第6章非接触卡

1第6章非接触卡内容提纲1、非接触卡的电磁场基础2、在ISO/IEC14443标准中，定义了两种射频调幅调制的信号类型TYPEA：TYPEB：了解两种卡片的工作基波，副载波，数据速率、调制波形、调制系数3、TYPEA中Miller编码的数据表示方法4、TYPEA的IC卡命令集、状态集，和状态转换5、TYPEA防冲突算法—二进制树搜索算法6、负载调制7、Mifare1系列中，目前只有S50和S70两个型号，简述S50卡片内部16个分区，每个分区的功能职责划分2.1射频识别的电磁场理论射频识别系统中读写器与卡片之间的能量和数据传输的理论基础是电磁场理论，交变的电场产生磁场，交变的磁场产生电场。麦克斯韦方程组描述了电场与磁场相互转化中产生的对称性。麦克斯韦方程组如下[5]。BjwE(2.1)DjwJH(2.2)D(2.3)20B(2.4)其中：E：电场强度(V/m)H：磁场强度(A/m)B：磁感应强度(T)D：电位移矢量(C/m2)j：电流密度(A/In2)：电荷密度(C/m3)方程组中的四个方程比不完成独立，其中两个三度方程可以从两个旋度方程推导出。为了得到一个完整的系统，4个基本方程的各个矢量满足下面的组成关系。)(EDD(2.5))(EJJ(2.6))(EBB(2.7)上述方程是场的本构关系，表示了场与介质之间的关系，也称之为介质的特性方程或者辅助方程。对于线性媒质有下面的关系。ED(2.8)iJEJ(2.9)HB(2.10)其中，ε、σ、μ分别表示媒质的介电常数、电导率、磁导率，此三者统称为媒介的本构参数，对于各向同性媒质他们是标量，对于均匀媒质它们是常量，对于非均匀媒质它们是位置的函数，对于各向异性媒质它们是张量；iJ是外加电流密度，与电路理论中的电流源是一致的。iJ、为产生电磁场E、H的源，通常iJ与ρ之间的关系为公式2.11。0tJ(2.11)2.2读写器与IC卡的通信在ISO/IEC14443标准中，定义了两种射频条幅调制的信号类型，即TYPEA和TYPEB，本设计采用的是TYPEA。TYPEA的射频调幅调制IC卡与读写器发送、接收波形分别如图2.2和图2.3所示，图中阴影部分为13.56MHz的射频基波。数字信号作为副载波搭载于射频基波上，射频基波为IC卡提供了能量，调幅调制信号传送了数据。在非接触式IC卡的内部，载于射频基波上的副载波经过检波、滤波和放大等处理之后，即可得到方波。在接收的13.56MHz的基波中含有847.5kHz的副载波，由副载波对基波的调制实现了接收信号的传递。每一位数据的传送时间为9.44us，所以传送速率为106Kbit/s[7]。3图2.2读写器发送的TYPEA波形图2.3读写器接收的TYPEB波形按照ISO/IEC14443的规定，读写器发送电磁波的部分电路被称为PCD(proximitycouplingdevice)，IC卡中接收电磁波的部分电路被称为PICC(proximityintegratedcircuitcard)。1、PCD到PICC的数据传输TYPEA发送波形为100%调制的变形的Miller编码，如图2.2所示。数据调制幅度大，易于识别，但由于中间出现短时间(3μs)无波形，导致瞬时不能为IC卡提供能量，要求IC卡中应有较大的电源滤波电容，以保持供电的稳定。IC卡对PCD发送的波形进行检波、滤波放大处理后变为如图2.4所示的近似波形。这是Miller编码的变形形式。图2.4变形的Miller编码2、PICC到PCD的数据传输TYPEA的接收波形为10%负载调制的Manchester编码，如图2.3所示。在9.44us时间4内，从有副载波转为无副载波为“1”；从无副载波到转为有副载波为“0”。负载调制就是利用负载的某些差异或负载的变动而使源的某些参数发送相应的过程或效应。射频卡与读写器天线采用的是电感耦合方式，而射频卡的天线是读写器发射天线的负载，射频卡通过改变天线回路的参数，使读写器端被调制，从而实现了以微弱的能量从射频卡到读写器的数据传输。