ISO/IEC 14443、射频、PICC
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目錄
一、非接觸IC卡簡介
二、ISO/IEC14443簡介
2.1調制解調與編碼解碼技術
2.2 防沖突機制
2.2.1 什么是防沖突？為什么要防沖突？
2.2.2 怎么防沖突？
三、TYPE A和TYPE B的基本通信命令
3.1 Type A類型卡通信
3.2 Type B類型卡通信
四、通信協議（RTF、TTF）
五、參考文獻
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/IEC14443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TYPEA和TYPEB。
? ? ? ? ?TYPEA和TYPEB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。
2.1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。
? ? ? ? ?TypeA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。
? ? ? ? ?TypeB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；
? ? ? ? 根據二者的設計方案不同，可看出，TYPEA和TYPEB有以下不同：
? ? ? ? ? ? ? ◆ TYPEB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，TYPEA的芯片得不到時鐘，而TYPEB用10％ASK，卡片可以從讀寫器獲得持續的能量；TYPEB時容易穩壓，所以比較安全可靠。TYPEA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，TYPEB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，TYPEB更容易實現。
2.2 防沖突機制
2.2.1 什么是防沖突？為什么要防沖突？
? ? ? ? ?正常情況下讀寫器某一時刻只能對磁場中的一張射頻卡進行讀寫操作。但是當多張卡片同時進入讀寫器的射頻場時，讀寫器怎么辦呢？讀寫器需要選出唯一的一張卡片進行讀寫操作，這就是防沖突。
2.2.2 怎么防沖突？
? ? ? ? ? 防沖突機制是非接觸式智能卡特有的問題。在接觸式智能卡的操作中是不存在沖突的，因為接觸式智能卡的讀寫器有一個專門的卡座，而且一個卡座只能插一張卡片，不存在讀寫器同時面對兩張以上卡片的問題。常見的非接觸式智能卡中的防沖突機制主要有以下幾種：
? ? ? ?（1）面向比特的防沖突機制。
? ? ? ? ?ISO14443 type A中使用這種防沖突機制，其原理是基于卡片有一個全球唯一的序列號。比如Mifare1卡，每張卡片有一個全球唯一的32位二進制序列號。顯而易見，卡號的每一位上不是“1”就是“0”，而且由于是全世界唯一，所以任何兩張卡片的序列號總有一位的值是不一樣的，也就說總存在某一位，一張卡片上是“0”，而另一張卡片上是“1”。
? ? ? ? ?當兩張以上卡片同時進入射頻場，讀寫器向射頻場發出卡呼叫命令，問射頻場中有沒有卡片。這些卡片同時回答“有卡片”；
? ? ? ? ?然后讀寫器發送防沖突命令“把你們的卡號告訴我”，收到命令后所有卡片同時回送自己的卡號。
? ? ? ? ?可能這些卡片卡號的前幾位都是一樣的。比如前四位都是1010，第五位上有一張卡片是“0”而其他卡片是“1”，于是所有卡片在一起說自己的第五位卡號的時候，由于有卡片說“0”，有卡片說“1”，讀寫器聽出來發生了沖突。
? ? ? ? ?讀寫器檢測到沖突后，對射頻場中的卡片說，讓卡號前四位是“1010”，第五位是“1”的卡片繼續說自己的卡號，其他的卡片不要發言了。
? ? ? ? ?結果第五位是“1”的卡片繼續發言，可能第五位是“1”的卡片不止一張，于是在這些卡片回送卡號的過程中又發生了沖突，讀寫器仍然用上面的辦法讓沖突位是“1”的卡片繼續發言，其他卡片禁止發言，最終經過多次的防沖突循環，當只剩下一張卡片的時候，就沒有沖突了，最后勝出的卡片把自己完整的卡號回送給讀寫器，讀寫器發出卡選擇命令，這張卡片就被選中了，而其他卡片只有等待下次卡呼叫時才能再次參與防沖突過程。
? ? ? ? 上述防沖突過程中，當沖突發生時，讀寫器總是選擇沖突位為“1”的卡片勝出，當然也可以指定沖突位為“0”的卡片勝出。
? ? ? ? 上述過程有點擬人化了，實際情況下讀寫器是怎么知道發生沖突了呢？在前面的數據編碼中我們已經提到，卡片向讀寫器發送命令使用副載波調制的曼側斯特(Manchester)碼，副載波調制碼元的右半部分表示數據“0”，副載波調制碼元的左半部分表示數據“1”，當發生沖突時，由于同時有卡片回送“0”和“1”，導致整個碼元都有副載波調制，讀寫器收到這樣的碼元，就知道發生沖突了。
