TYPE B非接觸式IC卡防沖突原理的研究與實現(xiàn)

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：朱燦 , 梁楚樵   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月29日

    1　前　言

    非接觸IC卡又稱射頻卡,是近幾年發(fā)展起來的一項新技術(shù),同時也是射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)物。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、使用方便快捷等特點?？ㄅc讀寫器在相對運動的情況下也可完成操作,在讀寫器天線的可識別范圍之內(nèi),可能會同時出現(xiàn)多張卡片。如何完成每張可工作卡片的識別,并且進行正確的通信,這正是非接觸智能卡的防沖突技術(shù)要解決的問題。

     2　TYPE B非接觸IC卡工作原理

    非接觸式IC卡由包括電感線圈或小型高頻收發(fā)天線組成的射頻電路、能量轉(zhuǎn)換模塊與微處理器系統(tǒng)組成。射頻電路主要用來完成卡與讀寫設(shè)備的通信;能量轉(zhuǎn)換模塊用來從接收的射頻信號中產(chǎn)生卡片工作所需的時鐘信號和電源能量,其基本的工作原理是基于射頻識別技術(shù)RF ID, RF場的工作頻率為13. 56 MHz,讀寫器與卡之間采用異步半雙工方式進行通信,采用的是調(diào)幅的調(diào)制方式。在ISO1443 - 2國際標準中定義的TYPE B 通信協(xié)議規(guī)定,從讀寫器到卡的信號調(diào)制方式采用ASK 10%,編碼采用NRZ方式。從卡到讀寫器的信號調(diào)制方式采用BPSK,編碼采用BPSK曼徹斯特方式。TYPE B 采用的ASK 10%的調(diào)制方式信號無載波休止,因此更加穩(wěn)定,并且可以滿足將來高速通信的要求。

    3　多張卡片同時出現(xiàn)在終端操作范圍內(nèi)時防碰撞的實現(xiàn)方法

    3. 1　防沖突過程的指令

    TYPE B的防沖突是讀卡器對進入其讀寫范圍內(nèi)的有效卡片按一定的順序進行有條不紊的操作。在這個過程中,讀卡器始終處于主動狀態(tài),通過一個命令集來管理與多張卡片的通信。卡片內(nèi)部的操作系統(tǒng),能夠?qū)ψx卡器發(fā)出的這組命令集進行處理。當讀寫器在檢測到?jīng)_突發(fā)生時,讀寫器必須執(zhí)行相應(yīng)的防沖突(Anticollision)過程,以識別出每一張工作卡片,并準備進入傳輸協(xié)議的更高層, 以進行后續(xù)的通信過程。ISO /IEC14443 - 3協(xié)議中TYPE B用于防沖突過程的指令如下: 

    REQB /WUPB:用于查詢天線工作區(qū)中的卡片,在指令中包含了AFI應(yīng)用類標識符和時隙個數(shù)N 的信息,WUPB也可用于喚醒處于掛起狀態(tài)的卡片。 

    SLOTMARKER:用于對處于指令中所包含的時隙N 的卡片發(fā)出查詢命令。

    ATQB:用于對卡片接收到的REQB /WUPB和SLOTMARKER指令進行響應(yīng)。它除了給出應(yīng)用數(shù)據(jù)和卡上支持的協(xié)議信息以外,還給出了在防沖突過程中用于區(qū)分卡片的4個字節(jié)的卡片唯一標識號PUP I。

    ATTR IB:用于選擇指令中的PUP I所指定的卡片。同時也給出了讀寫器端的協(xié)議信息和用于多卡片通信環(huán)境下的唯一信道標識CID。ATB:卡片發(fā)出的對于ATTR IB指令的響應(yīng)。
　　　　　　　　　
    HLTB:用于將卡片置于HALT掛起狀態(tài),處于掛起狀態(tài)的卡片只對WUPB響應(yīng)。

    ATH:卡片發(fā)出的對于HLTB指令的響應(yīng)。

    3. 2　防沖突過程中的狀態(tài)

    為了與讀卡器的命令相配合,卡片操作系統(tǒng)(COS)以狀態(tài)機的形式處理讀卡器發(fā)來的命令,為此,卡片內(nèi)部定義了5種處理狀態(tài),即POWEROFF狀態(tài)、IDLE 狀態(tài)、READY狀態(tài)、ACTIVE 狀態(tài)和HALT狀態(tài)。

    POWER OFF狀態(tài):由于沒有載波能量,卡片沒有能量。

    IDLE狀態(tài): 卡片上電復(fù)位后,進入IDLE狀態(tài),這是卡片只對讀卡器發(fā)送的有效的并與卡片本身AF I匹配的REQB或WUPB命令進行處理。

