Plateau Technique Systèmes électroniques communicants Kit pédagogique RFID-EDUC Support de TP Version enseignant CRESITT Industrie Eric Devoyon - PPT_RFIDEDUC_002ED2012-2.1-05.2012 Le CRT CRESITT est soutenu par
CRESITT Industrie, CRT en électronique 2 / 36
Kit pédagogique RFID-EDUC : Support de TP 3 / 36
Présentation du logiciel Gestion port USB (port série virtuel) Onglets (zone de travail) 4 / 36
Présentation du logiciel : connexion au kit Connecter le câble USB Cliquer sur «rafraîchir» pour rafraîchir la liste des ports COM utilisés dérouler le menu et choisir le bon port cliquer sur «connecter» La zone de travail devient accessible, le kit est prêt à fonctionner. 5 / 36
Présentation du logiciel : onglet «Visualisation des signaux» Principe de mesure à l'oscilloscope mesure RF par une une boucle (sonde rebouclée) placée au dessus de l'antenne signaux numériques sortant du kit via la prise BNC Mesure RF seule : trigger sur le signal de la boucle (sonde) Mesure de signaux : trigger sur la sortie BNC du kit + visualisation des signaux RF modulés via la boucle 6 / 36
Présentation du logiciel : onglet «Visualisation des signaux» Concept du kit RFID-EDUC : observer certains points de la chaîne d'émission-réception données à transmettre Codage bit Modulateur données codées TX BNC données codées reçues Démodulateur sous-porteuse données codées + sous-porteuse RX Démodulateur porteuse 7 / 36
Fonctionnement d'un Tag RFID inductif : couche physique 8 / 36
Manip 1 : Observer la porteuse Configurer le logiciel pour activer un signal RF : mesure RF par une une boucle (sonde rebouclée) placée au dessus de l'antenne : Faire varier la distance par rapport à l'antenne Faire varier l'orientation de la boucle par rapport au plan de l'antenne Réglages oscillo : Trigger sur sonde, offset 0V, base de temps 5µs/div à ajuster pour zoomer Observer le signal : Quelle est sa fréquence? Pourquoi utiliser une fréquence porteuse? Quel est l'effet de la variation de distance ou d'orientation de la boucle? Qu'en conclure pour le tag? Placer un objet métallique entre la boucle et le kit. Quel impact sur le signal? Et pour un tag? 9 / 36
Manip 1 : Observer la porteuse (correction) Quelle est sa fréquence? Pourquoi utiliser une fréquence porteuse? Porteuse à 13,56 MHz : utilisée pour les tags RFID HF But d'une modulation : transposer un signal autour d'une fréquence porteuse particulière pour faciliter ou protéger la transmission 10 / 36
Manip 1 : Observer la porteuse (correction) Quel est l'effet de la variation de distance ou d'orientation de la boucle? Qu'en conclure pour le tag? Le signal est atténué lorsque la distance antenne-boucle augmente, et lorsque leurs plans ne sont plus // (voir phénomène d'induction électromagnétique) k, le coefficient de couplage, dépend de la distance et de l'orientation entre les antennes, et impacte le transfert d'énergie par induction : donc le fonctionnement du tag Placer un objet métallique entre la boucle et le kit. Quel impact sur le signal? Et pour un tag? Le signal est atténué ou coupé si un objet métallique agit comme écran pour le champ magnétique. Pour le tag, dans ce cas, le transfert d énergie par induction nécessaire à son fonctionnement ne peut se faire. 11 / 36
Manip 2 : Observer la modulation du signal montant Si l'alimentation du tag est faite selon le principe d'un transformateur, quel type de modulation doit-on privilégier pour assurer un transfert d'énergie pendant le maximum de temps? Mod. Amplitude? Mod. Fréquence? Vérifier avec le kit : Quelle modulation est utilisée? Quelle conséquence sur la télé-alimentation? Sonde : signal rf modulé synchronisé avec la sortie BNC (signal numérique) BNC : trigger sur front descendant (single shot) 200mV, 1V/div, 25µS/div Un train binaire modulé est visible à chaque appui sur le bouton transmettre 12 / 36
