RFID ISO 14443

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RFID ISO 14443

2023-09-07 18:17| 来源: 网络整理| 查看: 265

文章目录 ISO/IEC 14443简介1 调制解调与编码解码技术2 防冲突机制2.1 A型卡的初始化和防碰撞2.2 B型卡的初始化和防碰撞 3 实现放冲突多卡识别的原理分析3.1 TYPE A、TYPE B卡通讯信号3.1.1 TYPE A 多张卡同时出现在终端操作范围内时,防碰撞的实现方法3.1.2 TYPE B 多张卡同时出现在终端操作范围内时,防碰撞的实现方法 参考文献

ISO/IEC 14443简介

ISO/IEC14443规定了邻近卡(PICC)的物理特性;需要供给能量的场的性质与特征,以及邻近耦合设备(PCDs)和邻近卡(PICCs)之间的双向通信;卡(PICCs)进入邻近耦合设备(PCDs)时的轮寻,通信初始化阶段的字符格式,帧结构,时序信息;非接触的半双功的块传输协议并定义了激活和停止协议的步骤。传输协议同时适用于TYPE A 和 TYPE B。   TYPE A和TYPE B型卡片主要的区别在于载波调制深度及二进制数的编码方式和防冲突机制。

1 调制解调与编码解码技术

根据信号发送和接收方式的不同,ISO/IEC14443-3定义了TYPEA、TYPEB两种卡型。它们的不同主要在于载波的调制深度及二进制数的编码方式。   从PCD向PICC传送信号时,二者是通过13.56Mhz的射频载波传送信号。从PICC向PCD传送信号时,二者均通过调制载波传送信号,副载波频率皆为847KHz。          [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-I0yZppHK-1592036425646)(http://bbs.ic37.com/uploadFiles/2012-5-18/000cf1bdc9db0c05a4a228.jpg)]             图1:TYEP A、B 接口的通信信号                Type A型卡在读写机上向卡传送信号时,是通过13.65MHz的射频载波传送信号。其采用方案为同步、改进的Miller编码方式,通过100%ASK传送;当卡向读写机具传送信号时,通过调制载波传送信号。使用847kHz的副载波传送Manchester编码。简单说,当表示信息“1”时,信号会有0.3微妙的间隙,当表示信息“0”时,信号可能有间隙也可能没有,与前后的信息有关。这种方式的优点是信息区别明显,受干扰的机会少,反应速度快,不容易误操作;缺点是在需要持续不断的提高能量到非接触卡时,能量有可能会出现波动。   Type B型卡在读写机具向卡传送信号时,也是通过13.65MHz的射频载波信号,但采用的是异步、NRZ编码方式,通过用10%ASK传送的方案;在卡向读写机具传送信号时,则是采用的BPSK编码进行调制。即信息“1”和信息“0”的区别在于信息“1”的信号幅度大,即信号强,信息“0”的信号幅度小,即信号弱。这种方式的优点是持续不断的信号传递,不会出现能量波动的情况;   从PCD到PICC的通信信号接口主要区别在信号调制方面,TYPE A调制使用RF工作场的ASK100%调制原理来产生一个“暂停(pause)”状态来进行PCD和PICC间的通信。          [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-mCfY18aT-1592036425649)(http://bbs.ic37.com/uploadFiles/2012-5-18/000cf1bdc9db0c05a4a229.jpg)]               图2 TYPE A 调制波形                  TYPE B调制使用RF工作场的ASK10%调幅来进行PCD和PICC间的通信。   调制指数最小应为8%,最大应为14%。          [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-pOZPziB6-1592036425654)(http://bbs.ic37.com/uploadFiles/2012-5-18/000cf1bdc9db0c05a4a22a.jpg)]               图3 TYPE B 调制波形

根据二者的设计方案不同,可看出,TYPE A 和 TYPE B有以下不同:

