После нескольких лет работы по RFID тематике и разработки разнообразных считывателей для моделей транспондеров популярных стандартов типа Mifare, EMMARINE, TIRIS… меня часто начал озадачивать такой вопрос – буквально в последний год широкую популярность приобрели разного рода эмуляторы под тэги популярных протоколов и разнообразные копировальщики ключей/брелков.

Учитывая большое количеcтво доступных в продаже спец микросхем популярных протоколов RFID и дешевых ридеров, широкого распространения оборудования типа цифровых осцилографов, сниферов и спектроанализаторов, данный вопрос стал для многих разработчиков более актуальным. Тогда я решился сделать для одного из проектов протокол для обмена отличающийся от описанных выше стандартов.

Безусловно данная идея не решает глобальных проблем защищенности новой системы и может быть проанализирована другими разработчиками при наличии оборудования, однако суть в том, что все это не совпадает с существующими стандартами и все железки копировальщиков не позволят по-быстрому скопировать и воссоздать подобный алгоритм. Разумеется подобная система не преподносится тут не как полное решение проблем безопасности, а как опыт адаптации RFID под закрытую систему. Хорошим плюсом в вопросе безопасности среди прочих подобных беспроводных систем является сама технология низкочастотных RFID – она не позволяет считать тэги на большом расстоянии.

Пассивные тэги достаточно маломощны и нуждаются для своего питания в достаточно мощном генераторе считывателя, особенности распространения радиоволн на данных частотах также ограничивают пределы работы данной системы. Реальная дальность считывания транспондеров редко превышает 20см для 125 Кгц стандартов типа EmMarine, скажем стандарта EM4001, для других протоколов типа Mifare (13,56Мгц) может быть побольше (1,5 метра для iso15693). Можно добиться большего расстояния считывания для низкочастотных ридеров если увеличить размеры катушки и напряжение питания, соответственно и мощность ридера. Однако такие системы имеют громоздки и как правило их тяжело сделать портативными. Как правило, такие системы реализуются только стационарно – скажем для автомобилей.

Итак, теперь собственно по архитектуре нашей RFID системы. Для экспериментов был выбран контроллер atmel atmega8. Для целей изготовления транспондера это кажется несомненным излишеством. Однако в данном случае решалась первостепенная задача разработки нового интерфейса на готовой отладочной платке c atmega с последующим портированием данного кода на более дешевые контроллеры типа tiny13. Для транспондера алгоритм работы был построен на основе режима ШИМ генерации при помощи таймера T1 в режиме CTC с прерыванием и сбросом по совпадению с OCR1. Данные для передачи транспондера считываются из EEPROM при включении питания контроллера. Всего транспондер передает 10 байт. Содержимое EEPROM транспондера можно видеть на рисунке 1. Первый байт 0xE7 является обязательным заголовком пакета, так как его наличие проверяется в первую очередь при разборе пакета считывателем.

Первые 8 байт являются содержимым пакета транспондера, последние 2 байта содержат контрольную сумму CRC16 первых восьми байт пакета. Для примера в нашем транспондере были записаны такие данные – пакет 0xE7, 0x05, 0xE8, 0x93, 0x43, 0x7F, 0x20, 0xFF и соответственно контрольную сумму 0xF5 0xA8. Для изготовления собственного уникального транспондера нужно кроме первого байта 0xE7 записать семь следующих байт в EEPROM, после чего рассчитать контрольную сумму для первых восьми байт. После этого записать в EEPROM два байта CRC16 в конце пакета. Первый байт оставляем без изменений - 0xE7. При включении транспондера данные этих байт разбиваются по битам и кодируются соответствующей длиной импульса в соответствии со значением регистра OCR. Для передачи используются 2 частоты 2Кгц и 5Кгц для передачи логических “0” и “1”. Кроме того данные разделяются импульсами синхронизации – стартовые метки пакетов.

Рис.1 Содержимое пакета транспондера.

Рис.2 Дамп передачи транспондера на экране виртуального осцилографа.

Схему транспондера можно увидеть на рисунке 3. Частота задающего генератора 8Мгц. Питание контроллера +5В. Можно использовать контроллер mega8 с маркировкой “L” тогда питание можно осуществлять от литиевой батарейки 3в (параметры для такого чипа +2,7…. +3,5). Вместо данного транзистора можно использовать любой другой маломощный NPN транзистор. Катушка транспондера была намотана на оправке диаметром 50мм проводом 0,22мм и насчитывает 50 витков. На данный момент транспондер сделан активным - с внешним питанием. На следующем этапе планируется сделать пассивный вариант транспондера, что достаточно просто – сделать развязку для питания от данной катушки, добавить диоды моста выпрямителя и стабилизатор.

