使用32位MCU解決RFID智能標簽/智能卡系統(tǒng)設(shè)計難題

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：C.K. Phua Rob Cosaro   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月15日

無線射頻識別 (RFID) 將成為第一種與條碼技術(shù)并存并最終將在低成本識別和個人數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域取代條碼技術(shù)的新興技術(shù)。 與條碼技術(shù)相比，它具有多種優(yōu)勢，包括： 1.) 可以存儲更多數(shù)據(jù)，2.) 可以在標簽中集成一定智能，3.) 可以在一定距離外掃描，以及 4.) 可以減少人為干預(yù)。 所有這一切皆因MCU 的使用而成為可能。

　　EPC 技術(shù)對智能標簽的影響

　　在消費層的部署中，下一代標簽系統(tǒng)必須發(fā)展一種新的復(fù)雜級別，以應(yīng)對新應(yīng)用和全球互操作性所帶來的復(fù)雜性。

　　就像統(tǒng)一產(chǎn)品編碼 (UPC) 是條碼技術(shù)的基本標識一樣，一個名為 EPCglobal 的企業(yè)聯(lián)盟也為 RFID 創(chuàng)建了電子產(chǎn)品編碼 (EPC)。 EPC 代碼為 64 位或 96 位長。它將作為聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中的一個查找項，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)必須能夠?qū)崟r訪問。

　　在某些時候，標簽必須與位于公司內(nèi)聯(lián)網(wǎng)之外的主機系統(tǒng)進行通信。 公司可以與其合作伙伴協(xié)作，提供 EPC 信息服務(wù) (EPCIS)。 這將需要更多的標準化、互操作性和安全性。

 

圖 1： 標簽應(yīng)用貫穿從入庫到零售的整個過程

　 32 位 MCU 適于復(fù)雜RFID系統(tǒng)

　　由于它們經(jīng)濟有效，32 位 MCU 非常適合用于復(fù)雜 RFID 自動 ID 系統(tǒng)。 正如前面指出的那樣，大部分重新設(shè)計工作將是對閱讀器進行的。

圖 2 顯示了一個基本閱讀器的框圖。

圖 2： 使用 MCU 和閱讀器 IC 的 RFID 閱讀器

　　MCU 可以使用幾種流行串行接口中的任一種接口與較大的 EPCIS 數(shù)據(jù)庫通信，這些接口包括 UART 和 USB 串行通道。 閱讀器和標簽之間的通信由 MCU 負責(zé)。

　　系統(tǒng)依賴于存儲在 EEPROM 中的數(shù)據(jù)，并具有幾個基本特性：
　　· 每個標簽有一個唯一的串行編號，存儲在 EEPROM 塊 1 和 2 中。
　　· 兩個特殊功能控制代碼：電子商品防竊 (EAS) 和安靜模式，用于解決安全和開/關(guān)操作（存儲在塊 3 中）。
　　· 每個標簽擁有一個 8 位系列碼和一個 8 位應(yīng)用標識號（均存儲在塊 4 中）。 這兩個代碼對標簽并不是唯一的。
　　· 余下的存儲器用于用戶數(shù)據(jù)。
　　· 定義了 256 個時隙，標簽在其中的一個時隙中進行廣播

　　如果一個閱讀器尋找某個特定標簽或一組標簽，它可以使用系列碼和應(yīng)用標識號標準詢問位于其操作范圍內(nèi)的所有標簽。

　　閱讀器需要對標簽進行一系列詢問操作。 這種交互操作通常是對標簽中用戶數(shù)據(jù)的讀操作，但也有可能發(fā)生后續(xù)的寫操作?！?BR>
　　整個過程大體如下：
　　· 重復(fù)詢問標簽的操作，直到不再檢測到數(shù)據(jù)逋?，援€療饕蚜私飧澆段詰乃斜昵┪埂?BR>　　· 當符合所需系列和應(yīng)用代碼的標簽被找到時，閱讀器將通過整個排序過程為它們分配時隙。
　　· 不符合該系列/應(yīng)用代碼標準的標簽被指示停止廣播其串行編號。
　　· 為了使排序過程進行得盡可能快，采用了優(yōu)化算法。優(yōu)化是根據(jù)對完成該過程所需命令的平均數(shù)的仿真進行的。 使用一個32位 MCU 可以最好地完成這些算法的快速執(zhí)行。

　　所有這些合起來，對 MCU 構(gòu)成嚴重負荷。 標簽需要具有更高的性能。 使用 32 位 MCU 和大容量片上閃存，就可以實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)庫信息存儲，而不必與主機進行無休止的通信。

　　智能卡閱讀器數(shù)據(jù)加密和解密結(jié)構(gòu)

　　加密可通過軟件來實現(xiàn)，也可以通過硬件和軟件的組件來實現(xiàn)。 純軟件加密的主要優(yōu)點就是便宜。 另一方面，基于硬件/軟件的安全措施會更安全，性能也會有相當多的提升。

