ISO/IEC 14443協(xié)議淺談

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：同方股份有限公司 周智勇   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月29日

    一、 非接觸IC卡簡(jiǎn)介 

    非接觸IC卡又稱射頻卡，是射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。它解決了無(wú)源（卡中無(wú)電源）和免接觸這一難題，具有更加方便、快捷的特點(diǎn)，廣泛用于電子支付、通道控制、公交收費(fèi)、停車收費(fèi)、食堂售飯、考勤和門禁等多種場(chǎng)合。
    非接觸IC卡與條碼卡、磁卡、接觸式IC卡比較具有高安全性、高可靠性、使用方便快捷。這主要是由其技術(shù)特點(diǎn)決定，在近距耦合應(yīng)用中主要遵循的標(biāo)準(zhǔn)是ISO/IEC14443。 

    二、 ISO/IEC 14443簡(jiǎn)介 

    ISO/IEC14443規(guī)定了鄰近卡（PICC）的物理特性；需要供給能量的場(chǎng)的性質(zhì)與特征，以及鄰近耦合設(shè)備（PCDs）和鄰近卡（PICCs）之間的雙向通信；卡（PICCs）進(jìn)入鄰近耦合設(shè)備（PCDs)時(shí)的輪尋，通信初始化階段的字符格式，幀結(jié)構(gòu)，時(shí)序信息；非接觸的半雙功的塊傳輸協(xié)議并定義了激活和停止協(xié)議的步驟。傳輸協(xié)議同時(shí)適用于TYPE A 和 TYPE B。 

    TYPE A和TYPE B型卡片主要的區(qū)別在于載波調(diào)制深度及二進(jìn)制數(shù)的編碼方式和防沖突機(jī)制。 

    1、 調(diào)制解調(diào)與編碼解碼技術(shù) 

    根據(jù)信號(hào)發(fā)送和接收方式的不同，ISO/IEC14443-3定義了TYPEA、TYPEB兩種卡型。它們的不同主要在于載波的調(diào)制深度及二進(jìn)制數(shù)的編碼方式。 

    從PCD向PICC傳送信號(hào)時(shí)，二者是通過(guò)13.56Mhz的射頻載波傳送信號(hào)。從PICC向PCD傳送信號(hào)時(shí)，二者均通過(guò)調(diào)制載波傳送信號(hào),副載波頻率皆為847KHz。 

圖1：TYEP A、B 接口的通信信號(hào)

    Type A型卡在讀寫機(jī)上向卡傳送信號(hào)時(shí)，是通過(guò)13.65MHz的射頻載波傳送信號(hào)。其采用方案為同步、改進(jìn)的Miller編碼方式，通過(guò)100%ASK傳送；當(dāng)卡向讀寫機(jī)具傳送信號(hào)時(shí)，通過(guò)調(diào)制載波傳送信號(hào)。使用847kHz的副載波傳送Manchester編碼。簡(jiǎn)單說(shuō)，當(dāng)表示信息“1”時(shí)，信號(hào)會(huì)有0.3微妙的間隙，當(dāng)表示信息“0”時(shí)，信號(hào)可能有間隙也可能沒(méi)有，與前后的信息有關(guān)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是信息區(qū)別明顯，受干擾的機(jī)會(huì)少，反應(yīng)速度快，不容易誤操作；缺點(diǎn)是在需要持續(xù)不斷的提高能量到非接觸卡時(shí)，能量有可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。 

    Type B型卡在讀寫機(jī)具向卡傳送信號(hào)時(shí)，也是通過(guò)13.65MHz的射頻載波信號(hào)，但采用的是異步、NRZ編碼方式，通過(guò)用10%ASK傳送的方案；在卡向讀寫機(jī)具傳送信號(hào)時(shí)，則是采用的BPSK編碼進(jìn)行調(diào)制。即信息“1”和信息“0”的區(qū)別在于信息“1”的信號(hào)幅度大，即信號(hào)強(qiáng)，信息“0”的信號(hào)幅度小，即信號(hào)弱。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是持續(xù)不斷的信號(hào)傳遞，不會(huì)出現(xiàn)能量波動(dòng)的情況； 

    從PCD到PICC的通信信號(hào)接口主要區(qū)別在信號(hào)調(diào)制方面，TYPE A調(diào)制使用RF工作場(chǎng)的ASK100%調(diào)制原理來(lái)產(chǎn)生一個(gè)“暫停（pause）”狀態(tài)來(lái)進(jìn)行PCD和PICC間的通信。 

圖2 TYPE A 調(diào)制波形 

    TYPE B調(diào)制使用RF工作場(chǎng)的ASK10%調(diào)幅來(lái)進(jìn)行PCD和PICC間的通信。 

    調(diào)制指數(shù)最小應(yīng)為8%，最大應(yīng)為14%。 

圖3 TYPE B 調(diào)制波形

    根據(jù)二者的設(shè)計(jì)方案不同，可看出，TYPE A 和 TYPE B有以下不同： 

    ◆TYPE B接收信號(hào)時(shí)，不會(huì)因能量損失而使芯片內(nèi)部邏輯及軟件工作停止。在NPAUSE到來(lái)，TYPE A的芯片得不到時(shí)鐘，而TYPE B用10％ASK，卡片可以從讀寫器獲得持續(xù)的能量； TYPE B時(shí)容易穩(wěn)壓，所以比較安全可靠。TYPE A卡采用100％調(diào)制方式，在調(diào)制發(fā)生時(shí)候無(wú)能量傳輸，僅僅靠卡片內(nèi)部電容維持，所以卡片的通訊必須達(dá)到一定的速率，在電容電量耗完之前結(jié)束本次調(diào)制，否則卡片會(huì)復(fù)位。
    ◆負(fù)載波采用BPSK調(diào)制技術(shù)，TYPE B較TYPEA方案降低了6dB的信號(hào)燥聲，抗干擾能力更強(qiáng)。
    ◆外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。讀寫機(jī)具到卡及卡到讀寫機(jī)具的編碼方式均采用NRZ方案，電路設(shè)計(jì)對(duì)稱，設(shè)計(jì)時(shí)可使用簡(jiǎn)單的UARTS，TYPE B更容易實(shí)現(xiàn)。

