ISO_RFID_prakt_NTM1_HS2008

ZHAW, NTM1, HS2008, 1(9)
Praktikum 4: ISO-15693 RFID-Systeme
1. Ziele
Vor vielen Jahren hat die Einführung der Barcode-Etiketten eine Revolution bei den
Identifikationssystemen ausgelöst. Heute stehen wir vor der Ablösung der Barcode-Systeme
durch Hochfrequenz-Identifikationssysteme (RFID-Systeme), mit denen die Funktionalität
nochmals um ein Vielfaches erhöht werden kann.
In diesem Praktikumsversuch soll ein ISO/IEC-15693 kompatibles RFID-System untersucht
werden, wie es in vielen kontaktlosen ID1-Chipkarten-Systemen in der Zugangs-kontrolle,
beim elektronischen Fahrschein, zur Kennzeichnung von Waren aller Art mit Smart Labels
usw. eingesetzt wird.
Ein ISO/IEC-15693 RFID-System besteht aus einem Lesegerät (Reader), im Standard
„Vicinity Coupling Device bzw. VCD“ genannt, und passiven Transpondern (TAGs), im
Standard „Vicinity Integrated Circuit Cards bzw. VICCs“ genannt, siehe Abbildung 1.
Energie,
Takt, Daten
Mod
~
Chip
13.56 MHz
Demod
Reader (VCD)
Daten
Transponder (VICC)
Abbildung 1: ISO/IEC-15693 RFID-Systemkomponenten.
Der Reader (VCD) regt einen oder mehrere Transponder (VICC) im Versorgungsbereich mit
einem magnetischen Feld auf 13.56 MHz an. Sobald die induzierte (und gleichgerichtete)
Spannung den Transponder-Chip versorgt, ist der Transponder im Ready-Status und kann
Befehle vom Reader entgegennehmen und, wenn notwendig, antworten.
2. Lektüre vor dem Praktikum
Studieren sie die notwendigen Unterlagen (soweit auf www.zhaw.ch/~kunr vorhanden)
etwas, so dass sie sich am Praktikums-Nachmittag rasch zu Recht finden.
3. Warm-up
Wo haben sie schon mit RFID im täglichen Leben und Freizeit zu tun gehabt? Welche
Reichweiten haben sie dabei in Erinnerung?
Schauen sie sich die Anhänge A-D an. In welchem Bereich befindet man sich mit den 13.56
MHz RFID Etiketten? Welcher Kopplungsterm dominiert? Wie werden die beiden Antennen
also optimiert (Vergleichbare Anwendung aus dem täglichen Leben)?
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4. Praktischer Teil
Die folgende Aufgabenstellung ist in 3 Teile unterteilt. Im ersten Teil sollen grundlegende
Zusammenhänge bei der induktiven Kopplung losgelöst vom ISO/IEC-15693 RFID-System
analysiert werden. Im zweiten Teil sollen Modulation und Framing des ISO/IEC-15693 RFIDSystems untersucht werden. Im dritten fakultativen Teil schliesslich soll das
Übertragungsprotokoll und die Funktionalität des ISO-15693 RFID-Systems evaluiert
werden.
4.1 Induktive Kopplung
a) Es stehen 2 RFID-Antennen zur Verfügung. Studieren Sie Schema und Layout in [2],
Kapitel 8, und [3], Seite 27. Um was für eine Schaltung handelt es sich?
b) Messen Sie mit den beiden RFID-Antennen die induktive Kopplung in Funktion des
horizontalen und des vertikalen Abstands dh und dv, siehe Abbildung 2.
α
dv
dh
Abbildung 2: Anordnung der RFID-Antennen zur Messung der induktiven Kopplung.
Plotten Sie die Kopplung [dB/Dekade] in Funktion des Abstandsbereichs 0...300 mm
und weisen Sie nach, dass die magnetische Kopplung mit 60 dB pro Dekade abfällt.
