文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182747
中文引用格式： 符令，何洋，譚浪. 一種高頻電子封印標(biāo)簽的實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(2)：32-35.
英文引用格式： Fu Ling，He Yang，Tan Lang. Design of a high frequency RFID electronic seal[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(2)：32-35.
0 引言
隨著智能電網(wǎng)的迅猛發(fā)展，電力設(shè)備的管理、生產(chǎn)物流的管理在高效性、高安全性和低成本方面出現(xiàn)了更高的需求。目前電力公司對電表的管理方式是通過電表ID(身份證)號作為標(biāo)識進(jìn)行識別和記錄，而各種封印的ID號則是通過手工登記的方式與電表的ID號進(jìn)行綁定，記錄到紙質(zhì)表單中，然后再手工錄入到SG186管理系統(tǒng)中。該種方式不但在登記和錄入時均會耗費(fèi)大量人力，而且大量簡單重復(fù)操作容易造成一定的出錯概率，復(fù)查和糾正錯誤的成本也相對較高。
本文介紹了一種基于13.56 MHz射頻識別技術(shù)的適合于電力行業(yè)的專用電子封印芯片。射頻識別（RFID）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別有效對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。其登記、記錄和錄入過程無須人工干預(yù)，可提高登記、巡檢效率，減少人力投入。自動錄入亦可將出錯概率降到接近零，提升管理系統(tǒng)的效率。
在安全和接口方面，電子封印的射頻接口符合ISO14443協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，采用三重認(rèn)證機(jī)制，采用SM7通信數(shù)據(jù)加密算法，芯片符合國密一級安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。
1 電子鉛封特點(diǎn)
電子鉛封由內(nèi)部天線線圈和芯片兩部分構(gòu)成，在正常使用時線圈和芯片構(gòu)成一個閉合回路。天線構(gòu)成的電感和芯片的片上電容諧振在讀寫器發(fā)射的頻率附近，芯片通過磁場獲取工作所需的能量、時鐘并完成數(shù)據(jù)通信。
在使用過程中若天線線圈或芯片被外力物理破壞，諧振回路將不復(fù)存在，電子封印不會響應(yīng)讀寫器指令，無法接收和發(fā)送相關(guān)通信信息。巡檢設(shè)備（讀寫器）可依據(jù)此判斷檢查封印的完整性。
在安全和防偽方面，電子封印中芯片使用了集成度極高的半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)，配合真隨機(jī)數(shù)、SM7加密技術(shù)及三重認(rèn)證機(jī)制，確保電子封印基本不可能被破解和偽造。
在數(shù)據(jù)管理和通信接口方面，內(nèi)嵌的1 KB EEPROM能存儲電子封印生命周期內(nèi)的所有重要數(shù)據(jù)。射頻識別技術(shù)使得封印芯片能方便快速穩(wěn)定地與電力信息系統(tǒng)檢測終端（巡檢讀寫器）通信，且能夠安全、高效、完整地將電子封印所在終端納入電力資產(chǎn)管理平臺，推動智能電網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展和進(jìn)步。
各種封印產(chǎn)品比較如表1所示，和傳統(tǒng)鉛封產(chǎn)品比較，電子封印芯片在安裝、防偽、資產(chǎn)管理等方面有著極大的優(yōu)勢，是智能電網(wǎng)發(fā)展的一個必然選擇。
2 電子封印結(jié)構(gòu)
2.1 天線設(shè)計
射頻電子封印由內(nèi)嵌式天線和芯片構(gòu)成，其中天線可根據(jù)電表不同部分封印要求加工為所需的形狀，天線板為芯片提供物理支撐和電磁諧振匹配。本文使用柔性PCB設(shè)計天線線圈，使得電子封印能夠很好集成于電表外殼的加工和整表的裝配過程中。天線的后道使用表面鍍金工藝，芯片以COB（Chip On Board）方式直接鍵合到天線上。
2.2 芯片結(jié)構(gòu)
電子鉛封芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含射頻信號接口、模擬電路、數(shù)字邏輯電路和存儲器四個部分。其中射頻接口電路從射頻場中恢復(fù)芯片工作所需電源和穩(wěn)定時鐘，還進(jìn)行芯片與讀寫器間的數(shù)據(jù)交互；模擬電路為數(shù)字邏輯提供上下電復(fù)位信號及穩(wěn)定的工作電壓；數(shù)字控制邏輯完成芯片通信過程中的編解碼協(xié)議處理和權(quán)限控制，結(jié)合隨機(jī)數(shù)等模塊提供加密算法；內(nèi)嵌式存儲器用以記錄芯片的ID、廠商信息等重要信息，還開放部分存儲空間供用戶存儲自定義信息。
電表應(yīng)用的特殊形狀要求對電子封印的天線提出了苛刻的要求，在直徑10 mm左右的天線載體上集成大的諧振線圈幾乎是不可能的，且小尺寸天線在磁場中感應(yīng)的能量僅為幾百微瓦，那么芯片必須是低功耗的設(shè)計才能滿足使用手持讀寫器對電子封印信息進(jìn)行錄入。
在芯片設(shè)計中提高能量使用效率和降低整體芯片功耗極為重要。天線耦合的能量經(jīng)過整流電路后為芯片提供穩(wěn)定的電源，為提高整流效率，整流電路使用全波橋式整流結(jié)構(gòu)。在低功耗設(shè)計方面中采用關(guān)鍵時鐘降頻、加密和EEPROM操作分時進(jìn)行、時鐘門控等手段降低芯片的平均功耗，使得芯片的最大平均功耗小于100 μA，保證電子封印芯片能在較低場強(qiáng)下穩(wěn)定工作。
2.3 芯片工作流程