Рис.3 Схема транспондера.

Теперь поговорим о схеме считывателя для данного транспондера. Схема была адаптирована на основе раннее использованного считывателя для карт EMMARINE. Часть схемы с генератором на 74hc4060 можно на данном этапе смело удалять, так как пока мы используем активную метку. Однако эта часть схемы нам понадобится в дальнейшем, когда мы будем делать пассивную метку и нам потребуется получить питание от считывателя. В остальном схема не имеет существенных отличий от схемы считывателя для EMMARINE: пассивный пиковый детектор – фильтр – усилитель – компаратор. Схема имеет максимально возможную простоту и позволяет считывать данные транспондера на расстоянии 10-12см при хорошо настроенных контурах.

Можно еще дальше упрощать схему оставив только детектор и фильтр, поставить один транзистор на выходе который будет играть роль компаратора, но я не стал так делать. На выходе мы получаем двоичный сигнал прямоугольной формы в соответствии с кодированными длительностями импульсов передаваемых транспондером. Допустимые отклонения номиналов элементов при котором схема работоспособна 5-10%. Питание контроллера и операционника +5В. Частота кварца задающего генератора контроллера 12Мгц. Выход компаратора на LM358 подключен к ножке внешнего прерывания контроллера INT0. В программе контроллера настроен вызов прерывания по нарастающему фронту на ножке внешнего прерывания INT0. В обработчике прерывания происходит проверка синхронизирующих импульсов а затем проверка заголовка пакета и запись содержимого в буфер контроллера. Данные считанных пакетов передаются по интерфейсу RS232 на ПК. Для настройки терминалки указываем следующие параметры: скорость 57.6Kb/s, 8 бит данных, 1стоп бит, без контроля четности.

При приеме пакета контроллер рассчитывает контрольную сумму принятых байт и передает данные в терминалку (пакет и CRC). В случае совпадения контрольных сумм расчитанной контроллером и принятой в пакете выводится сигнал на ножку PORTB.0 (14) контроллера (LED1 на схеме). Можно подключить в данную точку пищалку со встроенным генератором или светодиод через сопротивление. При считывании корректного ключа контроллер запрещает внешние прерывания и делает задержку 1с перед следующим считыванием. Предусмотрен также режим работы данного считывателя в качестве основы RFID замка. Для этого необходимо в EEPROM контроллера считывателя записать полностью байты дампа транспондера - 10 байт. Данные пишутся в EEPROM считывателя точно также, как в EEPROM транспондера. В данном случае при считывании очередного транспондера и совпадении его с записанным в EEPROM считывателя выводится сигнал на ножку PORTB.1 (15) контроллера (LED2 на схеме). В данную точку можно подключить светодиод через сопротивление или выходной ключ (транзистор) на реле исполнительного устройства. Теперь мы получили RFID замок под конкретный ключ и обычный считыватель в одном флаконе.

Рис.4 Схема считывателя RFID меток. (увелчить схему)

Итак, подведем промежуточные итоги. Изготовлен собственный ридер и транспондер под данный считыватель. Мы защитили свое оборудование от посторонних устройств работающих с популярными протоколами RFID. Следующим шагом будет изготовление пассивной метки для нашего считывателя как делают известные производители промышленных транспондеров и портирование кода оборудования на более дешевые модели контроллеров. В архиве к статье прилагаю прошивки для транспондера и считывателя.

Скачать прошивку:
У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера

Характеристики:
Частота метки: 125 кГц
Источник питания: +5 В постоянного тока
Выводимые данные: последовательно, 2 400 б/с 8N1. Выдается 10-цифровой серийный номер метки.

Рисунок 1: Рисунок 2:

Введение

Данный RFID-считыватель работает с метками частотой 125 кГц в картах размером с кредитную карточку и 125 кГц брелоках (Рисунок 1). При этом используется протокол EM4100 . Когда вы приближаете RFID-метку на близкое расстояние (4-5 см) к катушке считывателя (L1), считыватель считает 10-цифровой уникальный идентификатор метки и передаст его как ASCII символы через последовательных выход со скоростью 2 400 бит в секунду.

В схему входит сигнализатор, который издает прерывистые звуковые сигналы, когда метка успешно считывается.

Описание

Я попытаюсь в нескольких словах объяснить, как работает RFID-считыватель. Контроллер ATtiny13 используется функцию PWM для создания прямоугольного импульсного сигнала частотой 125 кГц. Данный сигнал выходит с вывода PB0. По заднему фронту импульса на выводе PB0 (Логический ноль "0"), транзистор T1 закрыт. Таким образом, катушка L1 возбуждается через резистор R1 (номиналом 100 Ом) от напряжения +5V. Когда импульс на выводе PB0 растет (Логическая единица "1") транзистор T1 открывается и один из выводов катушки L1 соединяется с землей GND. К катушке L1 параллельно подсоединяется конденсатор C2, создавая LC генератор. Данные переключения катушки L1 от логической единицы к логическому нулю происходят 125 000 раз в секунду (125 кГц).