? ? ? ? 這種方法可以保證任何情況下都能選出一張卡片，即使把全世界同類型的所有卡片都拿來防沖突，最多經過32個防沖突循環就能選出一張卡片。缺點是由于卡序列號全世界唯一，而卡號的長度是固定的，所以某一類型的卡片的生產數量也是一定的，比如常見的Mifare1卡，由于只有4個字節的卡序列號，所以其生產數量最多為2的32次方，即4294967296張。
? ? ?（2）面向時隙的防沖突機制
? ? ? ? ISO14443 Type B中使用這種防沖突機制。這里的時隙(timeslot)其實就是個序號。這個序號的取值范圍由讀寫器指定，可能的范圍有1-1、1-2、1-4、1-8、1-16。當兩張以上卡片同時進入射頻場，讀寫器向射頻場發出卡呼叫命令，命令中指定了時隙的范圍，讓卡片在這個指定的范圍內隨機選擇一個數作為自己的臨時識別號。然后讀寫器從1開始叫號，如果叫到某個號恰好只有一張卡片選擇了這個號，則這張卡片被選中勝出。如果叫到的號沒有卡片應答或者有多于一張卡片應答，則繼續向下叫號。如果取值范圍內的所有號都叫了一遍還沒有選出一張卡片，則重新讓卡片隨機選擇臨時識別號，直到叫出一張卡片為止。
? ? ? ?這種辦法不要求卡片有一個全球唯一序列號，所以卡片的生產數量沒有限制，但是理論上存在一種可能，就是永遠也選不出一張卡片來。
? ? ? ?Felica采用的也是這種機制。
? ? ?（3）位和時隙相結合的防沖突機制
? ? ? ? ISO15693中使用這種機制。一方面每張卡片有一個8字節的全球唯一序列號，另一方面讀寫器在防沖突的過程中也使用時隙叫號的方式，不過這里的號不是卡片隨機選擇的，而是卡片唯一序列號的一部分。
? ? ? ? 叫號的數值范圍分為0-1和0-15兩種。其大體過程是，當有多張卡片進入射頻場，讀寫器發出清點請求命令，假如指定卡片的叫號范圍是0-15，則卡片序列號最低4位為0000的卡片回送自己的7字節序列號。如果沒有沖突，卡片的序列號就被登記在PCD中。然后讀寫器發送一個幀結束標志，表示讓卡片序列號最低4位為0001的卡片作出應答；之后讀寫器每發送一個幀結束標志，表示序列號的最低4位加1，直到最低4位為1111的卡片被要求應答。如果此過程中某一個卡片回送序列號時沒有發生沖突，讀寫器就可選擇此張卡片；如果巡檢過程中沒有卡片反應，表示射頻場中沒有卡片；如果有卡片反應的時隙發生了沖突，比如最低4位是1010的卡片回送卡號時發生了沖突，則讀寫器在下一次防沖突循環中指定只有最低4位是1010的卡片參與防沖突，然后用卡片的5-8位作為時隙，重復前面的巡檢。如果被叫卡片的5-8位時隙也相同，之后再用卡片的9-12位作為時隙，重復前面的巡檢，依次類推。讀寫器可以從低位起指定任意位數的序列號，讓卡號低位和指定的低位序列號相同的卡片參與防沖突循環，卡片用指定號前面的一位或4位作為時隙對讀寫器的叫號作出應答。由于卡片的序列號全球唯一，所以任何兩張卡片總有某個連續的4位二進制數不一樣，因而總能選出一張卡片。需要指出的是，當選定的時隙數為1時，這種防沖突機制等同于面向比特的防沖突機制。
? ? ? ? ?另外需要說明的是，TTF（Tag Talk First）的卡片一般是無法防沖突的。這種卡片一進入射頻場就主動發送自己的識別號，當有多張卡片同時進入射頻場時就會發生不讀卡的現象。這時只有靠卡片的持有者自己去避免沖突了。
? ? ? ? ?ISO/IEC14443-3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。
? ? ? ? ?TYPEB與TYPEA相比，具有傳輸能量不中斷、速率更高、抗干擾能力更強的優點。RFID的核心是防沖突技術，這也是和接觸式IC卡的主要區別。
三、TYPE A和TYPE B的基本通信命令
? ? ? ? ?從建立PCD與PICC（CPU卡）之間通信的方面來比較：
? ? ? ? TYPEA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
? ? ? ? TYPEB類型卡片需要的基本命令有：
? ? ? ? ? ? ?? REQB對B型卡的請求
? ? ? ? ? ? ?? ATTRIBPICC選擇命
? ? ? ? 從以上的比較可以看出：
? ? ? ? TYPEB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TYPEB的防沖突更容易實現。
? ? ? ? 目前TYPEA和TYPEB孰優孰劣尚在爭議中。TYPEA的產品(Mifare卡)具有更高的市場普及率；但是TYPEB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。