    READY狀態(tài):在這種狀態(tài)下卡片只處理有效的ATTR IB或者HLTB。

    ACTIVE狀態(tài):在這種狀態(tài)下卡片可以接收高層命令并進行處理。

    HALT狀態(tài):在這種狀態(tài)下只接受WUPB 命令。 

圖1　防沖突過程實例圖

    3. 3　防沖突過程

    第一步:若有多張卡片進入RF場,當讀卡器檢測到?jīng)_突之后,發(fā)送多時隙帶AF I應(yīng)用標識符的REQB或者WUPB命令,那些與AF I相匹配的卡片,產(chǎn)生一個內(nèi)部隨機數(shù)R, R 的取值范圍在1～N 之間, R = 1的卡片即除在1時隙的卡片,回ATQB給讀卡器。若在1時隙內(nèi)有多于一張卡片回復(fù)ATQB,則發(fā)生新的沖突,這些卡片無法在此次防沖突循環(huán)中被識別出來,等待下次的防沖突循環(huán);若僅有一張卡片且正確回復(fù)ATQB,則讀卡器可接著發(fā)出ATTR IB或者HALT命令;若發(fā)AT2TR IB命令,則選定此卡進入ACTIVE狀態(tài),此時卡片可接受高層命令并進行處理, REQB 及WUPB命令無效,直至卡片離開射頻場內(nèi);若發(fā)出HLTB命令,則卡片進入HALT狀態(tài),此時卡片只接受WUPB命令,直至卡片離開射頻場內(nèi)。

    第二步:讀卡器發(fā)SLOTMARKER命令,由小到大依次檢查2～N 這N - 1個時隙,選取卡片的原理和過程同第一步。

    第三步:若一次防沖突循環(huán)之后,還有卡片未被識別出來,則繼續(xù)執(zhí)行步驟1和步驟2,直至所有卡片被識別出來。

    防沖突循環(huán)允許在任何時間選擇一張或者多張卡進行進一步的高層通信。

    3. 4　防沖突過程實例

    實例如圖1所示。設(shè)同時有3張卡進入RF場中, 3張卡片的應(yīng)用類型各不相同。首先讀卡器發(fā)單時隙REQB命令,卡片1和卡片3都回復(fù)了ATQB,讀卡器檢測到?jīng)_突后,改發(fā)4 時隙的REQB命令,卡片1 選擇了時隙2,這次不回復(fù)ATQB;卡片3選擇了1時隙,馬上回復(fù)ATQB;卡片2類型符不對,所以不做反應(yīng)。然后讀卡器發(fā)時隙2的SLOTMARKER命令,卡片1回復(fù)AT2QB;卡片2類型不符,還是不做回復(fù),卡片3時隙不符也不做回復(fù)。讀卡器接著發(fā)出時隙3和時隙4的SLOTMARKER命令,卡片1和3不在這2個時隙內(nèi),不做回復(fù);卡片2 類型不對,也不做回復(fù);此時卡片1和3等待著HLTB或者ATTR IB,所以這2個時隙內(nèi)沒有回復(fù)。讀卡器接著發(fā)時隙3和時隙4的SLOTMARKER命令,卡片1和3不在這2個時隙內(nèi),不做回復(fù);卡片2 類型不對,也不做回復(fù);此時卡片1和3等待著HLTB或者ATTR IB,所以這2個時隙內(nèi)沒有回復(fù)。

    4　實　驗

    讀卡器的設(shè)計采用P IC16F876單片機,以及符合ISO14443 - A和ISO14443 - B協(xié)議的PH IL2IP公司的MF RC531 ISO14443讀卡芯片。RC531可以讀TYPE A 和TYPE B 卡,能完成產(chǎn)生RF場、收發(fā)數(shù)據(jù)、檢查CRC等所有與IC卡對話所需的工作。它根據(jù)單片機發(fā)出的命令進行相應(yīng)的操作, 在編程語言上采用C語言。

    5　結(jié)　論

    在絕大多數(shù)實際應(yīng)用中,同一時間內(nèi)RF場中一般都只會出現(xiàn)一張卡片(如考勤機) ,所以整個系統(tǒng)在默認的狀態(tài)下是不停地發(fā)送單時隙的讀卡命令。當檢測到有沖突時,考慮到RF場的作用范圍(10 cm)和實際應(yīng)用情況,這時改發(fā)4時隙的讀卡命令,執(zhí)行防沖突循環(huán)。這樣的設(shè)計方式既保證了絕大多數(shù)情況下讀卡器準確、迅速地識別卡片,又保證了沖突發(fā)生時對多張卡片的正確識別。另外由于軟件編寫采用的是C語言,因而代碼效率高,可移植性好。對于其他單片機控制RC531的設(shè)計可以不做大的修改加以應(yīng)用。根據(jù)防沖突模型,在PH IL IP公司的RC531非接觸式IC卡芯片上實現(xiàn)了防沖突協(xié)議,實際應(yīng)用證明系統(tǒng)運行高效、正確。 

    (文/武漢理工大學信息工程學院,朱　燦,梁楚樵)