Рисунок 3: Колебания сигнала частотой 125 кГц, которые передаются от катушки L1 и конденсатора C2.

RFID-считыватель передает энергию к транспондеру (метке) путем создания электромагнитного поля. Передача энергии между RFID-считывателем и меткой происходит на том же принципе, что и работа трансформаторов, преобразующих напряжение 220 В сети переменного тока в 12 В переменного тока, благодаря магнитному полю, которое создает первичная обмотка. В нашем случае первичная обмотка – это RFID-считыватель, а вторичная обмотка – это RFID-метка. Разница лишь в том, что в схеме RFID-считывателя нет стального магнитопровода между двумя катушками (одна катушка располагается на стороне считывателя, а другая катушка в RFID-метке). Компоненты D1 ,C3 и R5 составляют демодулятор AM сигнала (AM = Амплитудная модуляция).

Передача данных между метками и считывателем.

Как метки передают данные в считыватель? Очень просто! Когда метка хочет передать логический ноль "0" в считыватель, она прилагает "нагрузку" к своей линии источника питания для получения большей энергии из считывателя. Это вызывает небольшое падение напряжения на стороне RFID-считывателя. Этот уровень напряжения является логическим нулем "0" (смотрите рисунок 4). Одновременно с передачей считывателем сигнала частотой 125 кГц, он считывает напряжение передаваемого сигнала через фильтры D1, C3 и R5, C1. Когда метка снижает напряжение, как было сказано ранее, считыватель считывает данное падение напряжение как логический ноль "0". Если метка не требует дополнительной энергии, она не вызывает падение напряжения. Это соответствует логической единице "1" (Рисунок 3). Длина "единиц" или "нулей" зависит от скорости передачи последовательной передачи данных. Например, для несущей частоты 125 кГц мы не получаем скорость передачи данных 125 000 бит в секунду! Передача данных от метки в считыватель изменяется от 500 до 8 000 бит в секунду.

Рисунок 4: Снимок экрана передаваемых данных...10101... Рисунок 5

• 125 кГц RFID-метка передает 64 бита.
  1. Первые 9 бит – это стартовые биты передачи (всегда "1").
  2. Следующие 4 бита – это младшие биты идентификатора пользователя (D00,..., D03).
  3. Следующий 1 бит (P0) – это бит контроля четности предыдущих 4 бит.
  4. Следующие 4 бита – это старшие биты идентификатора пользователя (D04,..., D07).
  5. Следующий 1 бит (P1) – это бит контроля четности предыдущих 4 бит.
  6. Следующие 4 бита – это первая часть 32-битного серийного номера метки (D08,..., D11).
  7. Бит PC0 – это бит контроля четности битов D00, D04, D08, D12, D16, D20, D24, D28, D32 и D36 (биты располагаются в одной колонке).
  8. Биты PC1, PC2, PC3 представляют собой биты четности следующих трех колонок.

Верификация данных выполняется с помощью контроллера ATtiny13, путем вычисления бита контроля четности каждой строки и каждой колонки с битами четности, которые получены в передаваемых данных RFID-метки.

Изготовление катушки

Катушка имеет диаметр 120 мм и 58 витков. На всякий случай, оставьте немного медного провода для дополнительных 2-3 витков (всего 60-61 витков). Для достижения максимального расстояния между RFID-меткой и считывателем (между меткой и антенной-катушкой считывателя) вам необходимо откалибровать катушку. Если подключить осциллограф в общую точку соединения R1 и L1 вы увидите место, помеченное красным кружком на рисунке слева. Это означает, что катушка L1 должна быть откалибрована.

Как откалибровать катушку L1?

Включите RFID-считыватель:

1. После подключения щупа осциллографа в общую точку R1, L1 попытайтесь медленно удалить или добавить немного медной проволоки (увеличить или уменьшить количество витков) катушки, пока шум не будет устранен.

2. Если вы не имеете осциллограф, тогда попытайтесь переместить RFID-метку близко к катушке L1, пока метка не будет распознана считывателем. Если ваша метка будет обнаружена на расстоянии 2 см от катушки L1, тогда попытайтесь добавить несколько витков медной проволоки для катушки L1, чтобы убедиться в обнаружении метки на более длинном расстоянии (например, 3 см).

Попытайтесь выполнить те же действия, удалив витки медной проволоки с катушки L1. Таким образом, вы получите максимальный диапазон расстояния между метками и катушкой L1.

