TYPE B非接觸式IC卡防沖突原理的研究與實(shí)現(xiàn)

文章出處：http://www.sgrivertours.com 作者：朱燦 , 梁楚樵   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月29日

    1　前　言

    非接觸IC卡又稱(chēng)射頻卡,是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù),同時(shí)也是射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。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、使用方便快捷等特點(diǎn)?？ㄅc讀寫(xiě)器在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下也可完成操作,在讀寫(xiě)器天線的可識(shí)別范圍之內(nèi),可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)多張卡片。如何完成每張可工作卡片的識(shí)別,并且進(jìn)行正確的通信,這正是非接觸智能卡的防沖突技術(shù)要解決的問(wèn)題。

     2　TYPE B非接觸IC卡工作原理

    非接觸式IC卡由包括電感線圈或小型高頻收發(fā)天線組成的射頻電路、能量轉(zhuǎn)換模塊與微處理器系統(tǒng)組成。射頻電路主要用來(lái)完成卡與讀寫(xiě)設(shè)備的通信;能量轉(zhuǎn)換模塊用來(lái)從接收的射頻信號(hào)中產(chǎn)生卡片工作所需的時(shí)鐘信號(hào)和電源能量,其基本的工作原理是基于射頻識(shí)別技術(shù)RF ID, RF場(chǎng)的工作頻率為13. 56 MHz,讀寫(xiě)器與卡之間采用異步半雙工方式進(jìn)行通信,采用的是調(diào)幅的調(diào)制方式。在ISO1443 - 2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中定義的TYPE B 通信協(xié)議規(guī)定,從讀寫(xiě)器到卡的信號(hào)調(diào)制方式采用ASK 10%,編碼采用NRZ方式。從卡到讀寫(xiě)器的信號(hào)調(diào)制方式采用BPSK,編碼采用BPSK曼徹斯特方式。TYPE B 采用的ASK 10%的調(diào)制方式信號(hào)無(wú)載波休止,因此更加穩(wěn)定,并且可以滿(mǎn)足將來(lái)高速通信的要求。

    3　多張卡片同時(shí)出現(xiàn)在終端操作范圍內(nèi)時(shí)防碰撞的實(shí)現(xiàn)方法

    3. 1　防沖突過(guò)程的指令

    TYPE B的防沖突是讀卡器對(duì)進(jìn)入其讀寫(xiě)范圍內(nèi)的有效卡片按一定的順序進(jìn)行有條不紊的操作。在這個(gè)過(guò)程中,讀卡器始終處于主動(dòng)狀態(tài),通過(guò)一個(gè)命令集來(lái)管理與多張卡片的通信?？ㄆ瑑?nèi)部的操作系統(tǒng),能夠?qū)ψx卡器發(fā)出的這組命令集進(jìn)行處理。當(dāng)讀寫(xiě)器在檢測(cè)到?jīng)_突發(fā)生時(shí),讀寫(xiě)器必須執(zhí)行相應(yīng)的防沖突(Anticollision)過(guò)程,以識(shí)別出每一張工作卡片,并準(zhǔn)備進(jìn)入傳輸協(xié)議的更高層, 以進(jìn)行后續(xù)的通信過(guò)程。ISO /IEC14443 - 3協(xié)議中TYPE B用于防沖突過(guò)程的指令如下: 

    REQB /WUPB:用于查詢(xún)天線工作區(qū)中的卡片,在指令中包含了AFI應(yīng)用類(lèi)標(biāo)識(shí)符和時(shí)隙個(gè)數(shù)N 的信息,WUPB也可用于喚醒處于掛起狀態(tài)的卡片。 

    SLOTMARKER:用于對(duì)處于指令中所包含的時(shí)隙N 的卡片發(fā)出查詢(xún)命令。

    ATQB:用于對(duì)卡片接收到的REQB /WUPB和SLOTMARKER指令進(jìn)行響應(yīng)。它除了給出應(yīng)用數(shù)據(jù)和卡上支持的協(xié)議信息以外,還給出了在防沖突過(guò)程中用于區(qū)分卡片的4個(gè)字節(jié)的卡片唯一標(biāo)識(shí)號(hào)PUP I。

