協(xié)議培訓(xùn)

1、第5章 非接觸式IC卡國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),接近式 PICC 接近式耦合裝置PCD(proximity coupling device ),第5章 非接觸式IC卡國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),5.1 非接觸式IC的概述5.2 PICC的物理特性 （14443-1）5.3 射頻能量與信息接口（14443-2）5.4 初始化與防沖突 （14443-3） 5.5 選擇應(yīng)答和傳輸協(xié)議 （14443-4）,非接觸式IC卡的分

2、類（讀寫(xiě)器發(fā)射距離）：,,CICC卡（Close-Couple ICC）PICC卡（Proximity ICC)VICC卡（Vicinity ICC）,5.1 非接觸式IC的概述,IC卡如何獲得能量？IC卡與讀寫(xiě)器間如何交換信息？多卡同時(shí)處于讀寫(xiě)器發(fā)射能量區(qū)域時(shí)如何防止操作沖突？,非接觸式IC卡面臨的問(wèn)題,非接觸式PICC卡的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)： ISO/IEC

3、14443-1/2/3/4,5.2 PICC的物理特性 （14443-1）,物理特性與尺寸應(yīng)符合ISO/IEC7810。,還提出電磁場(chǎng)、射線、工作溫度、機(jī)械形變等技術(shù)要求。,5.3 射頻能量與信息接口 （14443-2）,5.3.1 操作順序,PCD的RF射頻場(chǎng)激活PICC；PICC等待PCD的命令；PCD發(fā)出命令；PICC發(fā)出應(yīng)答。,5.3.2 能量傳送,讀寫(xiě)器PCD產(chǎn)生耦合到PICC的RF電磁場(chǎng)，用來(lái)傳送能量

4、和通信（經(jīng)過(guò)調(diào)制和解調(diào)）。,PICC獲得能量后，將其轉(zhuǎn)換成直流電壓。,RF場(chǎng)的頻率： fc=13.56 MHz ±7kHz,RF場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度：H=1.5A/m～7.5A/m,在制造商指定的工作范圍內(nèi)讀寫(xiě)器PCD產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度至少為1.5A/m，且不能超過(guò)7.5A/m。,5.3.3 信號(hào)接口,Type A ；Type B ；,PCD →PICC ；PICC→PCD；,類型,傳輸方向,1. 從PCD — PICC的信號(hào)

5、（Type A）,（1）傳輸率,載波頻率fc： 13.56MHz；,數(shù)據(jù)傳輸率：13.56MHZ/128=106Kbit/s；,調(diào)制深度 ASK（amplitude shift keying）： 100%；,以間隙Pause傳送數(shù)據(jù),（2）調(diào)制,（3）數(shù)位的表示和編碼,表示方式,,時(shí)序X時(shí)序Y時(shí)序Z,信息的編碼,,邏輯“1”：時(shí)序X邏輯“0”：時(shí)序Y,1個(gè)位期間 128/ fc 邏輯1與邏輯0的表示方式

6、 時(shí)序X、 時(shí)序Y、 時(shí)序Z 位編碼 （Manchester編碼定義） 時(shí)序D、 時(shí)序F、 時(shí)序E,（3）數(shù)位的表示和編碼,表示方式,,時(shí)序X時(shí)序Y時(shí)序Z,2. 從PICC — PCD 的信號(hào)（Type A）,（1）傳輸率,在初始化和防沖突期間：,數(shù)據(jù)傳輸率：13.56MHZ/128=106Kbit/s；,（2）負(fù)載調(diào)制,PICC通過(guò)電感耦合區(qū)與PCD進(jìn)行通信。,在PICC中，

7、利用PCD發(fā)射的載波生成副載波（頻率為fs），副載波在卡中用開(kāi)通/斷開(kāi)負(fù)載的方法實(shí)現(xiàn)的。,調(diào)制深度 ASK（amplitude shift keying）： 50%；,以間隙Pause傳送數(shù)據(jù),（3）數(shù)位的表示和編碼,表示方式,,時(shí)序D時(shí)序E時(shí)序F,信息的編碼,,邏輯“1”：時(shí)序D邏輯“0”：時(shí)序E通信開(kāi)始：時(shí)序D通信結(jié)束：時(shí)序F無(wú)信息： 無(wú)副載波,信息的編碼采用曼徹斯特編碼。,5.4 初始化與防沖突 （144