3.1 Type A類型卡通信
ISO14443 Type A類型卡的防碰撞過程以及命令解析
3.2 Type B類型卡通信
ISO14443 Type B類型卡的防碰撞過程以及命令解析
四、通信協議（RTF、TTF）
? ? ? ? 通訊協議是通訊的雙方或多方在交流時遵守的規矩，包括誰先發起通訊，先交流什么，后交流什么，一方如何問，另一方如何答等。在這里通迅的雙方指的是讀寫器和卡片。
? ? ? ? 首先是誰先發起通訊，很顯然有兩種，讀寫器先發言和卡片先發言。前一種叫Reader Talk First，簡稱為RTF;后一種叫Tag Talk First，簡稱為TTF。
? ? ? ? 我們知道，卡片從讀寫器產生的射頻場獲得工作時需要的能量，一般認為應該是讀寫器主動，卡片被動才對，這也是人之常情。所以多數功能稍復雜的卡片都是采用RTF模式，即讀寫器問，卡片回答。讀寫器沒有命令，卡片是無論如何也不能主動說話的。但是有些卡片功能單一，每次與讀寫器的交流中只會回答一個問題，而且每次內容都相同。對于這種卡片，似乎再讓讀寫器每次先提問已經沒有什么意義了，還不如每次與讀寫器交流直接讓卡片先說它那永遠不會變的一句話得了，于是就有了TTF模式。TTF模式的卡片一般都是我們常說的ID卡，即識別卡，ID卡每次說的相同的一句話都是一個識別號，讀寫器利用這個識別號確定持卡者的身份。
???其次是交流的秩序。對TTF卡片當然沒什么秩序可言了，一進入射頻場卡片就自說自話。但對RTF的卡片一般有嚴格的順序，如下圖所示：
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? ? ? ? ?第一步是讀寫器呼叫卡，如果射頻場中有讀寫器支持的卡片，卡片將回送一個應答，告訴讀寫器自己是什么類型的卡片。
? ? ? ? ?然后讀寫發出命令選中卡片，如果射頻場中有多張卡片，通常還要進行防沖突循環以便決出唯一張卡片進行操作。
? ? ? ? 第三步是進行認證，一方面讀寫器要認證卡片是合法的，另一方卡片也要認證讀寫器是合法的。如果認證順利通過，就可以進行正常的讀寫數據操作了。
? ? ? ? ?這些步驟并不都是必須的，有些簡單的卡片，要求操作前用戶把卡片放到讀寫器上，讀寫器直接對其進行讀寫操作，前面的3步都省了；有些卡片沒有密碼，當然不需要相互認證；有些卡片不支持防沖突，同時有多張卡片時將無法操作；還有些卡片將呼叫和防沖突用一個步驟代替。所以對于具體的卡片，要仔細閱讀其說明書，進行具體的分析。
? ? ? ? ? 還有一類卡片既可以工作在TTF模式，又可以工作在RTF模式。兩種模式之間的切換一般有兩種方式：一種是卡片剛進入射頻場上電復位后會等待一個固定時間，在這段時間內如果有讀寫器的命令，則工作在RTF模式，如果沒有收到命令則進入TTF模式。另一種是卡片上電后主動在RTF與TTF之間不停的切換，在TTF模式下發送完一個識別號后，立即進入RTF模式等待讀寫器的命令，如果有命令則執行命令，沒有命令則退出RTF模式返回TTF模式繼續發送識別號，之后進行下一次的切換。
? ? ? ? ?最后還有一個全雙工（Full Duplex，FDX）和半雙工（Half Duplex,HDX）的概念。在有線通訊中，我們知道全雙工就是通訊雙方可以同時雙向通訊，半雙工就是雖能雙向通訊，但某一時刻只能有一個方向通訊。一般來說當然是全雙工好，如果技術上能實現全雙工，當然最好不用半雙工；成本上全雙工貴，半雙工便宜。但在射頻識別技術中FDX和HDX并不是這個意思。在ISO11785中對FDX和HDX的定義如下：
? ? ? ?FDX：標簽和讀寫器在讀寫器產生的磁場沒有消失的情況下進行通訊。
? ? ? ?HDX：標簽和讀寫器在讀寫器產生的磁場停止之后進行通訊。
? ? ? ?RFID技術中FDX的例子如Mifare系列卡片，HDX的例子如TI公司的134.2KHz標簽，如RI-TRP-WR2B。目前的射頻卡FDX比較多，因為射頻卡無源，需要從讀寫器的射頻場取電，射頻場不消失，卡片可以源源不斷的取電，對卡片內部的儲能電路要求不高。缺點是卡片回送數據時因為自己不能產生射頻場，只能被動發送，所以一般采取負載調制的方法回送數據。HDX在讀寫器的射頻場停止后回送數據，讀寫器對卡片數據的識別解調容易。缺點是對卡片的儲能電路要求較高，而且回送數據量有限。成本上HDX也未必比FDX便宜。
五、參考文獻
射頻識別技術漫談
ISO14443 Type A類型卡的防碰撞過程以及命令解析
ISO14443 Type B類型卡的防碰撞過程以及命令解析
ISO14443A_中國金融集成電路(IC)卡非接觸式規范
總結
以上是生活随笔為你收集整理的ISO/IEC 14443、射频、PICC的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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