    ATTR IB:用于選擇指令中的PUP I所指定的卡片。同時(shí)也給出了讀寫(xiě)器端的協(xié)議信息和用于多卡片通信環(huán)境下的唯一信道標(biāo)識(shí)CID。ATB:卡片發(fā)出的對(duì)于ATTR IB指令的響應(yīng)。
　　　　　　　　　
    HLTB:用于將卡片置于HALT掛起狀態(tài),處于掛起狀態(tài)的卡片只對(duì)WUPB響應(yīng)。

    ATH:卡片發(fā)出的對(duì)于HLTB指令的響應(yīng)。

    3. 2　防沖突過(guò)程中的狀態(tài)

    為了與讀卡器的命令相配合,卡片操作系統(tǒng)(COS)以狀態(tài)機(jī)的形式處理讀卡器發(fā)來(lái)的命令,為此,卡片內(nèi)部定義了5種處理狀態(tài),即POWEROFF狀態(tài)、IDLE 狀態(tài)、READY狀態(tài)、ACTIVE 狀態(tài)和HALT狀態(tài)。

    POWER OFF狀態(tài):由于沒(méi)有載波能量,卡片沒(méi)有能量。

    IDLE狀態(tài): 卡片上電復(fù)位后,進(jìn)入IDLE狀態(tài),這是卡片只對(duì)讀卡器發(fā)送的有效的并與卡片本身AF I匹配的REQB或WUPB命令進(jìn)行處理。

    READY狀態(tài):在這種狀態(tài)下卡片只處理有效的ATTR IB或者HLTB。

    ACTIVE狀態(tài):在這種狀態(tài)下卡片可以接收高層命令并進(jìn)行處理。

    HALT狀態(tài):在這種狀態(tài)下只接受WUPB 命令。 

圖1　防沖突過(guò)程實(shí)例圖

    3. 3　防沖突過(guò)程

    第一步:若有多張卡片進(jìn)入RF場(chǎng),當(dāng)讀卡器檢測(cè)到?jīng)_突之后,發(fā)送多時(shí)隙帶AF I應(yīng)用標(biāo)識(shí)符的REQB或者WUPB命令,那些與AF I相匹配的卡片,產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部隨機(jī)數(shù)R, R 的取值范圍在1～N 之間, R = 1的卡片即除在1時(shí)隙的卡片,回ATQB給讀卡器。若在1時(shí)隙內(nèi)有多于一張卡片回復(fù)ATQB,則發(fā)生新的沖突,這些卡片無(wú)法在此次防沖突循環(huán)中被識(shí)別出來(lái),等待下次的防沖突循環(huán);若僅有一張卡片且正確回復(fù)ATQB,則讀卡器可接著發(fā)出ATTR IB或者HALT命令;若發(fā)AT2TR IB命令,則選定此卡進(jìn)入ACTIVE狀態(tài),此時(shí)卡片可接受高層命令并進(jìn)行處理, REQB 及WUPB命令無(wú)效,直至卡片離開(kāi)射頻場(chǎng)內(nèi);若發(fā)出HLTB命令,則卡片進(jìn)入HALT狀態(tài),此時(shí)卡片只接受WUPB命令,直至卡片離開(kāi)射頻場(chǎng)內(nèi)。

    第二步:讀卡器發(fā)SLOTMARKER命令,由小到大依次檢查2～N 這N - 1個(gè)時(shí)隙,選取卡片的原理和過(guò)程同第一步。

    第三步:若一次防沖突循環(huán)之后,還有卡片未被識(shí)別出來(lái),則繼續(xù)執(zhí)行步驟1和步驟2,直至所有卡片被識(shí)別出來(lái)。

