第5章 非接触式IC卡国际标准.ppt

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1、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 (proximity coupling device ),第5章 非接触式IC卡国际标准,5.1 非接触式IC的概述 5.2 PICC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-Couple ICC） PICC卡（Proximity ICC) VICC卡（Vicinity ICC）,5.1 非接触式IC的概述,IC卡如何获得能量？ I

2、C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/IEC 14443-1/2/3/4,5.2 PICC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（读写器）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

3、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=13.56 MHz 7kHz,RF场的磁场强度：H=1.5A/m7.5A/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,Type A ； Type B ；,PCD PICC ； PICCPCD；,类型,传输方向,1. 从PCD PICC的信号（Type A）,（1）传输率,载波频率fc： 13.56MHz；,数据传输率：13.56MHZ/128=106Kbit/s；,Q：何谓数据传输率？,A: 每秒传输的数据量。,（2）从PCDPICC属于信

4、源编码,编码方式根据信源和信道区分。 信源编码有很多，,Q：常见的信源编码有哪些？,非归零编码（Nonreturn to Zero,NRZ） 归零编码（Return Zero,RZ） 曼侧斯特编码（Manchester） 密勒编码（Miller） 变形密勒编码（Modified Miller） 差分编码（Differential Coding） 脉冲-间隔编码等。,PCDPICC的Type A编码采用变形密勒编码,（2）调制方式,调制方式根据基带信号控制载波的方式 分四种：,幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）； 频移键控（Frequency Shift Keyin

5、g，FSK）； （绝对）相移键控（Phase Shift Keying，PSK）； 相对相移键控（或称差分相移键控）（Differential PSK，DPSK）。,幅移键控方式ASK（amplitude shift keying）、 调制深度 100%；,以间隙Pause传送数据,从PCD PICC的调制（Type A）采用：,（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,2. 从PICC PCD 的信号（Type A）,（1）传输率,在初始化和防冲突期间：,数据传输率：13.56MHZ/128=106Kbit/s；,Type A

6、在PCDPICC通信时为变形密勒编码， 而PICCPCD通信时为曼侧斯特编码方式。Type B采用非归零编码（NRZ）方式。,（2）编码方式,（3）负载调制,PICC通过电感耦合区与PCD进行通信，采用副载波的负载调制方式。,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。,调制方式与PCDPICC通信大为不同，有另外两种形式：,负载调制； 使用副载波的负载调制。,调制深度 ASK（amplitude shift keying）： 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

7、“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/IEC 14443 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（Polling Reset）时间在表5.2中规定。,5.4.1 登记 polling,为检出进入

8、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”。,5.4.2 Type A 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

9、，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n1； 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

10、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 93,NVB 40,UID0 32,UID1 10,UID2 AB,UID3 CD,BCC 44,举例：,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

11、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,其中：SEL：选择命令代码；NVB：有效位数量；UID0：标识符；BCC：校验位。 低位在前，高位在后。,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,不加校验位,2. PICC 状态,（1）POWER OFF,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I

12、DLE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.

13、 命令集,PCD 管理进入能量场的多张卡的命令,REQA WAKE-UP ANTICOLLISION SELECT HALT,（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ATQ

14、A，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（Unity Identification）,表5.4 ATQA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UID CLn（040位）,命令格式：

15、,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UID CLn的一部分或全部，从而选出一张卡。,表5.5 UID的大小,表5.6 UID的结构,见教材 P 124,表5.7 SEL的编码,NVB 的编码表见教材P 125，表5.8。,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UID CLn），表明是Select命令。,ANTICOLLISION命令与SELECT命令,命令格式：,靠NVB来区分SEL和ANTICOLLISION 命令,当NVB40

16、为 SEL命令；NVB40 为 ANTICOLLISION 命令,（3）HALT 命令,HALT 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UID CL1,完成比特帧防冲突,专用帧和协议,CL+1,定义在ISO/IEC 144434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

17、流程（图5. 11）以从冲突的PICC中找出与40位UID CLn匹配的卡为目标。 见教材 P 127.,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： PICC1的UID 大小：1，UID0=“10”PICC2的UID 大小：2,约定：,PCD to PICC,PICC to PCD,（ ）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（10000000 00000000）b16,卡1采用比特防冲突，b8b7=00,

18、UID1,ATQA,PICC #2,b1（10000010 00000000）b16,卡2采用比特防冲突，b8b7=01, UID2,26,所有卡PICC应答ATQA,（2）Anticollision loop, cascade level 1（防冲突循环CL1）,PICC #1,b1（00001000 ）b8,UID1,PICC #2,b1（00010001 ）b8, UID2,93,20,表5.6,First collision at bitpoint 4,93,24,b1（0001 ）b4,（0001 ）,PICC #2, coll4,SEL命令,93,70,b1（00010001 ）b

