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第5章非接触式IC卡国际标准 接近式PICC接近式耦合装置PCD proximitycouplingdevice 第5章非接触式IC卡国际标准 5 1非接触式IC的概述5 2PICC的物理特性 14443 1 5 3射频能量与信息接口 14443 2 5 4初始化与防冲突 14443 3 5 5选择应答和传输协议 14443 4 非接触式IC卡的分类 读写器发射距离 CICC卡 Close CoupleICC PICC卡 ProximityICC VICC卡 VicinityICC 5 1非接触式IC的概述 IC卡如何获得能量 IC卡与读写器间如何交换信息 多卡同时处于读写器发射能量区域时如何防止操作冲突 非接触式IC卡面临的问题 非接触式PICC卡的国际标准 ISO IEC14443 1 2 3 4 5 2PICC的物理特性 14443 1 物理特性与尺寸应符合ISO IEC7810 还提出电磁场 射线 工作温度 机械形变等技术要求 5 3射频能量与信息接口 14443 2 5 3 1操作顺序 PCD的RF射频场激活PICC PICC等待PCD的命令 PCD发出命令 PICC发出应答 5 3 2能量传送 读写器PCD产生耦合到PICC的RF电磁场 用来传送能量和通信 经过调制和解调 PICC获得能量后 将其转换成直流电压 RF场的频率 fc 13 56MHz 7kHz RF场的磁场强度 H 1 5A m 7 5A m 在制造商指定的工作范围内读写器PCD产生的磁场强度至少为1 5A m 且不能超过7 5A m 5 3 3信号接口 TypeA TypeB PCD PICC PICC PCD 类型 传输方向 1 从PCD PICC的信号 TypeA 1 传输率 载波频率fc 13 56MHz 数据传输率 13 56MHZ 128 106Kbit s 调制深度ASK amplitudeshiftkeying 100 以间隙Pause传送数据 2 调制 3 数位的表示和编码 表示方式 时序X时序Y时序Z 信息的编码 逻辑 1 时序X逻辑 0 时序Y 1个位期间128 fc逻辑1与逻辑0的表示方式时序X 时序Y 时序Z位编码 Manchester编码定义 时序D 时序F 时序E 3 数位的表示和编码 表示方式 时序X时序Y时序Z 2 从PICC PCD的信号 TypeA 1 传输率 在初始化和防冲突期间 数据传输率 13 56MHZ 128 106Kbit s 2 负载调制 PICC通过电感耦合区与PCD进行通信 在PICC中 利用PCD发射的载波生成副载波 频率为fs 副载波在卡中用开通 断开负载的方法实现的 调制深度ASK amplitudeshiftkeying 50 以间隙Pause传送数据 3 数位的表示和编码 表示方式 时序D时序E时序F 信息的编码 逻辑 1 时序D逻辑 0 时序E通信开始 时序D通信结束 时序F无信息 无副载波 信息的编码采用曼彻斯特编码 5 4初始化与防冲突 14443 3 ISO IEC14443包括 PICC进入PCD场的转换过程 即登记 在PCD与PICC之间进行通信的初始化阶段用的字节格式 帧和时序 初始化REQ和ATQ 命令和应答 的内容 多张卡中检出1张卡并与之通信的方法 PCD与PICC进行初始化通信的其他参数 加速从多卡中选出1张卡的可选方法 PICC应遵守的最大登记复位 PollingReset 时间在表5 2中规定 5 4 1登记polling 为检出进入PCD能量场的PICC PCD重复发出请求命令REQA REQB 并查寻应答ATQA ATQB 这一过程称为 polling 5 4 2TypeA 初始化和防冲突 1 位 字节和帧格式 1 同步应答时序 PCD发送的最后一个间隙Pause结束和PICC发送的起始位的第一个调制边之间的时间应遵守规定 如图5 5 该时序的应用范围 REQA命令 应答 Wake up命令 应答 Anticollision命令 应答 Select命令 应答 2 请求 REQA 保护时间 相邻两个REQA命令的起始位之间的最小时间 其值 7000 fc 3 帧保护时间FGT 相反方向传送的两帧 其最后一位的上升边与下一帧起始位下降边间的最小时间 4 帧格式 用于比特冲突检测协议 REQA帧和WAKE UP帧 用于初始化通信 包含 通信起始位S 7位数据 低位先发送 通信结束位E 无奇偶校验位 标准帧 用于数据交换 其组成 通信起始位S n 8个数据位 奇校验位 其中n 1 通信结束位E 5 面向比特的防冲突帧 当至少有两个PICC发出不同的比特样本 位串 到PCD时 就能检测到冲突 第一部分 从PCD到PICC 第二部分 从PICC到PCD 面向比特防冲突帧的组成 满足以下规则 规则1 数据位的总数为56位 规则2 第1部分的最小长度是16个数据位 规则3 第1部分的最大长度是55个数据位 面向比特冲突检测协议的标准帧由7个数据字节组成 被分成两部分 比特防冲突帧的位组织和传送 