8、43-3）,ISO/IEC 14443 包括：PICC進(jìn)入PCD場(chǎng)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，即登記；在PCD與PICC之間進(jìn)行通信的初始化階段用的字節(jié)格式、幀和時(shí)序；初始化REQ和ATQ（命令和應(yīng)答）的內(nèi)容；多張卡中檢出1張卡并與之通信的方法；PCD與PICC進(jìn)行初始化通信的其他參數(shù)；加速?gòu)亩嗫ㄖ羞x出1張卡的可選方法。,PICC應(yīng)遵守的最大登記復(fù)位（Polling Reset）時(shí)間在表5.2中規(guī)定。,5.4.1 登記 polling,－

9、為檢出進(jìn)入PCD能量場(chǎng)的PICC，PCD重復(fù)發(fā)出請(qǐng)求命令REQA/REQB，并查尋應(yīng)答ATQA/ATQB，這一過(guò)程稱為“polling”。,5.4.2 Type A －初始化和防沖突,1. 位、字節(jié)和幀格式,（1）同步應(yīng)答時(shí)序,PCD發(fā)送的最后一個(gè)間隙Pause結(jié)束和PICC發(fā)送的起始位的第一個(gè)調(diào)制邊之間的時(shí)間應(yīng)遵守規(guī)定，如圖5.5。,該時(shí)序的應(yīng)用范圍：,REQA命令－應(yīng)答；Wake-up命令－應(yīng)答；Anticollision

10、命令－應(yīng)答；Select 命令－應(yīng)答。,（2）請(qǐng)求（REQA）保護(hù)時(shí)間,－相鄰兩個(gè)REQA命令的起始位之間的最小時(shí)間，其值：7000/fc。,（3）幀保護(hù)時(shí)間FGT,相反方向傳送的兩幀，其最后一位的上升邊與下一幀起始位下降邊間的最小時(shí)間。,（4）幀格式（用于比特沖突檢測(cè)協(xié)議）,REQA幀和WAKE-UP幀 －用于初始化通信，包含：,通信起始位S；7位數(shù)據(jù)，低位先發(fā)送；通信結(jié)束位E；無(wú)奇偶校驗(yàn)位。,標(biāo)準(zhǔn)幀

11、 －用于數(shù)據(jù)交換，其組成：,通信起始位S；n×（8個(gè)數(shù)據(jù)位＋奇校驗(yàn)位），其中n≥1；通信結(jié)束位E。,（5）面向比特的防沖突幀,當(dāng)至少有兩個(gè)PICC發(fā)出不同的比特樣本（位串）到PCD時(shí)，就能檢測(cè)到?jīng)_突。,第一部分（從PCD到PICC）第二部分（從PICC到PCD）,面向比特防沖突幀的組成,滿足以下規(guī)則：,規(guī)則1 ：數(shù)據(jù)位的總數(shù)為56位。規(guī)則2 ：第1部分的最小長(zhǎng)度是16個(gè)數(shù)據(jù)位。規(guī)則3 ：第1部分的最大長(zhǎng)度是55個(gè)

12、數(shù)據(jù)位。,面向比特沖突檢測(cè)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)幀由7個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)組成，被分成兩部分：,比特防沖突幀的位組織和傳送,數(shù)據(jù)位的兩部分可在任意位置分開(kāi)，分兩種情況：,情況1：完整字節(jié)，在一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)之后分開(kāi)，在第1部分的最后一個(gè)數(shù)據(jù)位之后有一個(gè)校驗(yàn)位。情況2：分開(kāi)的字節(jié)，在一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)內(nèi)分開(kāi)，在第1部分的最后一個(gè)數(shù)據(jù)位之后不加校驗(yàn)位。,SEL,NVB,UID0,UID1,,,標(biāo)準(zhǔn)幀，在第4個(gè)完整數(shù)據(jù)字節(jié)后分開(kāi),,防沖突幀，第1部分：PCD到PIC