TYPE B接收信号时,不会因能量损失而使芯片内部逻辑及软件工作停止。在NPAUSE到来,TYPE A的芯片得不到时钟,而TYPE B用10%ASK,卡片可以从读写器获得持续的能量; TYPE B时容易稳压,所以比较安全可靠。TYPE A卡采用100%调制方式,在调制发生时候无能量传输,仅仅靠卡片内部电容维持,所以卡片的通讯必须达到一定的速率,在电容电量耗完之前结束本次调制,否则卡片会复位。负载波采用BPSK调制技术,TYPE B较TYPEA方案降低了6dB的信号燥声,抗干扰能力更强。外围电路设计简单。读写机具到卡及卡到读写机具的编码方式均采用NRZ方案,电路设计对称,设计时可使用简单的UARTS,TYPE B更容易实现。 2 防冲突机制

防碰撞: 根据卡(PICCs)向耦合设备(PCDs)发送的数据调制波形不同,标准卡(PICCs)分A型卡和B型卡。而防碰撞算法是指当卡进入耦合设备有效范围时,从多卡中选取其中的一张进行通信的方法。在防冲突序列期间,可能发生两个或两个以上的PICC同时响应:这就是冲突。在完成防冲突序列后,PICC通信将完全处于PCD的控制之下,每次只允许一个PICC通信。

2.1 A型卡的初始化和防碰撞

当一个A型卡到达了阅读器的作用范围内,并且有足够的供应电能,卡就开始执行一些预置程序后,IC卡进入闲置状态。处于“闲置状态”的IC卡不能对阅读器传输给其他IC卡的数据起响应。IC卡在“闲置状态”接收到有效的REQA命令,则回送对请求的应答字ATQA。当IC卡对REQA命令作了应答后,IC卡处于READY状态。阅读器识别出:在作用范围内至少有一张IC卡存在。通过发送SELECT命令启动“二进制检索树”防碰撞算法,选出一张IC卡,对其进行操作。      PICC的状态集:     1. 掉电状态:没有足够的载波能量,PICC没有工作,也不能发送发射波;     2. 闲置状态:PICC已经上电,能够解调信号,并能够识别有效的REQA和WAKE-UP命令。     3. 准备状态:实现位帧的防碰撞算法或其它可行的防碰撞算法。     4. 激活状态:PCD通过防碰撞算法已经选出了单一的卡。     5. 结束状态。        命令集:   PICC用于管理与PICC之间通信的命令有:      1. REQA        对A型卡的请求      2. WAKE-UP      唤醒      3. ANTICOLLISION   防碰撞      4. SELECT       选择      5. HALT        结束

2.2 B型卡的初始化和防碰撞

当一个B型卡被置入阅读器的作用范围内,IC卡执行一些预置程序后进入”闲置状态“,等待接收有效的REQB命令。对于B型卡,通过发送REQA命令,可以直接启动Slotted ALOHA防碰撞算法,选出一张卡,对其进行操作。

PICC的状态集:     1. 掉电状态:没有足够的载波能量,PICC没有工作,也不能发送发射波;     2. 闲置状态:PICC已经上电,监听数据帧,并能够识别有效的REQB和信息。当接收到有效的REQB帧的命令,PICC定义了单一的时间槽用来发送ATQB。如果是PICC定义的第一个时间槽,PICC必须发送ATQB的响应信号,然后进入准备–已声明子状态。如果不是PICC定义的第一个时间槽,PICC进入准备–已请求子状态。     3. 准备–已请求子状态:PICC已经上电,并且已经定义了单一的时间槽用来发送ATQB。它监听REQB和Slot-MARKER数据帧。     4. 准备–已声明子状态:PICC已经上电,并且已经发送了对REQB的ATQB响应,它监听了REQB和ATTRIB的数据帧。     5. 激活状态:PICC已经上电,并且通过ATTRIB命令的前缀分配到了通道号,进入应用模式。     6. 结束状态:PICC工作完成,将不再发送调制信号,不参加防碰撞循环。

命令集:   管理多极点的通信通道的4个基本命令:     REQB        对B型卡的请求     Slot-MATRKER   查询命令     ATTRIB PICC    选择命令的前缀     DESELECT     去选择

3 实现放冲突多卡识别的原理分析 3.1 TYPE A、TYPE B卡通讯信号

非接触式IC卡由电感线圈射频电路、能量转换模块与微处理器系统组成。射频电路主要用来完成卡与读写设备的通信;能量转换模块用来从接收的射频信号中产生卡片工作所需的时钟信号和电源能量,微处理器执行算法计算,RF场的工作频率为13.56MHz,读写器与卡之间采用异步半双工方式进行通信,信号采用调幅调制方式。

