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(duì)電表的管理方式是通過(guò)電表ID(身份證)號(hào)作為標(biāo)識(shí)進(jìn)行識(shí)別和記錄，而各種封印的ID號(hào)則是通過(guò)手工登記的方式與電表的ID號(hào)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(shí)均會(huì)耗費(fèi)大量人力,，而且大量簡(jiǎn)單重復(fù)操作容易造成一定的出錯(cuò)概率,，復(fù)查和糾正錯(cuò)誤的成本也相對(duì)較高。

    本文介紹了一種基于13.56 MHz射頻識(shí)別技術(shù)的適合于電力行業(yè)的專(zhuān)用電子封印芯片,。射頻識(shí)別（RFID）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別有效對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。其登記,、記錄和錄入過(guò)程無(wú)須人工干預(yù),，可提高登記、巡檢效率,，減少人力投入,。自動(dòng)錄入亦可將出錯(cuò)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(guó)密一級(jí)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(shí)線圈和芯片構(gòu)成一個(gè)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(xiě)器發(fā)射的頻率附近，芯片通過(guò)磁場(chǎng)獲取工作所需的能量,、時(shí)鐘并完成數(shù)據(jù)通信,。

    在使用過(guò)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(huì)響應(yīng)讀寫(xiě)器指令，無(wú)法接收和發(fā)送相關(guān)通信信息,。巡檢設(shè)備（讀寫(xiě)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(chǔ)電子封印生命周期內(nèi)的所有重要數(shù)據(jù),。射頻識(shí)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(cè)終端（巡檢讀寫(xiě)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(tái)，推動(dòng)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(shì)，是智能電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)必然選擇,。

2 電子封印結(jié)構(gòu)

2.1 天線設(shè)計(jì)

    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(jì)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(guò)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(hào)接口,、模擬電路,、數(shù)字邏輯電路和存儲(chǔ)器四個(gè)部分。其中射頻接口電路從射頻場(chǎng)中恢復(fù)芯片工作所需電源和穩(wěn)定時(shí)鐘,，還進(jìn)行芯片與讀寫(xiě)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(hào)及穩(wěn)定的工作電壓；數(shù)字控制邏輯完成芯片通信過(guò)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(chǔ)器用以記錄芯片的ID、廠商信息等重要信息,，還開(kāi)放部分存儲(chǔ)空間供用戶(hù)存儲(chǔ)自定義信息,。

    電表應(yīng)用的特殊形狀要求對(duì)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(chǎng)中感應(yīng)的能量?jī)H為幾百微瓦,，那么芯片必須是低功耗的設(shè)計(jì)才能滿(mǎn)足使用手持讀寫(xiě)器對(duì)電子封印信息進(jìn)行錄入。

    在芯片設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)方面中采用關(guān)鍵時(shí)鐘降頻,、加密和EEPROM操作分時(shí)進(jìn)行,、時(shí)鐘門(mén)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(chǎng)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(chǎng)后，芯片正常上電,，讀寫(xiě)器發(fā)送尋卡指令,，芯片根據(jù)讀寫(xiě)器命令返回4位UID。當(dāng)多封印同時(shí)進(jìn)場(chǎng)時(shí),，還需要進(jìn)行防沖突流程,，然后讀卡器完成選卡后，讀寫(xiě)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(xiě),、加值,、減值和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí),，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(shí),，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(duì)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(guò)程返回一個(gè)被選中的卡的序列號(hào),。

    選擇卡片：選擇被選中的卡的序列號(hào)，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(guò)加密流進(jìn)行任何通信,。

    各操作具體內(nèi)容如下：

    讀：讀一個(gè)塊；

    寫(xiě)：寫(xiě)一個(gè)塊,；

    減：塊中的內(nèi)容作減法之后,，結(jié)果存儲(chǔ)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(chǔ)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(xiě)入塊中；

    存儲(chǔ)：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(guó)家商用密碼算法（SM7）。該加密過(guò)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(guò)程為：

    認(rèn)證指令：加密讀寫(xiě)器發(fā)起請(qǐng)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(xiě)器,，讀寫(xiě)器將32 bit隨機(jī)數(shù)經(jīng)過(guò)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(xiě)器認(rèn)證電子封印,，電子封印芯片根據(jù)讀寫(xiě)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(cè)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(gè)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(cè)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(cè)試

    將上述芯片封裝成標(biāo)準(zhǔn)ID1卡片，經(jīng)過(guò)通信速率,、負(fù)載調(diào)制深度,、ISO時(shí)序、最大可耐受場(chǎng)強(qiáng)等功能驗(yàn)證和性能測(cè)試,，芯片性能符合ISO14443協(xié)議,，滿(mǎn)足ISO10373測(cè)試協(xié)議的相關(guān)要求?？ㄆ淖钚」ぷ鲌?chǎng)強(qiáng)小于0.2 A/m,。

3.3 封印封裝及測(cè)試結(jié)果

    電子封印封裝如圖5所示，為滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求,，設(shè)計(jì)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(cè)試和驗(yàn)證需要加密讀寫(xiě)器進(jìn)行驗(yàn)證,，開(kāi)發(fā)了符合SM7要求的專(zhuān)用讀寫(xiě)器,，并通過(guò)加密卡(TE)對(duì)讀寫(xiě)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(cè)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(xiě)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(guó)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(shì),。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(cè)試標(biāo)準(zhǔn),。通過(guò)加密讀寫(xiě)器驗(yàn)證，電子封印完全滿(mǎn)足電子封印的設(shè)計(jì)需求,。

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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(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電力芯片設(shè)計(jì)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(jì)工程技術(shù)研究中心,，北京100192)