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1、IC卡技术及其应用,杨振野 编著,中国科学院教材建设专家委员会教材建设立项项目 高等院校信息与电子技术类规划教材,第五章 非接触式IC卡,5.1 非接触式IC卡的基本原理 5.2 Mifare1非接触式IC卡 5.3 非接触式IC卡的射频接口集成 电路 5.4 非接触式IC卡的应用 5.5 射频识别卡（FRID卡）,前言,非接触式IC卡，又称为射频卡、感应卡，诞生于20世纪90年代初，由于通信时不需要触点接触，因而得到广泛应用。 非接触式IC卡由IC芯片和感应天线组成，并完全密封在一个标准尺寸的卡片中，无外露部分。非接触式IC卡的读、写通过射频电磁波的发射与接收来完成。,前言,非接触式IC优点
2、 可靠性更高。与读写器之间无机械接触，避免了由于触点接触读、而产生的各种故障。 操作更方便。由于采用了射频电磁波通信，读写器在10cm范围内（近耦合卡）就可以对IC卡操作，无需插拔卡，方便了使用。使用时没有方向性，可以在任意方向掠过读写器表面即可完成操作，提高了读、写速度。,前言,按卡内集成电路的不同分类 1）只读卡，卡中只有不能改写的ID号，故又称为ID卡。 2）逻辑加密存储卡，卡中带有加密逻辑和EEPROM。 3）CPU卡，卡中的芯片电路包含有CPU。片内操作系统COS安装在片内的ROM中，有的卡内还装有协处理器，用以提高数据安全性和读、写速度。,前言,按卡与读写器之间通信使用的载波频段不
3、同分类 低频卡，主要有125kHz和134.2kHz两种。大多在短距离、低成本的系统中应用 中频卡，主要为13.56MHz。用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统。 高频卡，卡与读写器之间通信使用的频段为高频段,前言,按作用距离的不同分类 密耦合卡，卡与读写器之间的有效作用距离为01cm。 近耦合卡，卡与读写器之间的有效作用距离为015cm。 疏耦合卡，卡与读写器之间的有效作用距离为01m。 远距离卡，卡与读写器之间的有效作用距离为110m，或更远。,前言,按卡内芯片供电方式的不同分类 有源卡，有源是指IC卡内装有电池以提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适宜在恶劣环境
4、下工作。 无源卡，卡内无电池，它利用射频电磁波供电技术将接收到的射频电磁波能量转化为直流电源为卡内电路供电，其作用距离不如有源卡远，但寿命长且对工作环境要求不高。,非接触式IC卡的基本原理,非接触式IC卡的电气部分组成 天线 即几匝导线，环绕在卡的边缘 天线的面积越大，则感应范围越大 集成电路(IC) 与接触式IC卡相比，不同之处在于非接触式IC卡内的集成电路增加了能量获取和射频接口两部分电路,非接触式IC卡的基本原理,非接触式IC卡与读写器的组成,非接触式IC卡的基本原理,非接触式IC卡的能量传递 一部分是供电基波，被卡接收后，在卡内的LC电路中产生谐振，从而使电容充有电荷，在这个电容的另一
5、端，接有一个二极管，它将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当电荷积累使电压达到2V时，此电容可作为电源 另一部分则是组合数据信号，IC卡接收后解调出各命令和数据，进而按照命令要求接收或发送数据。,非接触式IC卡的基本原理,非接触式IC卡的通信 在ISO/IEC14443标准中，定义了两种射频调幅调制的信号类型 TYPE A：一般用于逻辑加密存储卡 TYPE B：一般用于CPU卡,非接触式IC卡的基本原理,读写器发送的TYPE A和TYPE B波形 读写器接收的TYPE A和TYPE B波形,非接触式IC卡的基本原理,读写器到IC卡的数据传输 读写器中的发送电磁波的部分电路被称为PCD（prox