13、C,,發(fā)送的第2位,發(fā)送的第1位,,,防沖突幀，第2部分：PICC到PCD,情況1：完整字節(jié)比特防沖突幀,SEL,NVB,UID0,UID1,,,標(biāo)準(zhǔn)幀，在第2個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)第5個(gè)數(shù)據(jù)位分開(kāi),,防沖突幀，第1部分：PCD到PICC,,發(fā)送的第2位,發(fā)送的第1位,,,防沖突幀，第2部分：PICC到PCD,情況2：分開(kāi)字節(jié)比特防沖突幀,2. PICC 狀態(tài),（1）POWER OFF,PICC由于缺少載波能量而處于斷電狀態(tài)，也不發(fā)射副載波。,（

14、2）IDLE （休閑）狀態(tài),電磁場(chǎng)激活后延遲toRA時(shí)間，PICC進(jìn)入IDLE狀態(tài)。,Q：何謂休眠狀態(tài)？,A：此時(shí)PICC加電，同時(shí)對(duì)已被調(diào)制的信號(hào)解調(diào)，并認(rèn)識(shí)來(lái)自PCD的REQA和WAKE-UP命令。,（3）READY （就緒）狀態(tài),當(dāng)收到一個(gè)有效的REQA或WAKE-UP命令，就進(jìn)入READY狀態(tài)。當(dāng)PICC的UID（唯一標(biāo)識(shí)符）被PCD發(fā)來(lái)的Selection命令選中時(shí)，就退出本狀態(tài)。,（4）ACTIVE（激活）狀態(tài),當(dāng)P

15、ICC的UID被PCD選中時(shí)就進(jìn)入本狀態(tài)。 在激活狀態(tài)，完成本次應(yīng)用的全部操作。,（5）HALT（停止）狀態(tài),PICC狀態(tài)圖（圖5.9）,REQA命令,防沖突循環(huán),Select 命令,HALT 命令,應(yīng) 用,,Wake-up 命令,,,,,3. 命令集,－PCD 管理進(jìn)入能量場(chǎng)的多張卡的命令,REQA WAKE-UPANTICOLLISIONSELECTHALT,（1）REQA命令和WAKE-UP命令,這兩條命令都是使卡

16、進(jìn)入Ready狀態(tài)，差別是REQA命令從IDLE進(jìn)入Ready狀態(tài)，而Wake-up從Halt進(jìn)入Ready狀態(tài)。,PICC接收到REQA命令或WAKE-UP命令后，在PCD能量場(chǎng)范圍內(nèi)的所有PICC同步發(fā)出ATQA應(yīng)答，長(zhǎng)度為2字節(jié)。,“26”＝REAQ,0100110,1010010,“52”＝Wake-up,獲得REQA的 PICC發(fā)出ATQA，從IDLE進(jìn)入READY； 獲得WAKE-UP的 PICC發(fā)出ATQA，

17、從HALT進(jìn)入READY。,* REQA 與 WAKE-UP的區(qū)別,ATQA編碼表：表5.4。其中： UID（唯一標(biāo)識(shí)符）。 UID（Unity Identification）,表5.4 ATQA的編碼,UID大小是可變的，由b8b7決定。,b8b7=00，UID=1；b8b7=01，UID=2；b8b7=10，UID=3；,PCD接收ATQA應(yīng)答，PICC進(jìn)入READY狀態(tài)，執(zhí)行防沖突循環(huán)操作。,－用于防沖突循環(huán)，組成如下：

18、,（2）ANTICOLLISION命令與SELECT命令,選擇代碼SEL（1字節(jié)）有效位數(shù)量NVB（1字節(jié)）由NVB指定的UID CLn（0～40位）,命令格式：,校驗(yàn)位僅當(dāng)UID的數(shù)據(jù)位為4字節(jié)時(shí)才有。,PCD發(fā)出防沖突命令的目的是想從PICC得到卡的UID CLn的一部分或全部，從而選出一張卡。,表5.5 UID的大小,表5.6 UID的結(jié)構(gòu),見(jiàn)教材 P 124,表5.7 SEL的編碼,SEL的編碼表見(jiàn)教材P 125

