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第 5 章 非接触式 IC 卡国际标准

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 ）. 5.1 非接触式 IC 的概述. 非接触式 IC 卡的分类（读写器发射距离）：.

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第 5 章 非接触式 IC 卡国际标准

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Presentation Transcript

  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 )

  2. 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）

  3. 5.1 非接触式IC的概述 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）

  4. 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/IEC 14443-1/2/3/4

  5. 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。

  6. 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）。

  7. 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/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。

  8. 5.3.3 信号接口 类型 • Type A ； • Type B ； 传输方向 PCD →PICC ； PICC→PCD；

  9. 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； （2）调制 调制深度 ASK（amplitude shift keying）： 100%； 以间隙Pause传送数据

  10. （3）数位的表示和编码 时序X 时序Y 时序Z 表示方式 逻辑“1”：时序X 逻辑“0”：时序Y 信息的编码

  11. 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 时序X 时序Y 时序Z 表示方式

  12. 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； （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。

  13. （3）数位的表示和编码 时序D 时序E 时序F 表示方式 调制深度 ASK（amplitude shift keying）： 50%； 以间隙Pause传送数据

  14. 信息的编码采用曼彻斯特编码。 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

  15. 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。

  16. 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”。 PICC应遵守的最大登记复位（Polling Reset）时间在表5.2中规定。

  17. 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。

  18. 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。

  19. （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。

  20. 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。

  21. 面向比特防冲突帧的组成 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： • 第一部分（从PCD到PICC） • 第二部分（从PICC到PCD） • 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。

  22. 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。

  23. 标准帧，在第4个完整数据字节后分开 SEL NVB UID0 UID1 防冲突帧，第1部分：PCD到PICC 发送的第1位 防冲突帧，第2部分：PICC到PCD 发送的第2位 情况1：完整字节比特防冲突帧

  24. 标准帧，在第2个数据字节第5个数据位分开 SEL NVB UID0 UID1 防冲突帧，第1部分：PCD到PICC 发送的第1位 防冲突帧，第2部分：PICC到PCD 发送的第2位 情况2：分开字节比特防冲突帧

  25. 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IDLE状态。

  26. 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。

  27. （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

  28. POWER OFF IDLE 状态 HALT 状态 READY 状态 ACTIVE 状态 REQA命令 防冲突循环 Select 命令 应 用 HALT 命令 Wake-up 命令 PICC状态图（图5.9）

  29. 3. 命令集 －PCD 管理进入能量场的多张卡的命令 • REQA • WAKE-UP • ANTICOLLISION • SELECT • HALT

  30. （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。 0100110 “26”＝REAQ 1010010 “52”＝Wake-up

  31. * REQA 与 WAKE-UP的区别 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。

  32. 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；

  33. PCD接收ATQA应答，PICC进入READY状态，执行防冲突循环操作。

  34. －用于防冲突循环，组成如下： 1字节 0～4字节 1字节 1字节 （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（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UID CLn的一部分或全部，从而选出一张卡。

  35. 表5.5 UID的大小 表5.6 UID的结构 见教材 P 124

  36. 表5.7 SEL的编码 SEL的编码表见教材P 125。 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。

  37. 1字节 0～4字节 1字节 （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。

  38. 开 始 检测 ATQA 检测 SAK PCD初始化和防冲突 发送REQA 比特帧防冲突 接收ATQA 专用防冲突 选择UID CL1 专用帧和协议 完成比特帧防冲突 CL+1 UID不完整 UID完整 定义在ISO/IEC 14443－4中命令

  39. SAK是一个标准帧，结构如下： 1字节 2字节 SAK的编码：

  40. PCD防冲突循环流程（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：

  41. 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： PCD to PICC PICC to PCD （× × ×‥ ×）b 发送的第1位（最低位）

  42. REQA 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） 所有卡PICC应答ATQA 卡＃1采用比特防冲突，b8b7=00, ∴UID＝1 ’26’ ATQA PICC #1 b1（10000000 00000000）b16 卡＃2采用比特防冲突，b8b7=01, ∴UID＝2 ATQA PICC #2 b1（10000010 00000000）b16

  43. （2）Anticollision loop, cascade level 1（防冲突循环CL1） PICC #1 ’93’ ’20’ ∵UID＝1 表5.6 PCD发防冲突命令 b1（00001000 ）b8 PICC #2 b1（00010001 ）b8 ∵ UID＝2 First collision at bitpoint ＃4 ∴ coll＝4 PICC #2 （0001 ） ’93’ ’24’ 只有卡2响应，故不冲突 b1（0001 ）b4 SEL命令 ’93’ ’70’ b1（00010001 ）b8 b1（× ×1× × × × ×）b8 b3=1, UID不完整

  44. （3）Anticollision loop, cascade level 2（防冲突循环CL2） PICC #2 ’95’ ’20’ 现在已完整，从UID0～UID7 SEL命令 ’95’ ’70’ “7”－最大字节数，表5.8 b1（× ×0× × × × ×）b8 b3=0, UID 完整 卡应答SAK，指出UID完整，从Ready状态转换到Active状态

  45. 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

  46. 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。

  47. 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 3. 等待时间：14443-3

  48. 激活顺序 情况1 • 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。 情况2 • 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。

  49. 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。

  50. 5. PICC Type B的激活 自学

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