    防沖突循環(huán)允許在任何時(shí)間選擇一張或者多張卡進(jìn)行進(jìn)一步的高層通信。

    3. 4　防沖突過(guò)程實(shí)例

    實(shí)例如圖1所示。設(shè)同時(shí)有3張卡進(jìn)入RF場(chǎng)中, 3張卡片的應(yīng)用類(lèi)型各不相同。首先讀卡器發(fā)單時(shí)隙REQB命令,卡片1和卡片3都回復(fù)了ATQB,讀卡器檢測(cè)到?jīng)_突后,改發(fā)4 時(shí)隙的REQB命令,卡片1 選擇了時(shí)隙2,這次不回復(fù)ATQB;卡片3選擇了1時(shí)隙,馬上回復(fù)ATQB;卡片2類(lèi)型符不對(duì),所以不做反應(yīng)。然后讀卡器發(fā)時(shí)隙2的SLOTMARKER命令,卡片1回復(fù)AT2QB;卡片2類(lèi)型不符,還是不做回復(fù),卡片3時(shí)隙不符也不做回復(fù)。讀卡器接著發(fā)出時(shí)隙3和時(shí)隙4的SLOTMARKER命令,卡片1和3不在這2個(gè)時(shí)隙內(nèi),不做回復(fù);卡片2 類(lèi)型不對(duì),也不做回復(fù);此時(shí)卡片1和3等待著HLTB或者ATTR IB,所以這2個(gè)時(shí)隙內(nèi)沒(méi)有回復(fù)。讀卡器接著發(fā)時(shí)隙3和時(shí)隙4的SLOTMARKER命令,卡片1和3不在這2個(gè)時(shí)隙內(nèi),不做回復(fù);卡片2 類(lèi)型不對(duì),也不做回復(fù);此時(shí)卡片1和3等待著HLTB或者ATTR IB,所以這2個(gè)時(shí)隙內(nèi)沒(méi)有回復(fù)。

    4　實(shí)　驗(yàn)

    讀卡器的設(shè)計(jì)采用P IC16F876單片機(jī),以及符合ISO14443 - A和ISO14443 - B協(xié)議的PH IL2IP公司的MF RC531 ISO14443讀卡芯片。RC531可以讀TYPE A 和TYPE B 卡,能完成產(chǎn)生RF場(chǎng)、收發(fā)數(shù)據(jù)、檢查CRC等所有與IC卡對(duì)話所需的工作。它根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的命令進(jìn)行相應(yīng)的操作, 在編程語(yǔ)言上采用C語(yǔ)言。

    5　結(jié)　論

    在絕大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中,同一時(shí)間內(nèi)RF場(chǎng)中一般都只會(huì)出現(xiàn)一張卡片(如考勤機(jī)) ,所以整個(gè)系統(tǒng)在默認(rèn)的狀態(tài)下是不停地發(fā)送單時(shí)隙的讀卡命令。當(dāng)檢測(cè)到有沖突時(shí),考慮到RF場(chǎng)的作用范圍(10 cm)和實(shí)際應(yīng)用情況,這時(shí)改發(fā)4時(shí)隙的讀卡命令,執(zhí)行防沖突循環(huán)。這樣的設(shè)計(jì)方式既保證了絕大多數(shù)情況下讀卡器準(zhǔn)確、迅速地識(shí)別卡片,又保證了沖突發(fā)生時(shí)對(duì)多張卡片的正確識(shí)別。另外由于軟件編寫(xiě)采用的是C語(yǔ)言,因而代碼效率高,可移植性好。對(duì)于其他單片機(jī)控制RC531的設(shè)計(jì)可以不做大的修改加以應(yīng)用。根據(jù)防沖突模型,在PH IL IP公司的RC531非接觸式IC卡芯片上實(shí)現(xiàn)了防沖突協(xié)議,實(shí)際應(yīng)用證明系統(tǒng)運(yùn)行高效、正確。 

    (文/武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院,朱　燦,梁楚樵)