Wie unterscheiden sich die Resultate in horizontaler und vertikaler Richtung?
Hinweis: Speisen Sie mit dem Signalgenerator eine der beiden Antennen mit einem
Sinussignal von 13.56 MHz und 10 dBm und messen Sie mit dem Spektrumanalyzer
die Empfangsleistung am Ausgang der anderen Antenne (an 50 Ω).
c) Messen Sie die magnetische Kopplung zwischen zwei verdrehten RFID-Antennen
(siehe Winkel α in Abbildung 2) und weisen Sie nach, dass die induzierte Spannung
proportional zur durchflossenen Fläche ist.
d) Messen Sie die Güte Q des Antennenschwingkreises wie in [4], Kapitel 6.3 und 6.4,
beschrieben. Achtung: Sie sehen die Übertragungsfunktionen beider RFID-Antennen.
Warum soll die Güte Q < 20 bzw. die Spannungsüberhöhung nicht grösser sein?
e) Studieren Sie die Lastmodulation in [1], Kapitel 3.2.1.1 und 3.2.1.2.
Realisieren Sie anschliessend eine Lastmodulation mit Hilfe von 3 RFID-Antennen so wie
in Abbildung 3 dargestellt.
Wählen Sie beim TTL-Signal ein unsymmetrisches Taktverhältnis so, dass die Spannung
über der Transponder-Spule ein symmetrisches Taktverhältnis aufweist.
Interpretieren Sie das resultierende Spektrum.
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„Reader“
„Transponder“
„Monitor“
BC550
Signalgenerator
1 kΩ
Spektrumanalysator
200 kHz TTL
Abbildung 3: Realisierung Lastmodulation mit 3 RFID-Antennen.
4.2 Analyse der Modulation und des Framings
a) Nehmen Sie den S6350-Reader und die entsprechende PC-Control-Software in Betrieb.
Messen Sie mit dem KO und dem Spektrum-Analyzer die Anregefrequenz fc.
b) Studieren Sie die Reader-zu-Transponder-Kommunikation im ISO-15693-2 Standard [5],
Kapitel 7, und bestimmen Sie (ohne Messung) die Modulationsart, das Data-Encoding
und die Datenrate.
c) Messen Sie mit dem KO die Modulationsart und das Data-Encoding des Readers (VCD).
Identifizieren Sie ein SOF-Frame.
Senden Sie dazu mit dem S6350-Reader kontinuierlich Read Single Block
Befehle aus.
d) Welche Gründe sprechen für die verwendete Modulationsart und das Data-Encoding des
Readers (VCD)?
Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Pausenzeit von 9.44 μs und der Anregefrequenz fc? Was folgt daraus für die Taktgenerierung auf dem Transponder?
e) Studieren Sie die Transponder-zu-Reader-Kommunikation im ISO-15693-2 Standard [5],
Kapitel 8, und bestimmen Sie (ohne Messung) die Modulationsart, das Data-Encoding
und die Datenrate.
Hinweis: Die Modulation und das Data-Encoding des Transponders (VICC) kann man kaum
messen.
f)
Lesen Sie mit dem Befehl inventory die (U)ID eines einzelnen Transponders im
Lesebereich des Readers und vergleichen Sie das Format mit dem ISO-15693-3
Standard [6], Kapitel 4.1.
g) Bestimmen Sie die operationelle Reichweite des vorliegenden RFID-Systems.
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4.3 Weiterführende Themen:
Analyse des Protokolls und der Funktionalität
a) Beschreiben Sie mit dem Befehl write single block einen einzelnen Datenblock
auf dem Transponder.
Wie viele Datenblocks stehen zur Verfügung und wie gross sind sie?