6、imity coupling device） IC卡中接收电磁波的部分电路则称为PICC（proximity integrated circuit card）。,非接触式IC卡的基本原理,读写器到IC卡的数据传输 TYPE A发送波形为100调制的变形的Miller编码。数据调制幅度大，易于识别，但中间会出现短时间无波形，导致瞬时不能为IC卡提供能量。要求IC卡有较大电源滤波电容，以保持供电稳定 TYPE B发送波形为10调制的NRZ（不归零）编码，中间没有会出现无波形时段，保证了IC卡的稳定供电。但数据信号变化幅度较小，抗干扰能力弱，数字信息不易识别,非接触式IC卡的基本原理,变形的Mill
7、er编码 当传送“1”时，波形呈现为先高后低 而当传送“0”时，发送波形与上一个位有关，当前一位是“0”则呈现为先低后高，当前一位是“1”则呈现一直是高,非接触式IC卡的基本原理,变形的Miller编码,非接触式IC卡的基本原理,IC卡到读写器的数据传输 TYPE A接收波形为10调制Manchester编码在9.44时间内，从有副载波（4个波头）转为无副载波（4个波头）为“1”；从无副载波（4个波头）转为有副载波（4个波头）为“0”。,非接触式IC卡的基本原理,IC卡到读写器的数据传输 TYPE B接收波形为10调制BPSK（二相制相移键控）编码即波形中仅含有两种相位的信号，某一种相位的信号
8、（如0）可以代表“1”；则另一种相位的信号（180）代表“0”。在此，采用8个波头表示一个位（bit）；起始点为高电平（定义为0）代表“1”；起始点为低电平（定义为180）代表“0”。,非接触式IC卡的基本原理,IC卡到读写器的数据传输 TYPE A的发送和接收采用帧同步方式，即一帧包含若干字节，字节之间有奇偶校验位，而每帧只有一个帧起始位和一个帧结束位 TYPE B协议的发送和接收采用字节同步方式，即每个字节有1个起始位和1个结束位的同步方式。,非接触式IC卡的基本原理,非接触式IC卡的防冲突 由于非接触式IC卡与读写器之间的通信是非接触的，在同一时刻读写器天线有效范围以内可能存在多张非接触
9、式IC卡。 如果多张非接触式IC卡同时与读写器通信，则势必出现通信冲突。 为了避免出现冲突，ISO/IEC144433中给出了两种类型的防冲突协议TYPE A和TYPE B。,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A的初始化与防冲突 TYPE A的IC卡状态集 TYPE A命令集 TYPE A的IC卡的状态变化 UID的构成与级联 IC卡的请求应答（answer to request，ATQA） IC卡的选择应答（select acknowledge，SAK） TYPE A读写器的初始化与防冲突,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A的IC卡状态集 POWER-OFF（掉电状态） 状态描述：由于
10、没有足够的载波能量，IC卡没有被复位工作，不能接收命令。 退出条件：如果IC卡所处场强大于Hmin（可参考ISO/IEC 144432），则IC卡在经过延时之后进入IDLE状态。,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A的IC卡状态集 IDLE（闲置状态） 状态描述：IC卡已经上电，能够解调信号，并能够识别有效的REQA/WUPA（WAKE UP）命令。 退出条件：IC卡在收到有效的REQA/WUPA命令后发送ATQA（请求应答）并进入READY状态。,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A的IC卡状态集 READY（准备状态） 状态描述：在该状态下，实现位帧的防冲突算法或其他可行的防冲突算法。
11、 退出条件：当IC卡被选择后则进入ACTIVE状态。,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A的IC卡状态集 ACTIVE（激活状态） 状态描述：读写器经过防冲突流程已经选择了单一的IC卡。 退出条件：当IC卡收到有效的HLTA命令，则进入HALT状态。,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A的IC卡状态集 HALT（暂停状态） 状态描述：IC卡仅能响应WUPA命令。,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A命令集 REQA：TYPE A请求命令。 WUPA：TYPE A唤醒命令。 ANTICOLLISION：防冲突命令。 SELECT：选择命令。 HLTA：暂停命令。,非接触式IC卡的基本原理,