Я изготовил катушку L1 диаметром 120 мм с 58 витками, но впоследствии захотел сделать ее более меньшего размера. Поэтому я согнул катушку пополам так, чтобы она стала похожа на "цифру восемь" (по форме напоминает восьмерку) и выполнил повторную калибровку. Таким образом, катушка L1 на рисунках фактически имеет диаметр менее 120 мм.

Катушка L1 на рисунке имеет диаметр 60 мм и почти 116 витков.

Программирование ATtiny13

Набор битов конфигурации (фьюзов) для ATtiny13: High Fuse: 0x1F и Low Fuse: 0x7A . Данный набор настроек ATtiny13 работает с внутренним генератором частотой 9.6 МГц. Функция деления на 8 системного тактового генератора отключена.

Прошивка версии v1.00 занимает 1024 байт и занимает 100% Flash-памяти контроллера ATtiny13. Возможно переход на любой другой 8-выводный AVR, такой как ATtiny85, будет хорошей идеей, если вы захотите добавить некоторые функции в исходный программный код.

Проект спроектирован: Вассилис Серасидис (Vassilis Serasidis ) 18 августа 2012 года
Язык программирования: С
Среда разработки:
Микроконтроллер: ATtiny13 (внутренний генератор 9.6 МГц)

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
IC1	МК AVR 8-бит	ATtiny13	1			В блокнот
IC2	Операционный усилитель	LM358	1			В блокнот
IC3	Линейный регулятор	LM78L05	1			В блокнот
T1	MOSFET-транзистор	BS170	1			В блокнот
T2	Биполярный транзистор	BC547B	1			В блокнот
D1	Выпрямительный диод	1N4148	1			В блокнот
C1	Конденсатор	12 нФ	1			В блокнот
C2	Конденсатор	1.5 нФ	1			В блокнот
C3	Конденсатор	4.7 нФ	1			В блокнот
C4, C5	Электролитический конденсатор	100 мкФ	2			В блокнот
C6	Конденсатор	100 нФ	1			В блокнот
R1	Резистор	100 Ом	1			В блокнот
R2	Резистор	1 кОм	1			В блокнот
R3	Резистор	390 кОм	1			В блокнот
R4, R8	Резистор	33 кОм	2			В блокнот
R5	Резистор	270 кОм	1			В блокнот
R6	Резистор

Метка EM4100 хранит 64 бита данных, значит, конструкция должна содержать 64-битный сдвиговый регистр, составленный из восьми 8-битных регистров 74HC165. Регистр перезагружается после каждых 64 сдвигов, чтобы сбросить данные и начать сначала. Данные на входах регистра следующие:

• Паттерн синхронизации: девять единиц
• Идентификатор производителя/версии: 2 блока по 5 бит, из которых 4 бита - данные, а пятый - четность
• Уникальный идентификатор: 8 блоков по 5 бит, из которых 4 бита - данные, а пятый - четность
• Контрольная сумма: 4 бита четности, подсчитанные по столбцам
• Стоп-бит: «0»

Даже метки с шифрованием уязвимы для множества атак. Кроме того, становится все легче эмулировать метки на смартфонах с поддержкой NFC (которые обычно работают на 13,56 МГц). Просто правильно напишите приложение для модуляции поля, и вы сможете делать все, что хотите.

В качестве стандартной отмазки напомню, что автор (И переводчик! - Прим. перев. ) не несет никакой ответствености за последствия использования информации из данной статьи. Читатель должен сам отвечать за все свои действия.

Корпус

Иногда очень везет. Красивый корпус не помешал бы именно сейчас, когда прототип закончен, а печатная плата заказана. И именно в это время Флеминг закончил собирать и запустил станок лазерной резки OSAA PhotonSaw . После года работы над проектом лазер готов вырезать свои первые детали. Флемминг и Рун делают последние юстировки и ставят на место алюминиевую крышку лазерного шкафа. Вы можете себе представить, как все мы были рады видеть, что эта штука работает.

С работающим станком мы получили возможность протестировать наш проект в реальной жизни. Корпус для нашей RFID-метки сделали из 2-миллиметрового огрстекла. Этот корпус - первый объект, сделанный на PhotonSaw, да!

Родилась идея расположить катушку на внешней стороне корпуса. Сперва было решено использовать половину высоты корпуса, но это не работало на практике (дополнительные отверстия в длинных сторонах, таким образом, не используются). Катушка просто великолепно разместилась по периметру всего корпуса, хотя у меня были сомнения, не будет ли прямоугольная обмотка (105x55 мм) слишком большой для нормальной электромагнитной связи.