19、。,其中高4位代表字節(jié)數(shù)，低4位表示位數(shù)。SEL和NVB字節(jié)也包括在字節(jié)數(shù)內(nèi)。因此，最小字節(jié)數(shù)為2；最大字節(jié)數(shù)為7，此時(shí)NVB后面有40個(gè)數(shù)據(jù)為（表示UID CLn），表明是Select命令。,（3）HALD 命令,HALD 命令由4個(gè)字節(jié)組成：,4. 初始化和防沖突時(shí)序,PCD的初始化和防沖突流程（圖5.10）,以應(yīng)答確認(rèn)SAK為目標(biāo)，SAK是由PICC發(fā)給PCD的，是對(duì)選擇命令的回答。SAK表示對(duì)被檢出的卡的所有UID位已經(jīng)核實(shí)

20、。,發(fā)送REQA,接收ATQA,選擇UID CL1,完成比特幀防沖突,專用幀和協(xié)議,CL+1,定義在ISO/IEC 14443－4中命令,,,,,,,,,,,,專用防沖突,比特幀防沖突,UID完整,UID不完整,PCD初始化和防沖突,SAK是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幀，結(jié)構(gòu)如下：,1字節(jié),2字節(jié),SAK的編碼：,PCD防沖突循環(huán)流程（圖5. 11） 以從沖突的PICC中找出與40位UID CLn匹配的卡為目標(biāo)。見(jiàn)教材 P 127.,要求：

21、課堂看書(shū)，基本掌握流程。請(qǐng)見(jiàn)例題：,例題1：假設(shè)在PCD場(chǎng)中有2張PICC卡， 試說(shuō)明初始化和防沖突過(guò)程。,已知： PICC＃1的UID 大?。?，UID0=“10” PICC＃2的UID 大?。?,約定：,PCD to PICC,,PICC to PCD,,（× × ×‥ ×）b,,發(fā)送的第1位（最低位）,比特幀防沖突選擇時(shí)序如圖所示，操作

22、分三階段：,（1）Request（PCD發(fā)送請(qǐng)求命令）,ATQA,,PICC #1,b1（10000000 00000000）b16,卡＃1采用比特防沖突，b8b7=00, ∴UID＝1,ATQA,,PICC #2,b1（10000010 00000000）b16,卡＃2采用比特防沖突，b8b7=01, ∴UID＝2,’26’,,,所有卡PICC應(yīng)答ATQA,（2）Anticollision loop, cascade level

23、1（防沖突循環(huán)CL1）,,,PICC #1,b1（00001000 ）b8,∵UID＝1,PICC #2,b1（00010001 ）b8,∵ UID＝2,’93’,’20’,,,表5.6,,First collision at bitpoint ＃4,,’93’,’24’,,b1（0001 ）b4,（0001 ）,PICC #2,∴ coll＝4,SEL命令,’93’,’70’,b1（00010001 ）b8,,b1（× &

24、#215; 1 × × × × × ）b8 b3=1, UID不完整,只有卡2響應(yīng)，故不沖突,,,,PCD發(fā)防沖突命令,,,（3）Anticollision loop, cascade level 2（防沖突循環(huán)CL2）,,’95’,’20’,,PICC #2,SEL命令,,b1（× × 0 × × × ×

25、 × ）b8 b3=0, UID 完整,’95’,’70’,現(xiàn)在已完整，從UID0～UID7,,“7”－最大字節(jié)數(shù)，表5.8,卡應(yīng)答SAK，指出UID完整，從Ready狀態(tài)轉(zhuǎn)換到Active狀態(tài),5.4.3 Type B 的初始化和防沖突（自學(xué)）,1. 位、字節(jié)和幀格式,2. 幀格式,3. 防沖突序列,4. 命令集,,5.5 選擇應(yīng)答和傳輸協(xié)議 （14443-4）,本節(jié)將繼續(xù)討論Ac

26、tive狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換（從Active狀態(tài)轉(zhuǎn)換到HALT狀態(tài)）。,5.5.1 激活序列,分Type A 和Type B兩種情況。,1. 字節(jié)格式和幀格式,遵照ISO/IEC 14443 中為PICC Type A 和Type B定義的格式。,4. PICC Type A的激活過(guò)程,2. 位持續(xù)時(shí)間,用基本時(shí)間單元eut表示。1etu=128/D*fc,3. 等待時(shí)間：14443-3,激活順序,PCD檢查SAK字節(jié)；如果S