负载调制如图2.5所示。图2.5负载调制2.3ISO14443A标准简介系统采用的是13.56MHz的RFID系统，读写器与IC卡是基于电感耦合的工作方式，读写器天线采用磁场耦合近场天线。而有关近耦合非接触式IC卡的技术标准主要是ISO/IEC14443。ISO/IEC14443标准分为4部分。1、物理特性。规定了非接触式IC卡的尺寸、防紫外线和X射线要求、承受外作用力的要求、承受电磁干扰的要求和承受环境温度的范围。2、射频功率与信号接口。给出了读写器接口耦合装置与无触点集成电路卡之间的信息传递方式、磁场强度和射频频率等规定。3、初始化和防冲突。当读写器在一定范围内有多张非接触式IC卡时，如果处理不当，极易出现多张卡同时相应读写器导致通信混乱，这就是所谓的冲突。非接触式IC卡的核心技术就在于防冲突，这部分规定了TYPEA和TYPEB两种协议下的防冲突机制。二者防冲突机制的原理不同，前者是基于为冲突检测协议，而TYPEB通过命令序列完成防冲突。防冲突机制使得同时处于读写区内的多张IC卡的正确操作成为可能。本设计采用的TYPEA的非接触IC卡。4、传送协议。规定了非接触式IC半双工方式下的数据块传送协议，并定义了激活和暂停的步骤。本系统设计的读写器参照的是ISO14443A标准，根据该标准，下面介绍本设计中读写器与IC卡之间的通信、TYPEA的IC卡命令集和状态集[6]。2.4TYPEA的IC卡命令集和状态集1、TYPEA的IC卡状态集（1）POWER-OFF（掉电状态）。描述：由于缺少载波能量，PICC不能被激励。状态跳出：如果PICC所处的场强足够大，则PICC经过延时后进入IDLE状态。（2）IDLE（闲置状态）5描述：PICC被加电，能识别有效的REQA/WUPA命令后，进入READY状态，并发送其ATQA。状态跳出：PICC收到有效的REQA/WUPA命令（3）READY（准备状态）描述：在该状态下，位帧防冲突和专有的防冲突方法都可以应用。状态跳出：当PICC被选择后则进入ACTIVE状态。（4）ACTVIE（激活状态）描述：在该状态下，PICC听从任何上层报文。状态跳出：当接收到有效的HLTA命令式，PICC进入HALT状态。（5）HLTA（暂停状态）描述：PICC仅能相应WUPA命令。2、TYPEA的命令集TYPEA型的命令集共有5个命令，读写器通过发送这5个命令实现对IC卡的防冲突和选择[8]。REQA：请求命令。WUPA：唤醒命令。ANTICOLLISION：防冲突命令。SELECT：选择命令。HLTA：暂停命令。TYPEA的状态转换图如图2.6所示。其中：ACANTICOLLISION命令（匹配UID）nACANTICOLLISION命令（不匹配UID）SELECTSELECT命令（匹配UID）nSELECTSELECT命令（不匹配UID）RATSRATS选择应答请求6DESELECTDESELECT命令Error检测到传输错误或者帧错误图2.6状态转换图2.5防冲突算法在RFID系统工作是，可能会出现读写器的作用范围内的多个标签同时向读写器发送数据，此时就会出现数据之间的冲突，使得读写器不能识别出标签。因此标签的防冲突算法是RFID读写器设计的关键问题。目前主要的防冲突算法有二进制树搜索算法和基于Aloha算法。ISO/IEC14443标准中TYPEA采用的是二进制树搜索算法的防冲突，TYPEB采用的是基于Aloha算法的防冲突。2.5.1TYPEA—二进制树搜索算法二进制树搜索算法是基于时分多路法。该算法需要两个基本条件来实现：能够判断出冲突位的信号编码和具有唯一性的标签序列号。ISO/IEC14443TYPEA规定了PICC（标签）信号使用Manchester编码，PCD（读写器）能准确的定位出数据冲突的比特位；PICC又唯一的标识身份的序列号，即UID（32位）。