Тестовая катушка была намотана, без всяких расчетов, проводом 0,4 мм в 66 витков. И, очевидно, нам опять повезло, потому что катушка получилась точно такой как надо, индуктивностью 645 мкГн, с подключенной меткой давая резонансную частоту 125,2 кГц. Тест на дверном считывателе показал, что прототип работает просто прекрасно с этой катушкой.

С катушкой снаружи корпуса толщину последнего можно уменьшить. Внутренняя толщина теперь зависит только от высоты деталей на плате, и с учетом толщины платы должна составлять около 6 мм. Кроме того, было бы хорошо добавить гравировку. Флемминг предложил скруглить боковые стороны корпуса из эстетических и эргономических соображений. Изогнутый корпус также будет лучше защищать боковые стороны катушки, потому что там, где нет сильного натяжения, витки провода любят вылезать наружу.

Станок PhotonSaw еще не совсем в нормальном состоянии: гравировка на верхней крышке значительно съехала. Необходимо его окончательно отладить перед изготовлением финальной версии корпуса. Изогнутые контуры также подверглись ошибке расчета в программном обеспечении, так как луч не вернулся в начальное положение после прохода замкнутой траектории. Но во всяком случае, кривые выглядят действительно гладкими.

Сборка печатной платы

Прибыла заказанная плата:

Сборка была не очень сложной. На плату по трафарету нанесли паяльную пасту, разместили все детали, а затем запаяли в самодельной печи.

Через разделительную емкость (47 пФ имеют сопротивление примерно 27 кОм на частоте 125 кГц) и защитные диоды ток поступает на шины питания. Энергии, поступающей с катушки, хватает на поддержание напряжения питания около 1 В. Ток может достигать 250-500 мкА. Удивительно, но микросхемы 74HC, похоже, работают при таком питании. К сожалению, при таком напряжении происходят довольно странные вещи. Микросхемы 74HC имеют внутреннюю схему сброса, и нужно убедиться, что она срабатывает. Обратите внимание, что отключение защитных диодов не помогает. На входах микросхем есть внутренние защитные диоды, которые в этом случае открываются и выполняют ту же работу.

Сброс по питанию срабатывает только если напряжение питания падает ниже определенного уровня в течение некоторого периода времени. Если напряжение остается слишком высоким, то внутренняя логика может запутаться, потому что некоторые ее части могут быть в неопределенном состоянии, в то время как другие работают должным образом. Необходим внутренний сброс для установки всех микросхем в согласованное состояние. Таким образом, схема будет неустойчиво работать при очень низком напряжении питания.

Симптомы наблюдались следующие: метка работает некоторое время, при этом посылая корректные данные. Если катушку убрать от считывателя, а затем вернуть обратно, можете делать ставки, выключится ли при этом метка. Иногда срабатывает, иногда - нет. Отключение ФАПЧ ухудшает ситуацию. Низкое энергопотребление приводит к тому, что ридер время от времени будет принимать данные от выключенной метки. Вот что значит «энергоэффективная система».

Существует два решения: 1) уменьшить конденсатор в цепи восстановления тактового сигнала до 15 пФ, и 2) включить между питанием и землей резистор 22-100 кОм для сброса лишней энергии. Второй метод приводит к росту утечек во время работы и на самом деле не требуется при уменьшении емкости конденсатора. Тем не менее, он предусмотрен как опция, и это все равно лучше, чем неопределенное состояние микросхем.

Модуляция током или напряжением

Модулятор принес свежую порцию головной боли. Модуляция полностью исчезала при помещении катушки на определенном расстоянии от считывателя. Также это могло случиться при перемещении катушки к ридеру или от него.

Причина оказалась в схеме модулятора. МОП-транзисторы замыкают катушку на резистор определенного сопротивления. Однако, если потребление энергии из контура велико, сопротивление модулятора значительно выше, чем сопротивление цепей питания. Это приводит к тому, что глубина модуляции зависит от потребляемого тока, а это не очень хорошо. Ситуацию ухудшил выбор ограничительного стабилитрона на более низкое напряжение, чем в прототипе.

Было принято решение перевести модулятор из режима модуляции напряжением в режим модуляции током. Для первого режима резистор находился в цепи стока, а теперь он включен между истоком и землей. На этом резисторе будет падать напряжение затвор-исток, пока не останется значение чуть выше порога открывания транзистора (0,9-1,1 В), которое переведет транзистор в линейный режим. Теперь ток через транзистор будет стабильным, независимо от напряжения на стоке.

Тестирование на прототипе показало, что модуляция током работает очень хорошо. Дешевый безымянный считыватель больше не сбоит (ну ладно, может быть один раз на сотню или около того). Можно предположить, что это изменение будет работать чудесно и на других ридерах, и метка теперь, вероятно, сможет работать на большинстве из них.