数据位的两部分可在任意位置分开 分两种情况 情况1 完整字节 在一个完整的数据字节之后分开 在第1部分的最后一个数据位之后有一个校验位 情况2 分开的字节 在一个数据字节内分开 在第1部分的最后一个数据位之后不加校验位 SEL NVB UID0 UID1 标准帧 在第4个完整数据字节后分开 防冲突帧 第1部分 PCD到PICC 发送的第2位 发送的第1位 防冲突帧 第2部分 PICC到PCD 情况1 完整字节比特防冲突帧 SEL NVB UID0 UID1 标准帧 在第2个数据字节第5个数据位分开 防冲突帧 第1部分 PCD到PICC 发送的第2位 发送的第1位 防冲突帧 第2部分 PICC到PCD 情况2 分开字节比特防冲突帧 2 PICC状态 1 POWEROFF PICC由于缺少载波能量而处于断电状态 也不发射副载波 2 IDLE 休闲 状态 电磁场激活后延迟toRA时间 PICC进入IDLE状态 Q 何谓休眠状态 A 此时PICC加电 同时对已被调制的信号解调 并认识来自PCD的REQA和WAKE UP命令 3 READY 就绪 状态 当收到一个有效的REQA或WAKE UP命令 就进入READY状态 当PICC的UID 唯一标识符 被PCD发来的Selection命令选中时 就退出本状态 4 ACTIVE 激活 状态 当PICC的UID被PCD选中时就进入本状态 在激活状态 完成本次应用的全部操作 5 HALT 停止 状态 PICC状态图 图5 9 REQA命令 防冲突循环 Select命令 HALT命令 应用 Wake up命令 3 命令集 PCD管理进入能量场的多张卡的命令 REQAWAKE UPANTICOLLISIONSELECTHALT 1 REQA命令和WAKE UP命令 这两条命令都是使卡进入Ready状态 差别是REQA命令从IDLE进入Ready状态 而Wake up从Halt进入Ready状态 PICC接收到REQA命令或WAKE UP命令后 在PCD能量场范围内的所有PICC同步发出ATQA应答 长度为2字节 26 REAQ 0100110 1010010 52 Wake up 获得REQA的PICC发出ATQA 从IDLE进入READY 获得WAKE UP的PICC发出ATQA 从HALT进入READY REQA与WAKE UP的区别 ATQA编码表 表5 4 其中 UID 唯一标识符 UID UnityIdentification 表5 4ATQA的编码 UID大小是可变的 由b8b7决定 b8b7 00 UID 1 b8b7 01 UID 2 b8b7 10 UID 3 PCD接收ATQA应答 PICC进入READY状态 执行防冲突循环操作 用于防冲突循环 组成如下 2 ANTICOLLISION命令与SELECT命令 选择代码SEL 1字节 有效位数量NVB 1字节 由NVB指定的UIDCLn 0 40位 命令格式 校验位仅当UID的数据位为4字节时才有 PCD发出防冲突命令的目的是想从PICC得到卡的UIDCLn的一部分或全部 从而选出一张卡 表5 5UID的大小 表5 6UID的结构 见教材P124 表5 7SEL的编码 SEL的编码表见教材P125 其中高4位代表字节数 低4位表示位数 SEL和NVB字节也包括在字节数内 因此 最小字节数为2 最大字节数为7 此时NVB后面有40个数据为 表示UIDCLn 表明是Select命令 3 HALD命令 HALD命令由4个字节组成 4 初始化和防冲突时序 PCD的初始化和防冲突流程 图5 10 以应答确认SAK为目标 SAK是由PICC发给PCD的 是对选择命令的回答 SAK表示对被检出的卡的所有UID位已经核实 发送REQA 接收ATQA 选择UIDCL1 完成比特帧防冲突 专用帧和协议 CL 1 定义在ISO IEC14443 4中命令 专用防冲突 比特帧防冲突 UID完整 UID不完整 PCD初始化和防冲突 SAK是一个标准帧 结构如下 1字节 2字节 SAK的编码 PCD防冲突循环流程 图5 11 以从冲突的PICC中找出与40位UIDCLn匹配的卡为目标 见教材P127 要求 课堂看书 基本掌握流程 请见例题 例题1 假设在PCD场中有2张PICC卡 试说明初始化和防冲突过程 已知 PICC 1的UID大小 1 UID0 10 PICC 2的UID大小 2 约定 PCDtoPICC PICCtoPCD b 发送的第1位 最低位 比特帧防冲突选择时序如图所示 操作分三阶段 1 Request PCD发送请求命令 ATQA PICC 1 b1 1000000000000000 b16 卡 1采用比特防冲突 b8b7 00 UID 1 ATQA PICC 2 b1 1000001000000000 b16 卡 2采用比特防冲突 b8b7 01 UID 2 26 所有卡PICC应答ATQA 2 Anticollisionloop cascadelevel1 防冲突循环CL1 PICC 1 b1 00001000 b8 UID 1 PICC 