19、8,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）Anticollision loop, cascade level 2（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UID0UID6,“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,5.4.3 Type B 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

20、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Type A 和Type B两种情况。,1. 字节格式和帧格式,遵照ISO/IEC 14443 中为PICC Type A 和Type B定义的格式。,4. PICC Type A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 D 的初值为1。,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HAL

21、T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PICC Type A的激活顺序。 见图 P138。,5. PICC Type B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。 本协议的内容：,数据分组的帧结构； 数据传送控制； 专用接口控制。,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

22、. 分组格式,分组格式,开始字段 信息字段 结尾字段,分组是帧的专有类型，是一个有效的T=CL的数据格式。,（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（protocol control byte）（必备）； 卡标识符CID（Card Identifier）（可选）； 结点地址字段NAD（Nade Address）（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、

23、INF字段是否存在有赖于它的控制；,PCB 的编码,（1）I-block,b8b7 00（ I-block） b6 0 b5 更多数据位需传送 b4 后面有CID（b4=1） b3 后面有NAD（b3=1） b2 1？0 b1 分组号（1位，二进制表示）,（2）R-block,b8b7 10（ R-block） b6b5 00（无错误）、11（EDC，奇偶错） b4 后面有CID（b4=1） b3 后面有NAD（b3=1） b2 1？0 b1 分组号,（3）S-block,b8b7 11（ S-block） b6b5 00（HALT）、11（WTX） b4 后面有CID（b4=1） b3 后面

24、有NAD（b3=1） b2 1？0 b1 0 S（request）1 S（ 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b4b1 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：0 b7 b6 b5 0 b3 b2 b1其中b7 b6 b5为目标结点地址、b3 b2 b1为 源结点地址；,该字段包含发送分组的错误检测码EDC （Error Detection Code）， 规定使用循环冗余校验

25、码CRC （Cyclic Redundancy check）。,（2）信息字段,信息字段是可选的。 如有INF，与I-block对应，为应用数据；与S-block对应，为状态数据；,（3）结束字段,（1）帧等待时间FWT（Frame waiting time）,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 FWTWTXM,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。,FGTtFWT,FGT

26、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 P 144,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-block或R-block的号码，假如该block的号码与期望号不相等，则重发最后一个分组。 PICC不必检查所接收的分组号码，在发送后面的block，指出有错的R-bloc

27、k带有下一个期望的分组号。,5.5.5 多卡激活,多卡激活过程（表5.10）,PCD在激活状态可同时处理几张卡，可直接在几张卡之间接通而不需为解除当前已激活的卡和激活新卡多花时间。在关闭场之前，所有激活的卡都应处于HALT状态。,说明：,1、链接,链接功能允许PCD或PICC发送的信息长度比FSD或FSC规定的最大分组长度还要长。 如FCD或FICC要发送的信息长度长于1个分组的最大值，将信息分成几组。 每组长度各自等于FSD或FSC，并利用链接功能。 I-block PCB中的M1时，将被R-block确认。,M=1 在以后分组中有链接数据。 M0 链的最后一个分组。 I（M）x 分组号为x

28、的R-block表示确认 （无错误）。,例：发送数据012345F，分组链接如 下：,发送（）,接收（）,I（1）0,I（1）1,I（0）0,R（ACK）0,R（ACK）1,2、解除激活序列,当PCD与PICC之间的交易完成后，PICC应处于HALT状态。 PCD将发送S（HALT请求）block将PICC置于HALT状态。 PICC发送S（HALT应答）后，并且PCD从PICC接到一个有效S（HALT应答）后，PICC进入HALT状态，并释放CID。,3、无差错操作协议规则,规则1 PCD发送第一个分组 。 规则2 接收器应该确认发送器发送的I-block，确认可由I-block或R-block表示，如果有链接，接收器应转为发送器。 规则3 S-block成对使用，S（请求）分组的后面经常跟随S（应答）分组。,1. 非接触式IC卡有哪些标准？ 2. 非接触式IC卡按读写距离分成哪三种？ 3. 非接触式IC卡如何获得工作电压？ 4. 非接触式IC卡的操作顺序如何？ 5. 非接触式IC卡中信息传输通常采用哪些信 源编码方式？ 6. 何谓卡的休眠状态？ 7. REQA命令和Wake up 命令的差别？ 8. ANTICOLLISION命令与SELECT命令的格式。,思考与练习,