　　除了 8 位和 16 位系統(tǒng)處理軟件加密時的性能弱勢以外，對于內(nèi)存受限的設(shè)計來說，軟件使用的代碼也常常會顯得太多，并且?guī)缀蹩偸谴嬖诤箝T，從而造成安全風(fēng)險。 當系統(tǒng)設(shè)計者沒有其他選擇，只能通過增加外部存儲器來容納剩余代碼時，安全風(fēng)險就會進一步增加。 32 位 MCU 提供了足夠的片上內(nèi)存資源（512 K 字節(jié)閃存），而后續(xù)產(chǎn)品還將隨著時間流逝而不斷擴展。

　　設(shè)計團隊經(jīng)常想當然地以為硬件加密會造成令人無法接受的 BOM 成本和 IP 成本增加。 盡管 DES 和 Triple DES 等算法不受版權(quán)限制，不需要交納牌照費，但能夠改善其效率的那些實現(xiàn)方法卻是受專利保護的。

　　好消息是當使用帶有安全內(nèi)核和豐富 IP 庫的 32 位 MCU 時，設(shè)計者實際上可從兩個領(lǐng)域均受益。 一方面，32 位 MCU 擁有通過軟件來執(zhí)行加密算法所需的全部處理能力。 另一方面，具有優(yōu)化加密引擎的安全內(nèi)核可以提供所需的所有硬件安全性。 受專利保護的實現(xiàn)算法則是作為 MCU 的 IP 庫的一部分。

　　軟件可配置性對閱讀器/標簽系統(tǒng)來說特別重要。 例如，很快將進入市場的支持 EPCIS 的下一代智能標簽系統(tǒng)，將能夠在使用中改變其加密算法。

　　對于以前的智能標簽系統(tǒng)，系統(tǒng)智能的大部分將保留在閱讀器模塊中。 當閱讀器采用基于安全 ARM 內(nèi)核和適當 IP 的 32 位 MCU 標準元件來提供支持時，實現(xiàn)基于硬件的安全造成的額外成本將非常小。

　　使用 32 位元件如飛利浦的 LPC2000 系列元件的另一個優(yōu)勢是它們能夠提供額外的內(nèi)存容量。 通過在閱讀器的 MCU 中嵌入足夠內(nèi)存，可以消除通常在 8 位和 16 位設(shè)計中見到的 MCU 與內(nèi)存之間的外部總線。 沒有了這種總線，也就避免了一種安全威脅，因為從此黑客們將無法再監(jiān)測閱讀器的內(nèi)存總線。

圖 3： AES 加密和解密結(jié)構(gòu)

　　32 位 MCU在未來應(yīng)用中更具優(yōu)勢

　　在下一代智能標簽和非接觸式智能卡應(yīng)用中，32 位 MCU 具有明顯優(yōu)勢。 例如，它們能夠進行更多智能標簽的識別和排序處理，可以使用更多內(nèi)存，而不必像 8 位 MCU 那樣采用內(nèi)存換頁 (memory banking) 技術(shù)來實現(xiàn)。

　　當加密成為 RFID 閱讀器/標簽系統(tǒng)特性列表的一部分時，優(yōu)勢就更加明顯。 例如，DES 和 Triple DES 需要使用 32 位乘法器，而在基于 ARM7TDMI-S 的 MCU 如飛利浦半導(dǎo)體公司的 LPC213x 系列 MCU 上，乘法器早已內(nèi)置其中。

　　軟件執(zhí)行加密算法具有許多優(yōu)點，比如可以在使用中更改加密密鈅等。 但軟件執(zhí)行需要使用大量嵌入式內(nèi)存，而 32 位 MCU 可以提供這些內(nèi)存。 使用內(nèi)存映射 I/O 的能力使系統(tǒng)設(shè)計變得更加容易，32 位 MCU 上的 I/O 選項一般包括多種高位速率接口。

　　LPC213x 和 LPC214x 系列擁有豐富的外圍通信接口，包括用于板外通信的 UART 和 USB 串行通道，以及用于板上通信的 SPI 和 I2C 總線。

　　過去，32 位 MCU 的不足之處在于成本較高。 然而，自從飛利浦半導(dǎo)體公司等廠商引入基于標準 ARM 的 MCU 之后，價格已經(jīng)下降。 采用前沿半導(dǎo)體工藝進行大批量生產(chǎn)縮小了管芯尺寸，降低了 32 位標準規(guī)格 MCU 的價格。 當然，32 位 MCU 的成本仍然比最便宜的 8 位 MCU 要高，但系統(tǒng)設(shè)計者現(xiàn)在還是采用了可以提供他們所需性能的 32 位 MCU，并且能夠符合整個系統(tǒng)的材料預(yù)算。

　　RFID 和自動識別技術(shù)與安全性和保密性問題的融合，勢必將促進 32 位 MCU 在智能標簽和非接觸式智能卡市場的發(fā)展。

　　近期之內(nèi)，我們將看到它們?nèi)谌胫Ц?、庫存和銷售點系統(tǒng)中；而不久我們就會看到增強的技術(shù)或非接觸式智能卡大量進入電子護照等敏感領(lǐng)域。