ISO/IEC 14443協議淺談

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：同方股份有限公司 周智勇   人氣： 發表時間：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議并定義了激活和停止協議的步驟。傳輸協議同時適用于TYPE A 和 TYPE B。 

    TYPE A和TYPE B型卡片主要的區別在于載波調制深度及二進制數的編碼方式和防沖突機制。 

    1、 調制解調與編碼解碼技術 

    根據信號發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。這種方式的優點是信息區別明顯，受干擾的機會少，反應速度快，不容易誤操作；缺點是在需要持續不斷的提高能量到非接觸卡時，能量有可能會出現波動。 

    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。這種方式的優點是持續不斷的信號傳遞，不會出現能量波動的情況； 

    從PCD到PICC的通信信號接口主要區別在信號調制方面，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。 

    調制指數最小應為8%，最大應為14%。 

圖3 TYPE B 調制波形

    根據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的能量； TYPE B時容易穩壓，所以比較安全可靠。TYPE A卡采用100％調制方式，在調制發生時候無能量傳輸，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。

    2、 防沖突機制 

    ISO/IEC 14443-3規定了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沖突檢測協議，后者則是通過字節、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卡的主要區別。 

    TYPE A PICC防沖突和通信使用標準幀用于數據交換，并按以下順序組成： 

    ——通信開始；
    ——n*（8個數據位+奇數奇偶校驗位），n≥1。每個字節的LSB首先被發送。每個字節后面跟隨
    一個奇數奇偶校驗位。奇偶校驗位P被設置，使在（b1到b8，P）中1s的數目為奇數；
    ——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%）位持續時間內載波以負載波進行調制。 

圖5 TYPE A PICC狀態圖

    TYPE B PICC防沖突和通信初始化期間使用的字節、幀和命令的格式。
    PICC和PCD之間的字節通過字符來發送和接收，在防沖突序列期間，字符的格式如下：
    ——1個邏輯“0”起始位；
    ——8個數據位發送，首先發送LSB；
    ——1個邏輯“1”停止位。
    用一個字符執行一個字節的發送需要10etu，如圖18示。 

圖6 TYPE B字符格式 

    PCD和PICC按幀發送字符。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據進行應答。時間槽數被參數化，范圍從1到某一整數。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據。根據標識數據，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。
    目前TYPE A和TYPEB 孰優孰劣尚在爭議中。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。