本文先容了一种基于13.56 MHz射频识别技能的适宜于电力行业的专用芯片。射频识别（RFID）是一种非打仗式的自动识别技能，它通过射频旗子暗记自动识别有效工具并获取干系数据。其登记、记录和录入过程无须人工干预，可提高登记、巡检效率，减少人力投入。自动录入亦可将出错概率降到靠近零，提升管理系统的效率。
在安全和接口方面，电子封印的射频接口符合ISO14443协议标准，采取三重认证机制，采取SM7通信数据加密算法，芯片符合国密一级安全认证标准。
1 电子铅封特点
电子铅封由内部天线线圈和芯片两部分构成，在正常利用时线圈和芯片构成一个闭合回路。天线构成的电感和芯片的片上电容谐振在读写器发射的频率附近，芯片通过磁场获取事情所需的能量、时钟并完成数据通信。
在利用过程中若天线线圈或芯片被外力物理毁坏，谐振回路将不复存在，电子封印不会相应读写器指令，无法吸收和发送干系通信信息。巡检设备（读写器）可依据此判断检讨封印的完全性。
在安全和防伪方面，电子封印中芯片利用了集成度极高的半导体集成电路制造技能，合营真随机数、SM7加密技能及三重认证机制，确保电子封印基本不可能被破解和假造。
在数据管理和通信接口方面，内嵌的1 KB EEPROM能存储电子封印生命周期内的所有主要数据。射频识别技能使得封印芯片能方便快速稳定地与电力信息系统检测终端（巡检读写器）通信，且能够安全、高效、完全地将电子封印所在终端纳入电力资产管理平台，推动智能电网技能的高速发展和进步。
各种封印产品比较如表1所示，和传统铅封产品比较，电子封印芯片在安装、防伪、资产管理等方面有着极大的上风，是智能电网发展的一个一定选择。
2 电子封印构造
2.1 天线设计
射频电子封印由内嵌式天线和芯片构成，个中天线可根据电表不同部分封印哀求加工为所需的形状，天线板为芯片供应物理支撑和电磁谐振匹配。本文利用柔性PCB设计天线线圈，使得电子封印能够很好集成于电表外壳的加工和整表的装置过程中。天线的后道利用表面镀金工艺，芯片以COB（Chip On Board）办法直接键合到天线上。
2.2 芯片构造
电子铅封芯片构造如图1所示，包含射频旗子暗记接口、仿照电路、数字逻辑电路和存储器四个部分。个中射频接口电路从射频场中规复芯片事情所需电源和稳定时钟，还进行芯片与读写器间的数据交互；仿照电路为数字逻辑供应高下电复位旗子暗记及稳定的事情电压；数字掌握逻辑完成芯片通信过程中的编解码协议处理和权限掌握，结合随机数等模块供应加密算法；内嵌式存储器用以记录芯片的ID、厂商信息等主要信息，还开放部分存储空间供用户存储自定义信息。
电表运用的分外形状哀求对电子封印的天线提出了苛刻的哀求，在直径10 mm旁边的天线载体上集成大的谐振线圈险些是不可能的，且小尺寸天线在磁场中感应的能量仅为几百微瓦，那么芯片必须是低功耗的设计才能知足利用手持读写器对电子封印信息进行录入。
在芯片设计中提高能量利用效率和降落整体芯片功耗极为主要。天线耦合的能量经由整流电路后为芯片供应稳定的电源，为提高整流效率，整流电路利用全波桥式整流构造。在低功耗设计方面中采取关键时钟降频、加密和EEPROM操作分时进行、时钟门控等手段降落芯片的均匀功耗，使得芯片的最大均匀功耗小于100 μA，担保电子封印芯片能在较低场强下稳定事情。
2.3 芯片事情流程
芯片数字部分事情流程如图2所示：电子封印进场后，芯片正常上电，读写器发送寻卡指令，芯片根据读写器命令返回4位UID。当多封印同时进场时，还须要进行防冲突流程，然后读卡器完成选卡后，读写器和卡片须要进行相互的认证(三重认证)才能连续进行EEPROM的读写、加值、减值和数据存储等指令。该流程符合ISO14443协议干系哀求。个中各模块功能定义如下：