Manip 2 : Observer la modulation du signal montant (correction) Si l'alimentation du tag est faite selon le principe d'un transformateur, quel type de modulation doiton privilégier pour assurer un transfert d'énergie pendant le maximum de temps? Le transfert d'énergie dépend de l'amplitude du signal RF. Le temps où l'amplitude est maximale doit être le plus grand possible La modulation de fréquence semble donc mieux adaptée que la modulation d'amplitude... Vérifier avec le kit : Quelle modulation est utilisée? Quelle conséquence sur la télé-alimentation? On observe pourtant bien une modulation d'amplitude : elle est utilisée dans la grande majorité des cas en RFID. Il s'agit en fait de réduire au maximum l'électronique du tag pour minimiser sa consommation. Or, un démodulateur en amplitude est ce qu'il y a de plus simple et économe et énergie. Pour assurer un bon transfert d'énergie, il faut alors utiliser un codage des données afin de minimiser les phases où le signal est absent (les '1' binaires). 13 / 36
Manip 3 : Observer le codage des données montantes Observer les données non-codées octet par octet, en faisant varier la valeur Hexa. Observer le nombre de bit et proposer une explication BNC : trigger sur front descendant (single shot) 200mV, 1V/div, 25µS/div Un train binaire modulé est visible à chaque appui sur le bouton transmettre Observer les données codées avec les différents codages proposés : le temps de transmission pour un octet change-il? Conclure par rapport au débit de données en fonction du codage choisi. Comment cela impacte-il la portée du tag? BNC : régler le trigger sur front montant ou déscendant selon vos observations lors du changement de codage bit Quel est l'avantage du codage de position (1 parmi 256 ou 1 parmi 4) pour la télé-alimentation? 14 / 36
Manip 3 : Observer le codage des données montantes (correction) Observer les données non-codées octet par octet, en faisant varier la valeur Hexa. Observer le nombre de bit et proposer une explication On observe plus de 8 transitions (bit) : Pour un octet transmis, on ajoute des bits de parité. Pour une suite d'octet (trame), on ajoute des codes début et fin de trames. La modulation d'amplitude étant assez sensible aux parasites, cela permet de mieux détecter les erreurs de transmission. Exemple de l'iso14443 : Source : ISO14443-2 15 / 36
Manip 3 : Observer le codage des données montantes (correction) Observer les données codées avec les différents codages proposés Une information binaire vaut normalement 1 ou 0. En télécommunication, on modifie la manière dont les informations sont codées Pour : introduire de la redondance et permettre la détection/correction d'erreur Codage sur des transitions et non des niveaux : meilleure résistance au bruit modification de «l'empreinte spectrale» : respect des normes, détection dans le bruit Exemple : Manchester '1' : Niveau Haut vers Niveau bas '0' : Niveau bas vers niveau haut NRZ : Maintien des niveaux tant que le bit ne change pas Conclure par rapport au débit de données en fonction du codage choisi. Comment cela impacte-il la portée du tag? Le codage à un impact direct sur le débit (temps de transmission), mais également sur la portée à cause de l'étalement spectral plus ou moins prononcé. En effet, plus l'énergie est concentrée autour de la porteuse, meilleure sera la télé-alimentation, de par la résonance des antennes accordée sur la fréquence porteuse. L'amplitude du pic d'énergie étant liée à la portée, celle-ci dépend donc du codage utilisé. Il faut alors trouver un compromis entre débit et portée : ISO 14444A «close coupling» : 848kbit/s, 10cm ISO 15693 «viccinity» : 1,6kbit/s, 30cm 16 / 36
Manip 3 : Observer le codage des données montantes (correction) Quel est l'avantage du codage de position (1 parmi 256 ou 1 parmi 4) pour la télé-alimentation? Source : ISO15693 1 parmis 256 1 parmis 4 L'information est codée selon la position d'un créneau à niveaux bas ( porteuse = 0) à l'intérieur d'un «slot» de temps. La télé-alimentation est favorisée car la porteuse reste à son niveau max pendant la plupart du temps. En revanche, il est nécessaire d'attendre la fin du slot de temps complet pour passer au bit suivant : le débit est donc impacté. 17 / 36