Законченная версия 1

Можно заметить внесенные изменения на печатной плате. У меня не было 15 пФ SMD-конденсатора, пришлось впаять обычный, с ногами. Модулятор оброс дополнительными резисторами на истоках транзисторов. В целом приемлемо для первой версии.

(картинки кликабельны)

Видео-демонстрация

Заключение

Вы можете подумать, что этот проект, собранный на логике 7400, можно отнести к ретро-схемотехнике, но это не совсем так. Во-первых, современное семейство 74HC не такое уж и старое. Во-вторых, низкопотребляющие схемы всегда актуальны. В-третьих, микросхемы одиночных логических элементов (такие, как использованный триггер Шмитта) часто используются в современных разработках. Часто забывают, что развитие технологий не прекращается и для старых семейств микросхем. Они просто стали менее заметны на фоне общего разнообразия.

Аналоговая часть оказалась сложнее в разработке, чем цифровая. Частично из-за отсутствия спецификаций, но в основном, за счет множества компромиссов, необходимых для соответствия параметрам, и непредвиденных побочных эффектов. Цифровые конструкции имеют относительно мало вариантов, в то время как аналоговые обычно требуют баланса между различными (и часто противоположными) критериями.

Я должен признаться, что микросхемы 74HC сделаны очень, очень хорошо. Разработчики знали, что они делают, и достигли очень низкого энергопотребления. Сперва у меня были некоторые сомнения, сможет ли метка работать от пассивного питания, но после прочтения спецификаций это осталось лишь вопросом правильной схемотехники. Хотя, есть еще возможности для оптимизации различных частей метки.

Теперь посмотрим, как этот проект покажет себя на конкурсе 7400 2012 года. Подача заявок на конкурс заканчивается 31 ноября. Пожелаем автору удачи! - Прим. перев.

Теги:

• RFID
• 7400 Contest
• overengineering
• логические схемы
• грабли повсюду

Добавить метки Метка EM4100 хранит 64 бита данных, значит, конструкция должна содержать 64-битный сдвиговый регистр, составленный из восьми 8-битных регистров 74HC165. Регистр перезагружается после каждых 64 сдвигов, чтобы сбросить данные и начать сначала. Данные на входах регистра следующие:

• Паттерн синхронизации: девять единиц
• Идентификатор производителя/версии: 2 блока по 5 бит, из которых 4 бита - данные, а пятый - четность
• Уникальный идентификатор: 8 блоков по 5 бит, из которых 4 бита - данные, а пятый - четность
• Контрольная сумма: 4 бита четности, подсчитанные по столбцам
• Стоп-бит: «0»

Даже метки с шифрованием уязвимы для множества атак. Кроме того, становится все легче эмулировать метки на смартфонах с поддержкой NFC (которые обычно работают на 13,56 МГц). Просто правильно напишите приложение для модуляции поля, и вы сможете делать все, что хотите.

В качестве стандартной отмазки напомню, что автор (И переводчик! - Прим. перев. ) не несет никакой ответствености за последствия использования информации из данной статьи. Читатель должен сам отвечать за все свои действия.

Корпус

Иногда очень везет. Красивый корпус не помешал бы именно сейчас, когда прототип закончен, а печатная плата заказана. И именно в это время Флеминг закончил собирать и запустил станок лазерной резки OSAA PhotonSaw . После года работы над проектом лазер готов вырезать свои первые детали. Флемминг и Рун делают последние юстировки и ставят на место алюминиевую крышку лазерного шкафа. Вы можете себе представить, как все мы были рады видеть, что эта штука работает.

С работающим станком мы получили возможность протестировать наш проект в реальной жизни. Корпус для нашей RFID-метки сделали из 2-миллиметрового огрстекла. Этот корпус - первый объект, сделанный на PhotonSaw, да!

Родилась идея расположить катушку на внешней стороне корпуса. Сперва было решено использовать половину высоты корпуса, но это не работало на практике (дополнительные отверстия в длинных сторонах, таким образом, не используются). Катушка просто великолепно разместилась по периметру всего корпуса, хотя у меня были сомнения, не будет ли прямоугольная обмотка (105x55 мм) слишком большой для нормальной электромагнитной связи.

Тестовая катушка была намотана, без всяких расчетов, проводом 0,4 мм в 66 витков. И, очевидно, нам опять повезло, потому что катушка получилась точно такой как надо, индуктивностью 645 мкГн, с подключенной меткой давая резонансную частоту 125,2 кГц. Тест на дверном считывателе показал, что прототип работает просто прекрасно с этой катушкой.