2 b1 00010001 b8 UID 2 93 20 表5 6 Firstcollisionatbitpoint 4 93 24 b1 0001 b4 0001 PICC 2 coll 4 SEL命令 93 70 b1 00010001 b8 b1 1 b8b3 1 UID不完整 只有卡2响应 故不冲突 PCD发防冲突命令 3 Anticollisionloop cascadelevel2 防冲突循环CL2 95 20 PICC 2 SEL命令 b1 0 b8b3 0 UID完整 95 70 现在已完整 从UID0 UID7 7 最大字节数 表5 8 卡应答SAK 指出UID完整 从Ready状态转换到Active状态 5 4 3TypeB的初始化和防冲突 自学 1 位 字节和帧格式 2 帧格式 3 防冲突序列 4 命令集 5 5选择应答和传输协议 14443 4 本节将继续讨论Active状态和状态转换 从Active状态转换到HALT状态 5 5 1激活序列 分TypeA和TypeB两种情况 1 字节格式和帧格式 遵照ISO IEC14443中为PICCTypeA和TypeB定义的格式 4 PICCTypeA的激活过程 2 位持续时间 用基本时间单元eut表示 1etu 128 D fc 3 等待时间 14443 3 激活顺序 PCD检查SAK字节 如果SAK已根据UID选中了一张卡PICC PCD将发送RATS PICC发送ATS应答RATS PCD检查到不支持该PICC 将置PICC于HALT状态 PCD检查到不支持该协议 将使用PPS将PICC转到另一个协议 情况1 情况2 PICC完成一次交易之后 将被置于HALT状态 从PCD角度观察PICCTypeA的激活顺序 见图P138 5 PICCTypeB的激活 自学 5 5 2半双工分组传输协议T CL 定义了半双工传输协议的结构 该协议用于由PCD发送的数据传输 协议采用OSI参考模型的四层 物理层交换字节遵循14443 3 数据链路层交换分组 会话层结合数据链路层 应用层处理命令 在任一方向至少交换一个分组或分组链 1 分组格式 分组格式 开始字段信息字段结尾字段 1 开始字段 该字段是必备的 最多由3个字节构成 协议控制字节PCB protocolcontrolbyte 必备 卡标识符CID CardIdentifier 可选 结点地址字段NAD NadeAddress 可选 PCB协议控制字节 包含三种基本分组类型 信息分组I block 包含应用层所用的信息 还包含正 负的确认 接受准备分组R block 包含正负的确认 与最后接收的分组有关 管理分组S block 用于在PCD和PICC之间交换控制信息 INF字段是否存在有赖于它的控制 PCB的编码 1 I block b8b700 I block b60b5更多数据位需传送b4后面有CID b4 1 b3后面有NAD b3 1 b21 0b1分组号 2 R block b8b710 R block b6b500 无错误 11 EDC 奇偶错 b4后面有CID b4 1 b3后面有NAD b3 1 b21 0b1分组号 3 S block b8b711 S block b6b500 HALT 11 WTX b4后面有CID b4 1 b3后面有NAD b3 1 b21 0b10S request 1S response CID访问指定的PICC 可选 该PICC的标识符在卡激活时指定 CID的编码 0000b4b3b2b1 其中b4 b1为标识符 PICC激活时固定不变 当PICC进入HALT状态时 CID失效 NAD结点地址 可选 在PCD和PICC间建立逻辑连接 NAD的编码 0b7b6b50b3b2b1其中b7b6b5为目标结点地址 b3b2b1为源结点地址 该字段包含发送分组的错误检测码EDC ErrorDetectionCode 规定使用循环冗余校验码CRC CyclicRedundancycheck 2 信息字段 信息字段是可选的 如有INF 在I block中 为应用数据 在S block中 为状态数据 3 结束字段 1 帧等待时间FWT Framewaitingtime 2 等待时间 FWT用以检查错误或PICC无应答 超过FWT 卡无应答 PCD收回发送权 PICC可用S block请求扩展等待时间WTX 扩展后FWT为临时值FWTt FWTt FWT WTXM 其中WTXM为等待时间扩展倍增因子 2 帧保护时间FGT 接收分组与发送分组间的最小延迟 见图5 22 FGT t FWT FGT t PCD发送 PICC发送 PCD发送 5 5 3专用接口参数 5 5 4协议操作 参见教材P144 在激活之后 PCD获得发送权 无论PCD或PICC在发送一分组后 将处于接收方式 当PCD或PICC接收一分组或FWT超时 将获得发送权 I block包含一分组号 1位 起始值对PCD为0 对PICC为1 如确认已接收到一个I block或一个R block 分组号将改变 PCD检查每一次接收到的I b