    2、 防沖突機(jī)制 

    ISO/IEC 14443-3規(guī)定了TYPEA，TYPEB 的防沖突機(jī)制。二者防沖突機(jī)制的原理完全不同。前者是基于BIT沖突檢測(cè)協(xié)議，后者則是通過(guò)字節(jié)、幀及命令完成防沖突。 

    RFID的核心是防沖突技術(shù)，這也是和接觸式IC卡的主要區(qū)別。 

    TYPE A PICC防沖突和通信使用標(biāo)準(zhǔn)幀用于數(shù)據(jù)交換，并按以下順序組成： 

    ——通信開(kāi)始；
    ——n*（8個(gè)數(shù)據(jù)位+奇數(shù)奇偶校驗(yàn)位），n≥1。每個(gè)字節(jié)的LSB首先被發(fā)送。每個(gè)字節(jié)后面跟隨
    一個(gè)奇數(shù)奇偶校驗(yàn)位。奇偶校驗(yàn)位P被設(shè)置，使在（b1到b8，P）中1s的數(shù)目為奇數(shù)；
    ——通信結(jié)束。 

圖4 TYPE A 標(biāo)準(zhǔn)幀

    TYPE A PICC的初始化和比特沖突檢測(cè)協(xié)議是當(dāng)至少兩個(gè)PICC同時(shí)傳輸帶有一個(gè)或多個(gè)比特位置（該位置內(nèi)至少有兩個(gè)PICC在傳輸補(bǔ)充值）的比特模式時(shí)，PCD會(huì)檢測(cè)到?jīng)_突。在這種情況下，比特模式合并，并且在整個(gè)（100%）位持續(xù)時(shí)間內(nèi)載波以負(fù)載波進(jìn)行調(diào)制。 

圖5 TYPE A PICC狀態(tài)圖

    TYPE B PICC防沖突和通信初始化期間使用的字節(jié)、幀和命令的格式。
    PICC和PCD之間的字節(jié)通過(guò)字符來(lái)發(fā)送和接收，在防沖突序列期間，字符的格式如下：
    ——1個(gè)邏輯“0”起始位；
    ——8個(gè)數(shù)據(jù)位發(fā)送，首先發(fā)送LSB；
    ——1個(gè)邏輯“1”停止位。
    用一個(gè)字符執(zhí)行一個(gè)字節(jié)的發(fā)送需要10etu，如圖18示。 

圖6 TYPE B字符格式 

    PCD和PICC按幀發(fā)送字符。幀通常用SOF（幀的起始）和EOF（幀的結(jié)束）定界。
    SOF 字符 EOF 

圖7 TYPE B幀格式 

    在防沖突序列期間，可能發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上的PICC同時(shí)響應(yīng)：這就是沖突。命令集和允許PCD處理沖突序列以便及時(shí)分離PICC傳輸。
在完成防沖突序列后，PICC通信將完全處于PCD的控制之下，每次只允許一個(gè)PICC通信。
    防沖突方案以時(shí)間槽的定義為基礎(chǔ)，要求PICC在時(shí)間槽內(nèi)用最小標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)答。時(shí)間槽數(shù)被參數(shù)化，范圍從1到某一整數(shù)。在每一個(gè)時(shí)間槽內(nèi)，PICC響應(yīng)的概率也是可控制的。在防沖突序列中，PICC僅被允許應(yīng)答一次。從而，即便在PCD場(chǎng)中有多個(gè)卡，在一個(gè)時(shí)間槽內(nèi)也僅有一個(gè)卡應(yīng)答，并且PCD在這個(gè)時(shí)間槽內(nèi)能捕獲標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)。根據(jù)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)，PCD能夠與被標(biāo)識(shí)的卡建立一個(gè)通信信道。
    防沖突序列允許選擇一個(gè)或多個(gè)PICC以便在任何時(shí)候進(jìn)行進(jìn)一步的通信。 

圖8 TYPE B PICC狀態(tài)圖

    從建立PCD與PICC（CPU卡）之間通信的方面來(lái)比較：
    TYPE A類型卡片 需要的基本命令有：
    ? REQA 對(duì)A型卡的請(qǐng)求 或（WAKE-UP 喚醒）
    ? ANTICOLLISION 防沖突
    ? SELECT 選擇命令
    ? RATS 應(yīng)答響應(yīng) 

圖9 TYPE A PICC激活

    TYPE B類型卡片 需要的基本命令有：
    ? REQB 對(duì)B型卡的請(qǐng)求
    ? ATTRIB PICC選擇命 

    TYPE B PICC激活如圖8 所示 

    從以上的比較可以看出： 

    ? TYPE B類型卡片具有使用更少的命令，更快的響應(yīng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)防沖突和選擇卡片的能力。
    ? TYPEA的防沖突需要卡片上較高和較精確的時(shí)序，因此需要在卡和讀寫器中分別加更多硬件，而TYPE B的防沖突更容易實(shí)現(xiàn)。
    目前TYPE A和TYPEB 孰優(yōu)孰劣尚在爭(zhēng)議中。TYPE A的產(chǎn)品(Mifare卡)具有更高的市場(chǎng)普及率；但是TYPE B應(yīng)該在安全性、高速率和適應(yīng)性方面有更好的前景，代表產(chǎn)品如二代身份證。