ISO/IEC 14443協(xié)議淺談

文章出處：http://56733.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，是射頻識別技術和IC卡技術有機結合的產物。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。這主要是由其技術特點決定，在近距耦合應用中主要遵循的標準是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與特征，以及鄰近耦合設備（PCDs）和鄰近卡（PICCs）之間的雙向通信；卡（PICCs）進入鄰近耦合設備（PCDs)時的輪尋，通信初始化階段的字符格式，幀結構，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)別在于載波調制深度及二進制數(shù)的編碼方式和防沖突機制。 

    1、 調制解調與編碼解碼技術 

    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制深度及二進制數(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、改進的Miller編碼方式，通過100%ASK傳送；當卡向讀寫機具傳送信號時，通過調制載波傳送信號。使用847kHz的副載波傳送Manchester編碼。簡單說，當表示信息“1”時，信號會有0.3微妙的間隙，當表示信息“0”時，信號可能有間隙也可能沒有，與前后的信息有關。這種方式的優(yōu)點是信息區(qū)別明顯，受干擾的機會少，反應速度快，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；在卡向讀寫機具傳送信號時，則是采用的BPSK編碼進行調制。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，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)別在信號調制方面，TYPE A調制使用RF工作場的ASK100%調制原理來產生一個“暫停（pause）”狀態(tài)來進行PCD和PICC間的通信。 

圖2 TYPE A 調制波形 

    TYPE B調制使用RF工作場的ASK10%調幅來進行PCD和PICC間的通信。 

    調制指數(shù)最小應為8%，最大應為14%。 

圖3 TYPE B 調制波形

    根據(jù)二者的設計方案不同，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％調制方式，在調制發(fā)生時候無能量傳輸，僅僅靠卡片內部電容維持，所以卡片的通訊必須達到一定的速率，在電容電量耗完之前結束本次調制，否則卡片會復位。
    ◆負載波采用BPSK調制技術，TYPE B較TYPEA方案降低了6dB的信號燥聲，抗干擾能力更強。
    ◆外圍電路設計簡單。讀寫機具到卡及卡到讀寫機具的編碼方式均采用NRZ方案，電路設計對稱，設計時可使用簡單的UARTS，TYPE B更容易實現(xiàn)。

    2、 防沖突機制 

    ISO/IEC 14443-3規(guī)定了TYPEA，TYPEB 的防沖突機制。二者防沖突機制的原理完全不同。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，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準幀用于數(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被設置，使在（b1到b8，P）中1s的數(shù)目為奇數(shù)；
    ——通信結束。 

圖4 TYPE A 標準幀

    TYPE A PICC的初始化和比特沖突檢測協(xié)議是當至少兩個PICC同時傳輸帶有一個或多個比特位置（該位置內至少有兩個PICC在傳輸補充值）的比特模式時，PCD會檢測到沖突。在這種情況下，比特模式合并，并且在整個（100%）位持續(xù)時間內載波以負載波進行調制。 

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：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，要求PICC在時間槽內用最小標識數(shù)據(jù)進行應答。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，PICC響應的概率也是可控制的。在防沖突序列中，PICC僅被允許應答一次。從而，即便在PCD場中有多個卡，在一個時間槽內也僅有一個卡應答，并且PCD在這個時間槽內能捕獲標識數(shù)據(jù)。根據(jù)標識數(shù)據(jù)，PCD能夠與被標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以便在任何時候進行進一步的通信。 

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 應答響應 

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的產品(Mifare卡)具有更高的市場普及率；但是TYPE B應該在安全性、高速率和適應性方面有更好的前景，代表產品如二代身份證。