复位应答：芯片的通信协议和通信波特率是定义好的，基于此，读卡器和芯片进行相互认证。当卡片进入读卡器的操作范围时，读卡器以特定的协议与芯片通信，从而验证卡片的卡型。
防冲突机制：当有多张卡片在读卡器的操作范围内时，防冲突电路首先从多张卡中选中一张作为下一步处理的工具，而未选中的卡片处于空闲模式以等待下一步当选择，该过程返回一个当选中的卡的序列号。
选择卡片：选择当选中的卡的序列号，卡片返回选中确认编码（SAK）。
三重认证：选定要处理的卡片之后，读卡器首先发送认证指令，和芯片进行相互认证，在三次相互认证后就可以通过加密流进行任何通信。
各操作详细内容如下：
读：读一个块；
写：写一个块；
减：块中的内容作减法之后，结果存储在数据寄存器中；
加：块中的内容作加法之后，结果存储在数据寄存器中；
传输：将数据寄存器中的内容写入块中；
存储：将块中的内容读到数据寄存器；
停息：将卡置于停息事情状态。
2.4 三重认证流程
电子封印芯片的内嵌加密算法为国家商用密码算法（SM7）。该加密过程须要数字的加密算法和真随机数发生器合营完成，三重加密认证流程如图3所示，详细过程为：
认证指令：加密读写器发起要求认证指令。
RT(32 bit)：电子封印芯片返回32 bit真随机数。
Token1(64 bit)：电子封印认证读写器，读写器将32 bit随机数经由SM7加密后发送给电子封印芯片，芯片根据该数认证该读卡器是否有相应权限。
Token2(64 bit)：读写器认证电子封印，电子封印芯片根据读写器发生的Token1经SM7加密返回Token2，读卡器根据该数核验电子封印是否合法。
3 实现及测试结果
3.1 芯片实现及版图
在HJEE110nm标准CMOS工艺下实现了上述芯片，版图如图4所示，片上集成了RF电路、仿照电路、两个随机数发生器、数字逻辑电路、SM7加密算法、EEPROM电路及测试电路，芯片整体功耗小于100 μA，芯片核心部分面积约为0.5 mm2。
3.2 协议同等性测试
将上述芯片封装成标准ID1卡片，经由通信速率、负载调制深度、ISO时序、最大可耐受场强等功能验证和性能测试，芯片性能符合ISO14443协议，知足ISO10373测试协议的干系哀求。卡片的最小事情场强小于0.2 A/m。
3.3 封印封装及测试结果
电子封印封装如图5所示，为知足不同的运用需求，设计了直径为12 mm、10 mm和8 mm三种天线尺寸。芯片用COB的键合形式固定在PCB上。
电子封印的测试和验证须要加密读写器进行验证，开拓了符合SM7哀求的专用读写器，并通过加密卡(TE)对读写器进行授权。
卡片加密认证结果如图6所示，经测试，三种封装形式的电子封印均能在加密读卡器上完成上电复位、防冲突、选卡、三种认证、EEPROM的写入和读出，实现了电子封印芯片的预期功能。
4 结论
符合国家商用密码算法(SM7)哀求的电子封印标签，其安全性和可靠性在电力电网领域的资产管理方面将表示出显著的本钱上风。文中在HJEE110nm标准CMOS工艺下实现的射频电子封印符合ISO14443协议哀求和ISO10373-6测试标准。通过加密读写器验证，电子封印完备知足电子封印的设计需求。
参考文献
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作者信息:
符 令1，2，何 洋1，2，谭 浪1，2
(1.北京智芯微电子科技有限公司，国家电网公司重点实验室 电力芯片设计剖析实验室，北京100192；
2.北京智芯微电子科技有限公司，北京市电力高可靠性集成电路设计工程技能研究中央，北京100192)