С катушкой снаружи корпуса толщину последнего можно уменьшить. Внутренняя толщина теперь зависит только от высоты деталей на плате, и с учетом толщины платы должна составлять около 6 мм. Кроме того, было бы хорошо добавить гравировку. Флемминг предложил скруглить боковые стороны корпуса из эстетических и эргономических соображений. Изогнутый корпус также будет лучше защищать боковые стороны катушки, потому что там, где нет сильного натяжения, витки провода любят вылезать наружу.

Станок PhotonSaw еще не совсем в нормальном состоянии: гравировка на верхней крышке значительно съехала. Необходимо его окончательно отладить перед изготовлением финальной версии корпуса. Изогнутые контуры также подверглись ошибке расчета в программном обеспечении, так как луч не вернулся в начальное положение после прохода замкнутой траектории. Но во всяком случае, кривые выглядят действительно гладкими.

Сборка печатной платы

Прибыла заказанная плата:

Сборка была не очень сложной. На плату по трафарету нанесли паяльную пасту, разместили все детали, а затем запаяли в самодельной печи.

Через разделительную емкость (47 пФ имеют сопротивление примерно 27 кОм на частоте 125 кГц) и защитные диоды ток поступает на шины питания. Энергии, поступающей с катушки, хватает на поддержание напряжения питания около 1 В. Ток может достигать 250-500 мкА. Удивительно, но микросхемы 74HC, похоже, работают при таком питании. К сожалению, при таком напряжении происходят довольно странные вещи. Микросхемы 74HC имеют внутреннюю схему сброса, и нужно убедиться, что она срабатывает. Обратите внимание, что отключение защитных диодов не помогает. На входах микросхем есть внутренние защитные диоды, которые в этом случае открываются и выполняют ту же работу.

Сброс по питанию срабатывает только если напряжение питания падает ниже определенного уровня в течение некоторого периода времени. Если напряжение остается слишком высоким, то внутренняя логика может запутаться, потому что некоторые ее части могут быть в неопределенном состоянии, в то время как другие работают должным образом. Необходим внутренний сброс для установки всех микросхем в согласованное состояние. Таким образом, схема будет неустойчиво работать при очень низком напряжении питания.

Симптомы наблюдались следующие: метка работает некоторое время, при этом посылая корректные данные. Если катушку убрать от считывателя, а затем вернуть обратно, можете делать ставки, выключится ли при этом метка. Иногда срабатывает, иногда - нет. Отключение ФАПЧ ухудшает ситуацию. Низкое энергопотребление приводит к тому, что ридер время от времени будет принимать данные от выключенной метки. Вот что значит «энергоэффективная система».

Существует два решения: 1) уменьшить конденсатор в цепи восстановления тактового сигнала до 15 пФ, и 2) включить между питанием и землей резистор 22-100 кОм для сброса лишней энергии. Второй метод приводит к росту утечек во время работы и на самом деле не требуется при уменьшении емкости конденсатора. Тем не менее, он предусмотрен как опция, и это все равно лучше, чем неопределенное состояние микросхем.

Модуляция током или напряжением

Модулятор принес свежую порцию головной боли. Модуляция полностью исчезала при помещении катушки на определенном расстоянии от считывателя. Также это могло случиться при перемещении катушки к ридеру или от него.

Причина оказалась в схеме модулятора. МОП-транзисторы замыкают катушку на резистор определенного сопротивления. Однако, если потребление энергии из контура велико, сопротивление модулятора значительно выше, чем сопротивление цепей питания. Это приводит к тому, что глубина модуляции зависит от потребляемого тока, а это не очень хорошо. Ситуацию ухудшил выбор ограничительного стабилитрона на более низкое напряжение, чем в прототипе.

Было принято решение перевести модулятор из режима модуляции напряжением в режим модуляции током. Для первого режима резистор находился в цепи стока, а теперь он включен между истоком и землей. На этом резисторе будет падать напряжение затвор-исток, пока не останется значение чуть выше порога открывания транзистора (0,9-1,1 В), которое переведет транзистор в линейный режим. Теперь ток через транзистор будет стабильным, независимо от напряжения на стоке.

Тестирование на прототипе показало, что модуляция током работает очень хорошо. Дешевый безымянный считыватель больше не сбоит (ну ладно, может быть один раз на сотню или около того). Можно предположить, что это изменение будет работать чудесно и на других ридерах, и метка теперь, вероятно, сможет работать на большинстве из них.

Законченная версия 1

Можно заметить внесенные изменения на печатной плате. У меня не было 15 пФ SMD-конденсатора, пришлось впаять обычный, с ногами. Модулятор оброс дополнительными резисторами на истоках транзисторов. В целом приемлемо для первой версии.