Manip 4 : observer les signaux venant du tag alors qu'un tag passif ne dispose pas d'émetteur radio, et en vous appuyant sur le principe du couplage similaire au transformateur, comment le tag peut il communiquer avec le lecteur? Observer et comparer les signaux démodulés manchester avec et sans sous-porteuse. Quel est l intérêt pour la communication d'utiliser une sous-porteuse? Et pour la consommation? Disposer un tag ISO14443A sur le kit BNC : trigger sur front montant (single shot) 400mV, 1V/div, 25µS/div Un train binaire démodulé est visible à chaque appui sur le bouton 18 / 36
Manip 4 : observer les signaux venant du tag (correction) alors qu'un tag passif ne dispose pas d'émetteur radio, et en vous appuyant sur le principe du couplage similaire au transformateur, comment le tag peut il communiquer avec le lecteur? 19 / 36
Manip 4 : observer les signaux venant du tag (correction) Observer et comparer les signaux démodulés manchester avec et sans sous-porteuse. Quel est l intérêt pour la communication d'utiliser une sous porteuse? Et pour la consommation? 3 états possibles pour un bit : 0, 1 ou collision : Résolution des collisions bit à bit Utiliser une sous porteuse qui minimise les états où la charge est maximale permet d'optimiser les moments ou le tag peu emmagasiner de l'énergie : Codage binaire simple : 50% de '0' (charge max) 50% de '1' (charge min) Codage à sous porteuse : 50% de 50% de '0' : 25% de charge max Le tag peut alors se recharger 75% du temps Source : ISO14443-2 20 / 36
Fonctionnement d'un Tag RFID inductif : protocole ISO14443A 21 / 36
Manip 5 : Obtenir l'identifiant d'un tag ISO14443A Avec l'onglet ISO14443A, obtenir l'identifiant d'un tag. Disposer un tag ISO14443A sur le kit Reconfigurer le kit en mode ISO14443A : Effectuer la procédure pour obtenir l'identifiant, comme précisé dans la norme ISO14443-3 Essayer d'effectuer la procédure à différentes distances et orientations du tag. Conclure par rapport aux points vus précédemment. Pourquoi les tag ISO15693 ne fonctionnent pas avec cette méthode? D'après les documents normatifs, à quoi sert ATQA? L'identifiant est unique pour chaque tag. Que penser du fait qu'il n'y ait que 4 octets? 22 / 36
Manip 5 : Obtenir l'identifiant d'un tag ISO14443A (correction) Essayer d'effectuer la procédure à différentes distances et orientations du tag. Conclure par rapport aux points vus précédemment. L'antenne du tag se comporte de la même façon que la sonde d'oscilloscope rebouclée : la distance et et l'orientation par rapport à l'antenne de la base-station impacte le coefficient de couplage, et donc le transfert d énergie nécessaire à l'alimentation du tag. Il faut remarquer une limite de distance d'environ 10cm pour un tag ISO14443A. Pourquoi les tag ISO15693 ne fonctionnent pas avec cette méthode? Les tags ISO15693 sont conçus pour des applications dites de voisinage : les codages utilisés, ainsi que le protocole sont totalement différents. D'après les documents normatifs, à quoi sert ATQA? ATQA et la première information donnée par le tag à la suite de la requête de réveil (REQA ). Il permet de déterminer le type de la puce qui compose le tag : 23 / 36
Manip 5 : Obtenir l'identifiant d'un tag ISO14443A (correction) L'identifiant est unique pour chaque tag. Que penser du fait qu'il n'y ait que 4 octets? 4 octets est bien insuffisant par rapport au nombre de tag en circulation, et dont l'unicité est garantie. Cependant, on cherche à discriminer uniquement les tags Du même type (par exemple ISO14443A). Malgré cela, il faut un grand nombre de combinaison possible pour couvrir le besoin : l'iso14443a utilise une Structure d'identifiant en cascade, avec des identifiants doubles et triples : Remarque : si vous disposez d'un tag à identifiant double (par exemple mifare ultralight), le logiciel du kit RFID Educ permet également d effectuer la procédure avec la double sélection 24 / 36
Manip 5 : Obtenir l'identifiant d'un tag ISO14443A (correction) Procédure pour ID double et triple : il s'agit de répéter la même procédure, mais avec des codes commandes particuliers : Avec CT le code «identifiant multiple» = 0x88 Et BCC «bit check count» qui est un XOR sur les 4 bits le précédant 25 / 36