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3.1.1 TYPE A 多张卡同时出现在终端操作范围内时,防碰撞的实现方法

TYPE A防碰撞功能是由终端和卡片配合完成的。如果终端知道所要选择卡片的UID,则只要一次搜索就可以选定卡片。但在实际应用中,终端通常不知进入卡片的UID,无法用UID来指定的卡片;这时终端对进入其读写范围内的有效卡片按一定的顺序进行有条不紊的操作,在这个过程中,终端始终处于主动状态,通过一个命令集和卡片内部的操作系统来管理与多张卡片的通讯。卡片内部的操作系统,能够对终端发出的这组命令集进行处理。该命令集由REQA、WUPA、ANTICOLLISION、SELECT、HLTA4条命令组成。   REQA命令:终端用该命令探测终端操作范围内卡片的存在情况。   ANTICOLLISION命令:用于防碰撞过程,防碰撞的循环次数由命令参数中的UID的长度决定。   SELECT命令:是ANTICOLLISION命令的特殊情况,当有4个字节的UID数据出现在ANTICOLLISION命令中时,就变为SELECT命令。   HLTA命令:用于卡片与终端交易完成后,为避免重新进入下一轮操作,终端可发该命令将卡片置于休眠状态,这种状态下只有终端发特殊REQA命令即WUPA命令,或者将卡片移开后在重新进入读写区域,才能与终端重新通讯。 这里写图片描述

防冲突过程:

符合与TYPE A的卡片进入READY状态;在终端发送ANTICOLLISION命令,编码为SEL+NVB,在读写范围内的所有TYPE A卡片都将返回整个UID,这时就会发生碰撞,终端将检测出第一位发生碰撞的位置;这时,在终端再次发送ANTICOLLISION命令,但这次命令与上一次不同,在发生碰撞位置前的UID的数据位将随命令一起发送到卡片,位数有NVB给出。卡片接收到命令后,只有UID前几位与命令中送过来的相等的卡片才继续发送UID的剩余位,如再次发生碰撞,将重复ANTICOLLISION命令。这时NVB字节为‘70’,命令中包含4个字节UID,后面附加校验码。卡片收到该命令后,如果UID相等,则该卡片就被选中,并将卡片信息返回给终端。终端根据返回信息SAK判断UID是否完整,如不完整则进入下一轮防碰撞,否则卡片进入ACTIVE状态,可以与终端进行高层应用数据的通讯。

防冲突过程实例:

设同时有三张TYPE A卡片进入终端读写范围内,这三张卡片的UID长度分别为4个字节、7个字节和10个字节。       1. 首先,读写器发送REQA命令。3张卡片同步返回ATQA,ATQA中第一个返回字节的低两位表明卡片UID的大小,这两位有可能发送碰撞,但终端可以不做处理。当其它位满足下图中的给出的值时,ATQA返回值符合要求,并通知终端该卡片TYPE A按位防碰撞,卡片进入READY状态。然后,进入第一轮防碰撞循环。由于2#卡片和3#卡片的UID长度超过4个字节,因此对ANTICOLLISION命令的应答加上了一个级联标志,由图中数据可知,在第4位发生了碰撞,再次发送ANTICOLLISION命令,但包含碰撞位以前的4位数据,将碰撞位设为1,这时UID前4位满足要求的2#卡和3#卡返回UID的前4个字节,1#卡退出防碰撞循环,接着进入第二轮循环和第三轮循环,最后将包含10个字节的3#卡选出,置为ACTIVE状态,卡片就可以进行交易了。