(картинки кликабельны)

Видео-демонстрация

Заключение

Вы можете подумать, что этот проект, собранный на логике 7400, можно отнести к ретро-схемотехнике, но это не совсем так. Во-первых, современное семейство 74HC не такое уж и старое. Во-вторых, низкопотребляющие схемы всегда актуальны. В-третьих, микросхемы одиночных логических элементов (такие, как использованный триггер Шмитта) часто используются в современных разработках. Часто забывают, что развитие технологий не прекращается и для старых семейств микросхем. Они просто стали менее заметны на фоне общего разнообразия.

Аналоговая часть оказалась сложнее в разработке, чем цифровая. Частично из-за отсутствия спецификаций, но в основном, за счет множества компромиссов, необходимых для соответствия параметрам, и непредвиденных побочных эффектов. Цифровые конструкции имеют относительно мало вариантов, в то время как аналоговые обычно требуют баланса между различными (и часто противоположными) критериями.

Я должен признаться, что микросхемы 74HC сделаны очень, очень хорошо. Разработчики знали, что они делают, и достигли очень низкого энергопотребления. Сперва у меня были некоторые сомнения, сможет ли метка работать от пассивного питания, но после прочтения спецификаций это осталось лишь вопросом правильной схемотехники. Хотя, есть еще возможности для оптимизации различных частей метки.

Теперь посмотрим, как этот проект покажет себя на конкурсе 7400 2012 года. Подача заявок на конкурс заканчивается 31 ноября. Пожелаем автору удачи! - Прим. перев.

Теги: Добавить метки

Сегодня урок о том как использовать RFID-ридер с Arduino для создания простой системы блокировки, простыми словами - RFID-замок.

RFID (англ. Radio Frequency IDentification, радиочастотная идентификация) - способ автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках. Любая RFID-система состоит из считывающего устройства (считыватель, ридер или интеррогатор) и транспондера (он же RFID-метка, иногда также применяется термин RFID-тег).

В уроке будет использоваться RFID-метка с Arduino. Устройство читает уникальный идентификатор (UID) каждого тега RFID, который мы размещается рядом со считывателем, и отображает его на OLED-дисплее. Если UID тега равен предопределенному значению, которое хранится в памяти Arduino, тогда на дисплее мы увидим сообщение «Unlocked» (англ., разблокировано). Если уникальный идентификатор не равен предопределенному значению, сообщение "Unlocked" не появится - см. фото ниже.

Замок закрыт

Замок открыт

Детали, необходимые для создания этого проекта:

• RFID-ридер RC522
• OLED-дисплей
• Макетная плата
• Провода

Дополнительные детали:

• Аккумулятор (powerbank)

Общая стоимость комплектующих проекта составила примерно 15 долларов.

Шаг 2: RFID-считыватель RC522

В каждой метке RFID есть небольшой чип (на фото белая карточка). Если направить фонарик на эту RFID-карту, можно увидеть маленький чип и катушку, которая его окружает. У этого чипа нет батареи для получения мощности. Он получает питание от считывателя беспроводным образом используя эту большую катушку. Можно прочитать RFID-карту, подобную этой, с расстояния до 20 мм.

Тот же чип существует и в тегах RFID-брелка.

Каждый тег RFID имеет уникальный номер, который идентифицирует его. Это UID, который показывается на OLED-дисплее. За исключением этого UID, каждый тег может хранить данные. В этом типе карт можно хранить до 1 тысячи данных. Впечатляет, не так ли? Эта функция не будет использована сегодня. Сегодня все, что интересует, - это идентификация конкретной карты по ее UID. Стоимость RFID-считывателя и этих двух карт RFID составляет около 4 долларов США.

Шаг 3: OLED-дисплей

В уроке используется OLED-монитор 0.96" 128x64 I2C.

Это очень хороший дисплей для использования с Arduino. Это дисплей OLED и это означает, что он имеет низкое энергопотребление. Потребляемая мощность этого дисплея составляет около 10-20 мА, и это зависит от количества пикселей.

Дисплей имеет разрешение 128 на 64 пикселя и имеет крошечный размер. Существует два варианта отображения. Один из них монохромный, а другой, как тот, который использован в уроке, может отображать два цвета: желтый и синий. Верхняя часть экрана может быть только желтой, а нижняя часть - синей.

Этот OLED-дисплей очень яркий и у него отличная и очень приятная библиотека, которую разработала компания Adafruit для этого дисплея. В дополнение к этому дисплей использует интерфейс I2C, поэтому соединение с Arduino невероятно простое.

Вам нужно только подключить два провода, за исключением Vcc и GND. Если вы новичок в Arduino и хотите использовать недорогой и простой дисплей в вашим проекте, начните с этого.

Шаг 4: Соединяем все детали