Welche Limiten sieht der ISO-15693-3 Standard vor, siehe [6], Kapitel 5?
b) Lesen Sie mit dem Befehl read single block einen einzelnen Datenblock aus
dem Transponder aus, einmal unadressiert und einmal richtig bzw. falsch adressiert,
siehe auch ISO-15693-3 Standard [6], Kapitel 7.1.1 und 7.1.2.
c) Schätzen Sie mit dem ISO-15693-3 Standard [6], Kapitel 9.3.1, ab, wie lange der kürzest
mögliche Lesezugriff dauert.
Wieviele Lesezugriffe können Sie durchführen, wenn Sie mit dem Transponder langsam
an der Antenne vorbeigehen (Berechnung und Versuch).
d) Lesen Sie mit dem Befehl read multiple blocks bis max. 60 Datenblocks in
einem einzigen Telegramm-Austausch.
e) Ändern Sie mit dem Befehl write application familiy identifier die
Zielapplikation im Transponder und sehen Sie sich dabei die vordefinierten Einsatzgebiete dieser RFID-Systeme an.
f)
Bringen Sie mit dem Befehl stay quiet einen Transponder in den quiet-Status und
lesen Sie anschliessend einen Datenblock, einmal unadressiert und einmal adressiert.
Vergewissern Sie sich, dass der Transponder den quiet-Status verlässt, sobald Sie ihn
kurz aus dem Readerbereich entfernen.
Lesen Sie das vorgeschriebene Verhalten im ISO-15693-3 Standard [6], Kapitel 7.4.3
oder im State-Transition-Diagramm in Figur 5, nach.
g) Schützen Sie mit dem Befehl lock single block den 63. Datenblock permanent
gegen Überschreiben, siehe auch ISO-15693-3 Standard [6], Kapitel 9.3.3.
h) Lesen Sie mit dem Befehl inventory die (U)IDs von mehreren Transpondern im
Lesebereich des Readers.
Wieviele UIDs können Sie lesen, wenn Sie die Rolle mit den Transpondern vor die
Reader-Antenne halten?
Lesen Sie die Funktionsweise des Antikollisions-Mechanismus im ISO-15693-3
Standard [6], Kapitel 8, nach.
Setzen Sie im Reader-Config-Menü die Anzahl Zeitschlitze auf 1. Gelingt es, zwei
UIDs gleichzeitig zu lesen?
Setzen Sie die Anzahl Zeitschlitze wieder auf 16 und identifizieren Sie mehrere UIDs
gleichzeitig. Betrachten Sie den letzten Hex-Charakter der identifizierten UIDs. Was fällt
Ihnen auf? Welche Maske verwendet der S6350-Reader wohl, vgl. Figure 8 in [6].
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Versuchen Sie zwei Transponder mit gleicher UID modulo 16 zu identifizieren. Gelingt
es?
i)
Sehen Sie sich den CRC im ISO-15693-3 Standard [6], Kapitel 4.4, an.
5. Literatur:
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
K. Finkenzeller, „RFID-Handbuch“, 3. Auflage, Hanser, 2002. ISBN 3-446-22071-2
TI, „HF Antenna Cookbook - Technical Application Report“, 11-08-26-001 Jan. 2004.
TI-RFiD, „HF-Training - Multiprotocol Tranceiver IC“, KS/JAG, 16-Sep-03.
TI, „HF Antenna Design Notes - Technical Application Report“, 11-08-26-003 Sep. 2003.
ISO/IEC-15693-2 Standard, „Air Interface and Initialization“.
ISO/IEC-15693-3 Standard, „Anticollision and transmission protocol“.
Besten Dank an Marcel Rupf für die Planung und Gestaltung dieses Versuchs.
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Anhang A: Klassifikation RFID nach R.Küng
Anhang B: Nahfeld - Fernfeld
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Anhang C: Was wir von Maxwell lernen
Anhang D: Kopplung für Vicinity Coupling Devices
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Anhang E: ISO 15693-2 Luftschnittstelle
ZHAW, NTM1, HS2008, 9(9)
Anhang F: ISO 15693-3 Protokoll