27、AK已根據(jù)UID選中了一張卡PICC；PCD將發(fā)送RATS；PICC發(fā)送ATS應(yīng)答RATS。,PCD檢查到不支持該P(yáng)ICC ； 將置PICC于HALT狀態(tài)；PCD檢查到不支持該協(xié)議；將使用PPS將PICC轉(zhuǎn)到另一個(gè)協(xié)議。,情況1,情況2,PICC完成一次交易之后，將被置于HALT狀態(tài)。,從PCD角度觀察PICC Type A的激活順序。 見(jiàn)圖 P138。,5. PICC Type B的激活,自學(xué),5.5.2 半雙工分

28、組傳輸協(xié)議 T=CL,定義了半雙工傳輸協(xié)議的結(jié)構(gòu)，該協(xié)議用于 由PCD發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)議采用OSI參考模型的四層：,物理層交換字節(jié)遵循14443-3；數(shù)據(jù)鏈路層交換分組；會(huì)話層結(jié)合數(shù)據(jù)鏈路層；應(yīng)用層處理命令，在任一方向至少交換一個(gè)分組或分組鏈。,1. 分組格式,分組格式,,開(kāi)始字段信息字段結(jié)尾字段,（1）開(kāi)始字段,該字段是必備的，最多由3個(gè)字節(jié)構(gòu)成。,協(xié)議控制字節(jié)PCB （protocol contr

29、ol byte）（必備）；卡標(biāo)識(shí)符CID（Card Identifier）（可選）；結(jié)點(diǎn)地址字段NAD （Nade Address）（可選）；,PCB 協(xié)議控制字節(jié)，包含三種基本分組類型,信息分組I-block：包含應(yīng)用層所用的信息，還包含正、負(fù)的確認(rèn)；接受準(zhǔn)備分組R –block：包含正負(fù)的確認(rèn)，與最后接收的分組有關(guān)；管理分組S –block：用于在PCD和P

30、ICC之間交換控制信息、INF字段是否存在有賴于它的控制；,PCB 的編碼,（1）I-block,b8b7 00（ I-block）b6 0 b5 更多數(shù)據(jù)位需傳送b4 后面有CID（b4=1）b3 后面有NAD（b3=1）b2 1？0b1 分組號(hào),（2）R-block,b8b7 10（ R-b

31、lock）b6b5 00（無(wú)錯(cuò)誤）、11（EDC，奇偶錯(cuò)）b4 后面有CID（b4=1）b3 后面有NAD（b3=1）b2 1？0b1 分組號(hào),（3）S-block,b8b7 11（ S-block）b6b5 00（HALT）、11（WTX）b4 后面有CID（b4=1）b3 后面

32、有NAD（b3=1）b2 1？0b1 0 S（‥request） 1 S（ ‥response）,CID 訪問(wèn)指定的PICC （可選）,該P(yáng)ICC的標(biāo)識(shí)符在卡激活時(shí)指定；CID的編碼：0000b4b3b2b1，其中 b4～b1 為標(biāo)識(shí)符；PICC激活時(shí)固定不變；當(dāng)PICC進(jìn)入HALT狀

33、態(tài)時(shí)，CID失效。,NAD 結(jié)點(diǎn)地址（可選）,在PCD和PICC間建立邏輯連接；NAD的編碼：0 b7 b6 b5 0 b3 b2 b1 其中b7 b6 b5為目標(biāo)結(jié)點(diǎn)地址、 b3 b2 b1為 源結(jié)點(diǎn)地址；,該字段包含發(fā)送分組的錯(cuò)誤檢測(cè)碼EDC （Error Detection Code）， 規(guī)定使用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC（Cyclic Redundancy che