Fonctionnement d'un Tag RFID inductif : protocole ISO15963 26 / 36
Manip 6 : Obtenir l'identifiant d'un tag ISO15693 Avec l'onglet ISO15693, obtenir l'identifiant d'un tag Disposer un tag ISO15693 sur le kit Reconfigurer le kit en mode ISO15693 : Avec la commande «inventory», chercher la distance limite de détection. Pourquoi une telle différence avec les tags ISO14443A? Avec les documents normatifs, modifier l'octet «flags» pour obtenir les identifiant de deux tags 15693 simultanés. Analyser leurs similitudes A quoi sert l'octet AFI? Avec les documents normatifs, et en modifiant «flags», essayer de l'exploiter. Recommencer après avoir changé l'afi avec le bouton «écriture», et conclure 27 / 36
Manip 6 : Obtenir l'identifiant d'un tag ISO15693 (correction) Avec la comande «inventory», chercher la distance limite de détection. Pourquoi une telle différence avec les tags ISO14443A? Les tags ISO15693 sont conçus pour des applications dites de voisinage avec une portée pouvant aller jusqu'à 50cm avec des lecteurs spécifiques. les codages et le protocole sont choisis de manière à limiter le volume d'échange de données, et pour maximiser l'énergie autour de la porteuse : donc la portée. L'ISO14443A est en revanche conçu pour des applications plus haut débit et courte portée : le spectre est plus étalé, et la portée est moindre. Avec les documents normatifs, modifier l'octet «flags» pour obtenir les identifiants de deux tags 15693 simultanés. Flags permet de modifier le nombre de tags pouvant répondre à la requête d'inventaire : Voir infobulle sur le logiciel pour les valeurs possibles 28 / 36
Manip 6 : Obtenir l'identifiant d'un tag ISO15693 (correction) Avec les documents normatifs, modifier l'octet «flags» pour obtenir les identifiants de deux tags 15693 simultanés. Analyser leurs similitudes La structure de l'identifiant est définie par la norme ISO15693-3 : le MSB est toujours 0xE0, suivi de l'identifiant du constructeur, puis du numéro de série de la puce Pour deux tags du même lot, en principe seuls quelques bits du numéro de série changent. 29 / 36
Manip 6 : Obtenir l'identifiant d'un tag ISO15693 (correction) A quoi sert l'octet AFI? Avec les documents normatifs, et en modifiant «flags», essayer de l'exploiter. Recommencer après avoir changé l'afi avec le bouton «écriture», et conclure AFI pour Application Frame Identifier, permet de définir à quelle application est dédiée le tag. Si AFI est utilisé dans la commande «inventory», seuls les tags avec L'AFI correspondant répondront. Il s'agit donc d'un filtre. Remarque : les forfaits de ski sont en grande majorité des tags ISO15693 : l'afi est par exemple utile si la personne porte d'autres tags 15693 sur elle (badge d'accès, carte de fidélité ), pour que seul le forfait réponde à la requête «inventory» 30 / 36
Manip 7 : Accès à la mémoire d'un tag ISO15693 Avec l'onglet ISO15693, accéder à la mémoire d'un tag Disposer un tag ISO15693 sur le kit Étudier les spécifications des puces ICODE de NXP : Comment la mémoire est elle structurée? Écrire dans différents secteurs de la mémoire. Échanger de tags avec un voisin, et relire la mémoire. 31 / 36
Manip 7 : Accès à la mémoire d'un tag ISO15693 Étudier les spécifications des puces ICODE de NXP : Comment la mémoire est elle structurée? La mémoire est structurée par block de quelques octets de large. Certains secteurs sont protégés par des droits d'accès 32 / 36
Autres possibilités du kit RFID-EDUC 33 / 36
Accès à la mémoire d'un tag Mifare Fonction d'authentification A en Mifare classic. Compatibilité avec les tags Mifare Ultralight. Voir documentations NXP pour le détail du protocole 34 / 36
Accès direct aux registres du transceiver Accès à la FIFO & registres via les zones de texte : possibilité de créer et recevoir les trames à la main (voir documentions ISO14443A / ISO15693 et datasheet du NXP RC632) 35 / 36
Accès direct aux registres du transceiver via une liaison série Exemple de procédure d'accès direct pour obtenir l'identifiant d'un TAG ISO14443A ( voirs documents normatif & datasheet RC632) Projets ou demandes particulières : contacter cresitt@cresitt.com 36 / 36