由于已经返回4个字节UID,终端可以发送SELECT命令,2#卡和3#卡返回SAK。   对上述TYE A防碰撞方法的实现过程,需要注意下列三项:1.卡片的防碰撞功能实际上是将一张卡片从多张卡中选择出来并置为激活状态。TYPE A防碰撞技术采用的方法是终端通过卡片的唯一识别数据UID,按照一定的顺序一次将卡片激活并处理,而不是同时与多张卡片进行通讯;2.TYPE A防碰撞算法由于采用位防碰撞检测,一次对卡片返回数据的时序很严格,在终端启动通讯后,必须保证防碰撞阶段卡片的应答数据在规定的时延后返回,因此卡片内部需要用定时器来监督数据的传输,一旦超出规定的时间,卡片将返回错误;3.对于多张卡片的防碰撞选择命令的应答SAK,标志是否还有后续UID的标志位有可能发生碰撞,对此终端不做处理。

3.1.2 TYPE B 多张卡同时出现在终端操作范围内时,防碰撞的实现方法

TYPE B的防冲突是读卡器对进入其读写范围内的有效卡片按一定的顺序进行有条不紊的操作,在这个过程中,终端始终处于主动状态,通过一个命令集和卡片内部的操作系统来管理与多张卡片的通讯。卡片内部的操作系统,能够对终端发出的这组命令集进行处理。当读写器在检测到冲突发生时,读写器必须执行相应的防冲突过程,以识别出每一张工作卡片,并准备进入传输协议的更高层,以进行后续的通信过程。      防冲突过程的指令:      REQB/WUPB:用于查询天线工作区中的卡片,在指令中包含了AFI应用类型标识符和时隙个数N的信息,WUPB也可用于唤醒处于挂起状态的卡片。   SLOTMARKER:用于对处于指令中所包含的时隙N的卡片发出查询命令。   ATQB:用于对卡片接收到的REQB/WUPB和SLOTMARKER指令进行响应。它除了给出应用数据和卡上支持的协议信息意外,还给出了在防冲突过程中用于区分卡片的4个字节的卡片唯一标识号PUPI。   ATTRIB:用于选择指令中的PUPI所指定的卡片。同时也给出了读写器端的协议信息和用于多卡片通信环境下的唯一信道标识CID。   ATB:卡片发出的对于ATTRIB指令的响应。   HLTB:用于将卡片置于HALT挂起状态,处于挂起状态的卡片只对WUPB响应。

防冲突过程:      第一步:若有多张卡片进入RF场,当读卡器检测到冲突后,发送多时隙带AFI应用标识符的REQB或者WUPB命令,那些与AFI相匹配的卡片,产生一个内部随机数R,R的取值范围在1~N之间,R=1的卡片即处在1时隙的卡片,回ATQB给读卡器。若在1时隙内又多于一张卡片回复ATQB,则发生新的冲突,这些卡片无法在此放冲突循环中被识别出来,等待下次的放冲突循环;若仅有一张卡片且正确回复ATQB,则读卡器可接着ATTR IB或者HALT命令;若发ATTR IB命令,则选定此卡进入ACTIVE状态,此时卡片可接受高层命令并进行出来,REQB及WUPB命令无效,直至卡片离开射频场内;若发出HLTB命令,则卡片进入HALT状态,此时卡片只接受WUPB命令,直至卡片离开射频场内。   第二步:读卡器发SLOTMARKER命令,由小到大一次检查2~N这N-1个时隙,选取卡片的原理和过程同第一步。   第三步:若一次防冲突循环之后,还有卡片违背识别出来,则继续执行步骤1和步骤2,直至所有卡片被识别出来。   防冲突循环允许在任何时间选择一张或者多张卡进行进一步的高层通信。      防冲突过程实例:      设同时有3张卡进入RF场中,3张卡片的应用类型各不相同。首先读卡器发单时隙REQB命令,卡片1和卡片3都回复了ATQB,读卡器检测大冲突后,改发4时隙的REQB命令,卡片1选择了时隙2,这次不回复ATQB;卡片3选择了1时隙,马上回复ATQB;卡片2类型符不对,所以不做反应。然后读卡器发时隙2的SLOTMAEKER命令,卡片1回复AT2QB;卡片2类型不符,还是不做回复,卡片3时隙不符也不做回复。读卡器接着发出时隙3和时隙4的SLOTMARKER命令,卡片1和3不在这2个时隙内,不做回复;卡片2类型不对,也不做回复;此时卡片1和3等待这HLTB或者ATTRIB,所以这2个时隙内没有回复。   这里写图片描述

参考文献 射频识别系统中多卡识别


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