34、ck）。,（2）信息字段,信息字段是可選的。如有INF，在I-block中，為應(yīng)用數(shù)據(jù)； 在S-block中，為狀態(tài)數(shù)據(jù)；,（3）結(jié)束字段,（1）幀等待時(shí)間FWT（Frame waiting time）,2. 等待時(shí)間,FWT用以檢查錯(cuò)誤或PICC無(wú)應(yīng)答。,超過(guò)FWT，卡無(wú)應(yīng)答，PCD收回發(fā)送權(quán)；PICC可用S-block請(qǐng)求擴(kuò)展等待時(shí)間WTX；擴(kuò)展后FWT為臨時(shí)值FWTt。,FWTt＝ F

35、WT×WTXM,其中WTXM為等待時(shí)間擴(kuò)展倍增因子,（2）幀保護(hù)時(shí)間FGT,－接收分組與發(fā)送分組間的最小延遲。 見(jiàn)圖5. 22。,,,,,FGT<t<FWT,FGT<t,PCD發(fā)送,PICC發(fā)送,PCD發(fā)送,5.5.3 專用接口參數(shù),5.5.4 協(xié)議操作,參見(jiàn)教材 P 144,在激活之后，PCD獲得發(fā)送權(quán)。無(wú)論P(yáng)CD或PICC在發(fā)送一分組后，將處于接收方式。當(dāng)PCD或PICC接收一分組或

36、FWT超時(shí)，將獲得發(fā)送權(quán)。,I-block包含一分組號(hào)（1位），起始值對(duì)PCD為0，對(duì)PICC為1。如確認(rèn)已接收到一個(gè)I-block或一個(gè)R-block，分組號(hào)將改變。PCD檢查每一次接收到的I-block或R-block的號(hào)碼，假如該block的號(hào)碼與期望號(hào)不相等，則重發(fā)最后一個(gè)分組。PICC不必檢查所接收的分組號(hào)碼，在發(fā)送后面的block，指出有錯(cuò)的R-block帶有下一個(gè)期望的分組號(hào)。,5.5.5 多卡激活,多卡激活過(guò)程（

37、表5.10）,PCD在激活狀態(tài)可同時(shí)處理幾張卡，可直接在幾張卡之間接通而不需為解除當(dāng)前已激活的卡和激活新卡多花時(shí)間。 在關(guān)閉場(chǎng)之前，所有激活的卡都應(yīng)處于HALT狀態(tài)。,說(shuō)明：,1、鏈接,鏈接功能允許PCD或PICC發(fā)送的信息長(zhǎng)度比FSD或FSC規(guī)定的最大分組長(zhǎng)度還要長(zhǎng)。如FCD或FICC要發(fā)送的信息長(zhǎng)度長(zhǎng)于1個(gè)分組的最大值，將信息分成幾組。每組長(zhǎng)度各自等于FSD或FSC，并利用鏈接功能。I-block PCB中的M＝1

38、時(shí)，將被R-block確認(rèn)。,M=1 在以后分組中有鏈接數(shù)據(jù)。M＝0 鏈的最后一個(gè)分組。I（M）x 分組號(hào)為x的R-block表示確認(rèn) （無(wú)錯(cuò)誤）。,例：發(fā)送數(shù)據(jù)012345‥F，分組鏈接如 下：,,發(fā)送（‥）,,,,,,,,,,,,,,,,,,接收（‥）,I（1）0,I（1）1,I（0）0,R（ACK）0,R（ACK）1,2、解除激活序列,當(dāng)PCD與PICC之間的交易完成后，PICC應(yīng)處于HALT狀態(tài)。

39、PCD將發(fā)送S（HALT請(qǐng)求）block將PICC置于HALT狀態(tài)。PICC發(fā)送S（HALT應(yīng)答）后，并且PCD從PICC接到一個(gè)有效S（HALT應(yīng)答）后，PICC進(jìn)入HALT狀態(tài)，并釋放CID。,3、無(wú)差錯(cuò)操作協(xié)議規(guī)則,規(guī)則1 PCD發(fā)送第一個(gè)分組 。規(guī)則2 接收器應(yīng)該確認(rèn)發(fā)送器發(fā)送的I-block，確認(rèn)可由I-block或R-block表示，如果有鏈接，接收器應(yīng)轉(zhuǎn)為發(fā)送器。規(guī)則3 S-block成對(duì)使用，S