使用32位MCU解決RFID智能標(biāo)簽/智能卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題

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

無(wú)線射頻識(shí)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(shí)別和個(gè)人數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shì)，包括： 1.) 可以存儲(chǔ)更多數(shù)據(jù)，2.) 可以在標(biāo)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(duì)智能標(biāo)簽的影響

　　在消費(fèi)層的部署中，下一代標(biāo)簽系統(tǒng)必須發(fā)展一種新的復(fù)雜級(jí)別，以應(yīng)對(duì)新應(yīng)用和全球互操作性所帶來(lái)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(biāo)識(shí)一樣，一個(gè)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(zhǎng)。它將作為聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的一個(gè)查找項(xiàng)，數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)必須能夠?qū)崟r(shí)訪問(wèn)。

　　在某些時(shí)候，標(biāo)簽必須與位于公司內(nèi)聯(lián)網(wǎng)之外的主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化、互操作性和安全性。

 

圖 1： 標(biāo)簽應(yīng)用貫穿從入庫(kù)到零售的整個(gè)過(guò)程

　 32 位 MCU 適于復(fù)雜RFID系統(tǒng)

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

圖 2 顯示了一個(gè)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(kù)通信，這些接口包括 UART 和 USB 串行通道。 閱讀器和標(biāo)簽之間的通信由 MCU 負(fù)責(zé)。

　　系統(tǒng)依賴于存儲(chǔ)在 EEPROM 中的數(shù)據(jù)，并具有幾個(gè)基本特性：
　　· 每個(gè)標(biāo)簽有一個(gè)唯一的串行編號(hào)，存儲(chǔ)在 EEPROM 塊 1 和 2 中。
　　· 兩個(gè)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(kāi)/關(guān)操作（存儲(chǔ)在塊 3 中）。
　　· 每個(gè)標(biāo)簽擁有一個(gè) 8 位系列碼和一個(gè) 8 位應(yīng)用標(biāo)識(shí)號(hào)（均存儲(chǔ)在塊 4 中）。 這兩個(gè)代碼對(duì)標(biāo)簽并不是唯一的。
　　· 余下的存儲(chǔ)器用于用戶數(shù)據(jù)。
　　· 定義了 256 個(gè)時(shí)隙，標(biāo)簽在其中的一個(gè)時(shí)隙中進(jìn)行廣播

　　如果一個(gè)閱讀器尋找某個(gè)特定標(biāo)簽或一組標(biāo)簽，它可以使用系列碼和應(yīng)用標(biāo)識(shí)號(hào)標(biāo)準(zhǔn)詢問(wèn)位于其操作范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽。

　　閱讀器需要對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行一系列詢問(wèn)操作。 這種交互操作通常是對(duì)標(biāo)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(xiě)操作。　

　　整個(gè)過(guò)程大體如下：
　　· 重復(fù)詢問(wèn)標(biāo)簽的操作，直到不再檢測(cè)到數(shù)據(jù)逋唬畝療饕蚜私飧澆段詰乃斜昵┪埂?BR>　　· 當(dāng)符合所需系列和應(yīng)用代碼的標(biāo)簽被找到時(shí)，閱讀器將通過(guò)整個(gè)排序過(guò)程為它們分配時(shí)隙。
　　· 不符合該系列/應(yīng)用代碼標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽被指示停止廣播其串行編號(hào)。
　　· 為了使排序過(guò)程進(jìn)行得盡可能快，采用了優(yōu)化算法。優(yōu)化是根據(jù)對(duì)完成該過(guò)程所需命令的平均數(shù)的仿真進(jìn)行的。 使用一個(gè)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(lái)，對(duì) MCU 構(gòu)成嚴(yán)重負(fù)荷。 標(biāo)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(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)信息存儲(chǔ)，而不必與主機(jī)進(jìn)行無(wú)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(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)硬件和軟件的組件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 純軟件加密的主要優(yōu)點(diǎn)就是便宜。 另一方面，基于硬件/軟件的安全措施會(huì)更安全，性能也會(huì)有相當(dāng)多的提升。

　　除了 8 位和 16 位系統(tǒng)處理軟件加密時(shí)的性能弱勢(shì)以外，對(duì)于內(nèi)存受限的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，軟件使用的代碼也常常會(huì)顯得太多，并且?guī)缀蹩偸谴嬖诤箝T(mén)，從而造成安全風(fēng)險(xiǎn)。 當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者沒(méi)有其他選擇，只能通過(guò)增加外部存儲(chǔ)器來(lái)容納剩余代碼時(shí)，安全風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)進(jìn)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(shí)間流逝而不斷擴(kuò)展。

　　設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)常想當(dāng)然地以為硬件加密會(huì)造成令人無(wú)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(fèi)，但能夠改善其效率的那些實(shí)現(xiàn)方法卻是受專利保護(hù)的。

　　好消息是當(dāng)使用帶有安全內(nèi)核和豐富 IP 庫(kù)的 32 位 MCU 時(shí)，設(shè)計(jì)者實(shí)際上可從兩個(gè)領(lǐng)域均受益。 一方面，32 位 MCU 擁有通過(guò)軟件來(lái)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(hù)的實(shí)現(xiàn)算法則是作為 MCU 的 IP 庫(kù)的一部分。

　　軟件可配置性對(duì)閱讀器/標(biāo)簽系統(tǒng)來(lái)說(shuō)特別重要。 例如，很快將進(jìn)入市場(chǎng)的支持 EPCIS 的下一代智能標(biāo)簽系統(tǒng)，將能夠在使用中改變其加密算法。

　　對(duì)于以前的智能標(biāo)簽系統(tǒng)，系統(tǒng)智能的大部分將保留在閱讀器模塊中。 當(dāng)閱讀器采用基于安全 ARM 內(nèi)核和適當(dāng) IP 的 32 位 MCU 標(biāo)準(zhǔn)元件來(lái)提供支持時(shí)，實(shí)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(gè)優(yōu)勢(shì)是它們能夠提供額外的內(nèi)存容量。 通過(guò)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(jì)中見(jiàn)到的 MCU 與內(nèi)存之間的外部總線。 沒(méi)有了這種總線，也就避免了一種安全威脅，因?yàn)閺拇撕诳蛡儗o(wú)法再監(jiān)測(cè)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(lái)應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)

　　在下一代智能標(biāo)簽和非接觸式智能卡應(yīng)用中，32 位 MCU 具有明顯優(yōu)勢(shì)。 例如，它們能夠進(jìn)行更多智能標(biāo)簽的識(shí)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(yè) (memory banking) 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　當(dāng)加密成為 RFID 閱讀器/標(biāo)簽系統(tǒng)特性列表的一部分時(shí)，優(yōu)勢(shì)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(diǎn)，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(jì)變得更加容易，32 位 MCU 上的 I/O 選項(xiàng)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(guò)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(biāo)準(zhǔn) ARM 的 MCU 之后，價(jià)格已經(jīng)下降。 采用前沿半導(dǎo)體工藝進(jìn)行大批量生產(chǎn)縮小了管芯尺寸，降低了 32 位標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格 MCU 的價(jià)格。 當(dāng)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(jì)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(gè)系統(tǒng)的材料預(yù)算。

　　RFID 和自動(dòng)識(shí)別技術(shù)與安全性和保密性問(wèn)題的融合，勢(shì)必將促進(jìn) 32 位 MCU 在智能標(biāo)簽和非接觸式智能卡市場(chǎng)的發(fā)展。

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