文獻標識碼： 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簽的實現[J].電子技術應用，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
隨著智能電網的迅猛發展，電力設備的管理、生產物流的管理在高效性、高安全性和低成本方面出現了更高的需求。目前電力公司對電表的管理方式是通過電表ID(身份證)號作為標識進行識別和記錄，而各種封印的ID號則是通過手工登記的方式與電表的ID號進行綁定，記錄到紙質表單中，然后再手工錄入到SG186管理系統中。該種方式不但在登記和錄入時均會耗費大量人力，而且大量簡單重復操作容易造成一定的出錯概率，復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射頻識別技術的適合于電力行業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，它通過射頻信號自動識別有效對象并獲取相關數據。其登記、記錄和錄入過程無須人工干預，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，提升管理系統的效率。
在安全和接口方面，電子封印的射頻接口符合ISO14443協議標準，采用三重認證機制，采用SM7通信數據加密算法，芯片符合國密一級安全認證標準。
1 電子鉛封特點
電子鉛封由內部天線線圈和芯片兩部分構成，在正常使用時線圈和芯片構成一個閉合回路。天線構成的電感和芯片的片上電容諧振在讀寫器發射的頻率附近，芯片通過磁場獲取工作所需的能量、時鐘并完成數據通信。
在使用過程中若天線線圈或芯片被外力物理破壞，諧振回路將不復存在，電子封印不會響應讀寫器指令，無法接收和發送相關通信信息。巡檢設備（讀寫器）可依據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體集成電路制造技術，配合真隨機數、SM7加密技術及三重認證機制，確保電子封印基本不可能被破解和偽造。
在數據管理和通信接口方面，內嵌的1 KB EEPROM能存儲電子封印生命周期內的所有重要數據。射頻識別技術使得封印芯片能方便快速穩定地與電力信息系統檢測終端（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管理平臺，推動智能電網技術的高速發展和進步。
各種封印產品比較如表1所示，和傳統鉛封產品比較，電子封印芯片在安裝、防偽、資產管理等方面有著極大的優勢，是智能電網發展的一個必然選擇。
2 電子封印結構
2.1 天線設計
射頻電子封印由內嵌式天線和芯片構成，其中天線可根據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 芯片結構
電子鉛封芯片結構如圖1所示，包含射頻信號接口、模擬電路、數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芯片工作所需電源和穩定時鐘，還進行芯片與讀寫器間的數據交互；模擬電路為數字邏輯提供上下電復位信號及穩定的工作電壓；數字控制邏輯完成芯片通信過程中的編解碼協議處理和權限控制，結合隨機數等模塊提供加密算法；內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的能量僅為幾百微瓦，那么芯片必須是低功耗的設計才能滿足使用手持讀寫器對電子封印信息進行錄入。
在芯片設計中提高能量使用效率和降低整體芯片功耗極為重要。天線耦合的能量經過整流電路后為芯片提供穩定的電源，為提高整流效率，整流電路使用全波橋式整流結構。在低功耗設計方面中采用關鍵時鐘降頻、加密和EEPROM操作分時進行、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下穩定工作。
2.3 芯片工作流程
芯片數字部分工作流程如圖2所示：電子封印進場后，芯片正常上電，讀寫器發送尋卡指令，芯片根據讀寫器命令返回4位UID。當多封印同時進場時，還需要進行防沖突流程，然后讀卡器完成選卡后，讀寫器和卡片需要進行相互的認證(三重認證)才能繼續進行EEPROM的讀寫、加值、減值和數據存儲等指令。該流程符合ISO14443協議相關要求。其中各模塊功能定義如下：
復位應答：芯片的通信協議和通信波特率是定義好的，基于此，讀卡器和芯片進行相互認證。當卡片進入讀卡器的操作范圍時，讀卡器以特定的協議與芯片通信，從而驗證卡片的卡型。
防沖突機制：當有多張卡片在讀卡器的操作范圍內時，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，卡片返回選中確認編碼（SAK）。
三重認證：選定要處理的卡片之后，讀卡器首先發送認證指令，和芯片進行相互認證，在三次相互認證后就可以通過加密流進行任何通信。
各操作具體內容如下：
讀：讀一個塊；
寫：寫一個塊；
減：塊中的內容作減法之后，結果存儲在數據寄存器中；
加：塊中的內容作加法之后，結果存儲在數據寄存器中；
傳輸：將數據寄存器中的內容寫入塊中；
存儲：將塊中的內容讀到數據寄存器；
暫停：將卡置于暫停工作狀態。
2.4 三重認證流程
電子封印芯片的內嵌加密算法為國家商用密碼算法（SM7）。該加密過程需要數字的加密算法和真隨機數發生器配合完成，三重加密認證流程如圖3所示，具體過程為：
認證指令：加密讀寫器發起請求認證指令。
RT(32 bit)：電子封印芯片返回32 bit真隨機數。
Token1(64 bit)：電子封印認證讀寫器，讀寫器將32 bit隨機數經過SM7加密后發送給電子封印芯片，芯片根據該數認證該讀卡器是否有相應權限。
Token2(64 bit)：讀寫器認證電子封印，電子封印芯片根據讀寫器發生的Token1經SM7加密返回Token2，讀卡器根據該數核驗電子封印是否合法。
3 實現及測試結果
3.1 芯片實現及版圖
在HJEE110nm標準CMOS工藝下實現了上述芯片，版圖如圖4所示，片上集成了RF電路、模擬電路、兩個隨機數發生器、數字邏輯電路、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 協議一致性測試
將上述芯片封裝成標準ID1卡片，經過通信速率、負載調制深度、ISO時序、最大可耐受場強等功能驗證和性能測試，芯片性能符合ISO14443協議，滿足ISO10373測試協議的相關要求。卡片的最小工作場強小于0.2 A/m。
3.3 封印封裝及測試結果
電子封印封裝如圖5所示，為滿足不同的應用需求，設計了直徑為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證需要加密讀寫器進行驗證，開發了符合SM7要求的專用讀寫器，并通過加密卡(TE)對讀寫器進行授權。
卡片加密認證結果如圖6所示，經測試，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位、防沖突、選卡、三種認證、EEPROM的寫入和讀出，實現了電子封印芯片的預期功能。
4 結論
符合國家商用密碼算法(SM7)要求的電子封印標簽，其安全性和可靠性在電力電網領域的資產管理方面將體現出顯著的成本優勢。文中在HJEE110nm標準CMOS工藝下實現的射頻電子封印符合ISO14443協議要求和ISO10373-6測試標準。通過加密讀寫器驗證，電子封印完全滿足電子封印的設計需求。
參考文獻
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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，國家電網公司重點實驗室 電力芯片設計分析實驗室，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計工程技術研究中心，北京100192)