击“读取”按钮，执行读取操作，读取成功后，数据文本框内显示读取数据，其中0-5个字节存储的是认证密钥A，不可见，默认为 FFFFFFFFFFFF，10-15个字节存储的是认证密钥 B，可见可修改，默认为 FFFFFFFFFFFF，如图所示。
图3-14 读取认证密钥B
输入新认证密钥B：保证写入数据文本内的数据头FFFFFFFFFFFF078069不变，在其后输入6个字节的新认证密钥B：AAAAAAAAAAAA，与此同时，认证密钥B输入框更新为：AAAAAAAAAAAA，如下图所示。
图3-15 输入新的认证密钥B
修改认证密钥B：输入符合规范的新认证密钥B之后，点击“写入”按钮执行验证密钥B修改操作，如下图所示，验证密钥B修改成功，请重新验证密钥A。
图 3-16 认证密钥 B 修改成功
重新执行密钥A验证：认证密钥B修改成功后，读取按钮变为不可执行状态，需重新点击“认证密钥A”进行密钥认证。如下图所示，重新认证密钥A成功。
图3-17 重新验证密钥A
重新读取密钥区：重新点击“读取”按钮，验证密钥B是否被修改，如下图所示，数据文本框显示的数据中第10-15个字节为 AAAAAAAAAAAA，该密钥为新的认证密钥B，表明认证密钥B 修改成功。
图3-18 重新读取密钥区，验证密钥B是否被修改
1.3.4 RFID系统的卡钱包实验
1.执行连接硬件设备、打开串口操作、初始化操作、寻卡操作
依次执行3.4.1章节的1-5步完成RFID系统的寻卡操作，并保证13.56M标签在天线场区正上方；
图3-19 寻卡成功
2.验证密钥操作
寻卡成功后，验证密钥按钮变为可执行状态，表示可执行验证密钥操作，13.56M标签预留了第02扇区01块（即第9块）为卡钱包存储，选择扇分区为2、块分区为1，点击“验证密钥A”执行密钥验证，验证成功后卡钱包操作变成可执行状态，如图所示：
图3-20 密钥A验证标签02扇区01块成功界面
3.钱包操作
初始化金额：初始化金额是对第02扇区01块（即第9块）存储区域进行金额初始化操作，输入初始化金额：100，点击“初始化”按钮，读写器提示灯闪烁的同时（发送初始化命令），信息栏提示：初始化金额：100元。
图3-21 初始化金额成功
读取余额：初始化金额完成之后，点击“读取余额”按钮执行读取余额操作，读写器提示灯闪烁的同时（发送读取余额命令），信息栏显示：成功读取余额，余额是100元。表示初始化金额操作、读取余额操作均成功执行。
图3-22 读取余额成功
充值：充值功能实现在余额的基础上增加金额，但是增加的金额有限制，最大只增加9位数金额。输入充值金额100，点击“充值”按钮，读写器提示灯闪烁（发送充值命令）的同时，信息栏提示：成功充值金额为：100元。
图3-23 充值成功
充值验证：充值完成之后，点击“读取余额”按钮读取余额成功，余额文本框显示为200，表示充值、读取余额操作均正常完成。
图3-24 充值验证成功
扣款：扣除功能实现在余额的基础上扣除金额，扣除金额需小于余额，当扣除金额大于余额时，会提示余额不足。输入扣除金额90，点击“扣除”按钮，读写器提示灯闪烁的同时，信息栏提示：成功扣除金额为90元。
图3-25 扣款成功
扣款验证：扣除完成之后，点击“读取余额”按钮读取余额，余额文本框显示为110，表示扣款、读取操作均正常完成。
图3-26 扣款验证成功