芯片數(shù)字部分工作流程如圖2所示：電子封印進(jìn)場后，芯片正常上電，讀寫器發(fā)送尋卡指令，芯片根據(jù)讀寫器命令返回4位UID。當(dāng)多封印同時進(jìn)場時，還需要進(jìn)行防沖突流程，然后讀卡器完成選卡后，讀寫器和卡片需要進(jìn)行相互的認(rèn)證(三重認(rèn)證)才能繼續(xù)進(jìn)行EEPROM的讀寫、加值、減值和數(shù)據(jù)存儲等指令。該流程符合ISO14443協(xié)議相關(guān)要求。其中各模塊功能定義如下：
復(fù)位應(yīng)答：芯片的通信協(xié)議和通信波特率是定義好的，基于此，讀卡器和芯片進(jìn)行相互認(rèn)證。當(dāng)卡片進(jìn)入讀卡器的操作范圍時，讀卡器以特定的協(xié)議與芯片通信，從而驗(yàn)證卡片的卡型。
防沖突機(jī)制：當(dāng)有多張卡片在讀卡器的操作范圍內(nèi)時，防沖突電路首先從多張卡中選中一張作為下一步處理的對象，而未選中的卡片處于空閑模式以等待下一步被選擇，該過程返回一個被選中的卡的序列號。
選擇卡片：選擇被選中的卡的序列號，卡片返回選中確認(rèn)編碼（SAK）。
三重認(rèn)證：選定要處理的卡片之后，讀卡器首先發(fā)送認(rèn)證指令，和芯片進(jìn)行相互認(rèn)證，在三次相互認(rèn)證后就可以通過加密流進(jìn)行任何通信。
各操作具體內(nèi)容如下：
讀：讀一個塊；
寫：寫一個塊；
減：塊中的內(nèi)容作減法之后，結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)寄存器中；
加：塊中的內(nèi)容作加法之后，結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)寄存器中；
傳輸：將數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容寫入塊中；
存儲：將塊中的內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)寄存器；
暫停：將卡置于暫停工作狀態(tài)。
2.4 三重認(rèn)證流程
電子封印芯片的內(nèi)嵌加密算法為國家商用密碼算法（SM7）。該加密過程需要數(shù)字的加密算法和真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器配合完成，三重加密認(rèn)證流程如圖3所示，具體過程為：
認(rèn)證指令：加密讀寫器發(fā)起請求認(rèn)證指令。
RT(32 bit)：電子封印芯片返回32 bit真隨機(jī)數(shù)。
Token1(64 bit)：電子封印認(rèn)證讀寫器，讀寫器將32 bit隨機(jī)數(shù)經(jīng)過SM7加密后發(fā)送給電子封印芯片，芯片根據(jù)該數(shù)認(rèn)證該讀卡器是否有相應(yīng)權(quán)限。
Token2(64 bit)：讀寫器認(rèn)證電子封印，電子封印芯片根據(jù)讀寫器發(fā)生的Token1經(jīng)SM7加密返回Token2，讀卡器根據(jù)該數(shù)核驗(yàn)電子封印是否合法。
3 實(shí)現(xiàn)及測試結(jié)果
3.1 芯片實(shí)現(xiàn)及版圖
在HJEE110nm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下實(shí)現(xiàn)了上述芯片，版圖如圖4所示，片上集成了RF電路、模擬電路、兩個隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、數(shù)字邏輯電路、SM7加密算法、EEPROM電路及測試電路，芯片整體功耗小于100 μA，芯片核心部分面積約為0.5 mm2。
3.2 協(xié)議一致性測試
將上述芯片封裝成標(biāo)準(zhǔn)ID1卡片，經(jīng)過通信速率、負(fù)載調(diào)制深度、ISO時序、最大可耐受場強(qiáng)等功能驗(yàn)證和性能測試，芯片性能符合ISO14443協(xié)議，滿足ISO10373測試協(xié)議的相關(guān)要求。卡片的最小工作場強(qiáng)小于0.2 A/m。
3.3 封印封裝及測試結(jié)果
電子封印封裝如圖5所示，為滿足不同的應(yīng)用需求，設(shè)計了直徑為12 mm、10 mm和8 mm三種天線尺寸。芯片用COB的鍵合形式固定在PCB上。
電子封印的測試和驗(yàn)證需要加密讀寫器進(jìn)行驗(yàn)證，開發(fā)了符合SM7要求的專用讀寫器，并通過加密卡(TE)對讀寫器進(jìn)行授權(quán)。
卡片加密認(rèn)證結(jié)果如圖6所示，經(jīng)測試，三種封裝形式的電子封印均能在加密讀卡器上完成上電復(fù)位、防沖突、選卡、三種認(rèn)證、EEPROM的寫入和讀出，實(shí)現(xiàn)了電子封印芯片的預(yù)期功能。
4 結(jié)論
符合國家商用密碼算法(SM7)要求的電子封印標(biāo)簽，其安全性和可靠性在電力電網(wǎng)領(lǐng)域的資產(chǎn)管理方面將體現(xiàn)出顯著的成本優(yōu)勢。文中在HJEE110nm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下實(shí)現(xiàn)的射頻電子封印符合ISO14443協(xié)議要求和ISO10373-6測試標(biāo)準(zhǔn)。通過加密讀寫器驗(yàn)證，電子封印完全滿足電子封印的設(shè)計需求。
參考文獻(xiàn)
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作者信息:
符 令1，2，何 洋1，2，譚 浪1，2
(1.北京智芯微電子科技有限公司，國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電力芯片設(shè)計分析實(shí)驗(yàn)室，北京100192；
2.北京智芯微電子科技有限公司，北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計工程技術(shù)研究中心，北京100192)