ISO/IEC 14443協(xié)議淺談
文章出處:http://m.dipdnbxp.cn 作者:同方股份有限公司 周智勇 人氣: 發(fā)表時間:2011年09月29日
一、 非接觸IC卡簡介
非接觸IC卡又稱射頻卡,是射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。它解決了無源(卡中無電源)和免接觸這一難題,具有更加方便、快捷的特點,廣泛用于電子支付、通道控制、公交收費、停車收費、食堂售飯、考勤和門禁等多種場合。
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簡介
ISO/IEC14443規(guī)定了鄰近卡(PICC)的物理特性;需要供給能量的場的性質(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)時的輪尋,通信初始化階段的字符格式,幀結(jié)構(gòu),時序信息;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傳送信號時,二者是通過13.56Mhz的射頻載波傳送信號。從PICC向PCD傳送信號時,二者均通過調(diào)制載波傳送信號,副載波頻率皆為847KHz。
圖1:TYEP A、B 接口的通信信號
Type A型卡在讀寫機(jī)上向卡傳送信號時,是通過13.65MHz的射頻載波傳送信號。其采用方案為同步、改進(jìn)的Miller編碼方式,通過100%ASK傳送;當(dāng)卡向讀寫機(jī)具傳送信號時,通過調(diào)制載波傳送信號。使用847kHz的副載波傳送Manchester編碼。簡單說,當(dāng)表示信息“1”時,信號會有0.3微妙的間隙,當(dāng)表示信息“0”時,信號可能有間隙也可能沒有,與前后的信息有關(guān)。這種方式的優(yōu)點是信息區(qū)別明顯,受干擾的機(jī)會少,反應(yīng)速度快,不容易誤操作;缺點是在需要持續(xù)不斷的提高能量到非接觸卡時,能量有可能會出現(xiàn)波動。
Type B型卡在讀寫機(jī)具向卡傳送信號時,也是通過13.65MHz的射頻載波信號,但采用的是異步、NRZ編碼方式,通過用10%ASK傳送的方案;在卡向讀寫機(jī)具傳送信號時,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”的信號幅度大,即信號強(qiáng),信息“0”的信號幅度小,即信號弱。這種方式的優(yōu)點是持續(xù)不斷的信號傳遞,不會出現(xiàn)能量波動的情況;
從PCD到PICC的通信信號接口主要區(qū)別在信號調(diào)制方面,TYPE A調(diào)制使用RF工作場的ASK100%調(diào)制原理來產(chǎn)生一個“暫停(pause)”狀態(tài)來進(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工作場的ASK10%調(diào)幅來進(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)計方案不同,可看出,TYPE A 和 TYPE B有以下不同:
◆TYPE B接收信號時,不會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,TYPE A的芯片得不到時鐘,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)生時候無能量傳輸,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的信號燥聲,抗干擾能力更強(qiáng)。
◆外圍電路設(shè)計簡單。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)計對稱,設(shè)計時可使用簡單的UARTS,TYPE B更容易實現(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沖突檢測協(xié)議,后者則是通過字節(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:
——通信開始;
——n*(8個數(shù)據(jù)位+奇數(shù)奇偶校驗位),n≥1。每個字節(jié)的LSB首先被發(fā)送。每個字節(jié)后面跟隨
一個奇數(shù)奇偶校驗位。奇偶校驗位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協(xié)議是當(dāng)至少兩個PICC同時傳輸帶有一個或多個比特位置(該位置內(nèi)至少有兩個PICC在傳輸補充值)的比特模式時,PCD會檢測到?jīng)_突。在這種情況下,比特模式合并,并且在整個(100%)位持續(xù)時間內(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)通過字符來發(fā)送和接收,在防沖突序列期間,字符的格式如下:
——1個邏輯“0”起始位;
——8個數(shù)據(jù)位發(fā)送,首先發(fā)送LSB;
——1個邏輯“1”停止位。
用一個字符執(zhí)行一個字節(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)生兩個或兩個以上的PICC同時響應(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PICC通信。
防沖突方案以時間槽的定義為基礎(chǔ),要求PICC在時間槽內(nèi)用最小標(biāo)識數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)答。時間槽數(shù)被參數(shù)化,范圍從1到某一整數(shù)。在每一個時間槽內(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場中有多個卡,在一個時間槽內(nèi)也僅有一個卡應(yīng)答,并且PCD在這個時間槽內(nèi)能捕獲標(biāo)識數(shù)據(jù)。根據(jù)標(biāo)識數(shù)據(jù),PCD能夠與被標(biāo)識的卡建立一個通信信道。
防沖突序列允許選擇一個或多個PICC以便在任何時候進(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)之間通信的方面來比較:
TYPE A類型卡片 需要的基本命令有:
? REQA 對A型卡的請求 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B型卡的請求
? 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)速度來實現(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的防沖突更容易實現(xiàn)。
目前TYPE A和TYPEB 孰優(yōu)孰劣尚在爭議中。TYPE A的產(chǎn)品(Mifare卡)具有更高的市場普及率;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。