ISO/IEC14443TYPEA还规定了PCD和PICC之7间的指令集。TYPEA的二进制树搜索算法的工作流程如图2.7所示。图2.7二进制树搜索算法1、当PICC进入PCD的工作范围时，PCD发送寻卡、防冲突命令后，PICC回复自己的UID。2、如果PCD的工作范围内只有一个PICC，PCD会收到一个完整的没有冲突位的PICC的UID；如果PCD的工作范围内有两个或两个以上的PICC，由于采用的Manchester编码，多个UID上的某位不相同，PCD收到既不是1也不是0的数据，则该位为冲突比特位，PCD只处理第一个冲突比特位。图2.8为Manchester编码的数据传输冲突译码。3、PCD发出含UID掩码的查询命令，掩码高位是UID第一个冲突比特位以前相同的数据段部分，最低位可设为0或1，一般设为1。4、PICC比对自己的UID和防冲突命令中的UID掩码对应部分，只有相同的PICC才回复UID。5、重复3和4两步直到选出唯一的PICC，然后进行数据操作。图2.8Manchester编码的数据传输冲突译码至此，一次防冲突操作执行完毕。操作完毕的PICC进入HALT状态，重复该算法，就可以检索PCD工作范围内的其他PICC。2.5.2TYPEB—时隙Aloha算法8Aloha算法是基于时分多址技术的一种分组广播通信方式，最早是为计算机之间的信息传输而设计的。Aloha算法应用于RFID系统时，是指当有一个数据包可供使用，PICC就会把这个数据发送给PCD，PCD一个单独的PICC时就会与这个PICC进行通信。碰撞的思想是：当多个PICC同时发送数据给PCD时，信号就会发生重叠而产生部分冲突或者全部冲突。若PCD发现有冲突发生，PCD就会发送相关指令让PICC停止发搜狗信息，随机等待一段时间后再发送信息以减少冲突的发生。相对于TYPEA的二进制树搜索算法，TYPEB对PICC的硬件要求更高，要能产生伪随机数。图2.9为TYPEB的时隙Aloha算法原理。1、PCD发出包含AFI（ApplicationFamilyIdentifier）和N（slot的数目，协议里用3个bit表示，可设为1、2、4、8、16）的查询命令，这也标志着第一个slot的开始。2、PCD继续发送N-1个Slot-MARKER命令，用来标志每个slot的开始，命令里有4个bit来标志第2-N（最大16）个slot。3、在PCD工作范围内且WAKEUP的PICC比较自己的AFI是否与命令匹配，若匹配则生成一个属于[1，N]的伪随机数R，如果R与当前slot数相同，则回复该查询命令。4、N个slot即一次循环结束，如果PCD在某个时隙只收到一个有效的回复，即没有发生冲突，则可选定该PICC进行数据操作。图2.9时隙Aloha算法原理至此，一次防冲突操作执行完毕。操作完毕的PICC进入HALT状态，重复该算法，就可以检索PCD工作范围内的其他AFI匹配的PICC。2.6负载调制负载调制是电子标签经常使用的向读写器传输数据的方法。负载调制通过对电子标签振荡回路的电参数按照数据流的节拍进行调节，使电子标签阻抗的大小和相位随之改变，从而完成调制的过程。负载调制技术主要有电阻负载调制和电容负载调制两种方式。92.4.1电阻负载调制在电阻负载调制中，负载并联一个电阻，称为负载调制电阻，该电阻按数据流的时钟接通和断开，开关S的通断由二进制数据编码控制。电阻负载调制的电路原理图如图7.15所示。（点击查看大图）图7.15电阻负载调制的电路原理图电阻负载调制的特性如下。（1）当二进制数据编码为1时，开关S接通，电子标签的负载电阻为和的并联；当二进制数据编码为0时，开关S断开，电子标签的负载电阻为。这说明，开关S接通时，电子标签的负载电阻比较小。（2）对于并联谐振，如果并联电阻比较小，将降低品质因数。也就是说，当电子标签的负载电阻比较小时，品质因数值将降低，