12、REQA/WUPA命令 采用短帧格式（1个短帧共有9bit：1个起始位，7个数据位，1个停止位）,非接触式IC卡的基本原理,ANTICOLLISION/SELECT命令 读写器通过发送这两个命令实现防冲突循环操作 SEL为命令码，其代码为93H、95H、97H，分别代表选择UID CL1、UID CL2、UID CL3 NVB表示该命令的长度，前半字节表示字节数,非接触式IC卡的基本原理,ANTICOLLISION/SELECT命令 UID的长度由NVB决定，可以没有（即0B）也可以为5B，但其最后一个字节如果有就必定是BCC,非接触式IC卡的基本原理,HLTA命令,非接触式IC卡的基本原理,
13、TYPE A的IC卡的状态变化,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A的IC卡的状态变化 当一张非接触式IC卡进入读写器工作区但尚未获得足够能量时首先处于POWER-OFF状态 当IC卡的线圈接收到足够强的射频电磁波能量，IC卡就开始执行初始化程序，并进入IDLE状态，处于IDLE状态的IC卡不会对读写器传输给其他IC卡的命令作出响应，但此时IC卡能够识别来自读写器的REQA和WUPA命令；,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A的IC卡的状态变化 当IC卡接收到一个有效的REQA或WUPA命令时，IC卡进入READY状态，读写器可以识别出在作用范围内是否有多张IC卡存在并用UID（唯一标识符
14、）从多张IC卡中选择出一张卡，该卡即进入ACTIVE状态 当IC卡处于ACTIVE状态下，可以完成所要求的全部操作；IC卡完成全部操作后，即被置于HALT状态；处于HALT状态的IC卡可以被再次激活,非接触式IC卡的基本原理,UID的构成与级联 每张IC卡都有一个不重复的序列号ID，称为唯一标识符UID（uniqe identification）。 IC卡的UID长度可以是4B、7B或10B，根据UID的长度分成级联l、级联2和级联3，最长为级联3。 CT（cascad tag）为级联标志，表示在下一级中还有UID；BCC为该级校验字节，由前4个字节的异或而得,非接触式IC卡的基本原理,IC卡
15、的请求应答 读写器向IC卡发送了REQA命令，所有处于IDLE状态的IC卡都将给出请求应答ATQA。 读写器向IC卡发送了WUPA命令，所有处于IDLE状态或HALT状态的IC卡都给出请求应答ATQA。,非接触式IC卡的基本原理,ATQA的格式 将bit1bit5中任1位取为1，表明为ATQA的位帧防冲突 bit7和bit8确定UID规格（规格1、规格2、规格3，分别对应取为00B、01B、10B） bit9bit12为其他专用编码。,非接触式IC卡的基本原理,IC卡的选择应答 当IC卡收到40bit数据恰与本IC卡匹配（即UID一致），则将回应SAK及其校验码CRC_A,非接触式IC卡的基本
16、原理,IC卡的选择应答 SAK字节的bit3和bit6表达了UID是否完整的信息，其他位无特定含义,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A读写器的初始化与防冲突 首先由读写器发送REQA命令或WUPA命令，使IC卡进入READY状态 IC卡接收到REQA命令或WUPA命令后，所有处在读写器电磁场作用范围内的IC卡都同步发出ATQA应答，说明该IC卡UID的规格（1、2或3），之后进入READY状态，执行防冲突循环操作,非接触式IC卡的基本原理,读写器防冲突的基本流程 选择UID CL1，检查SAK以判断UID“是否完整”，如果UID的规格为1，SAK返回为“完整”信息；如果UID的规格为2，则还需选择UID CL2再次进入位帧防冲突过程，最终才能选出IC卡的唯一标识符UID，然后进入ACTIVE状态。,非接触式IC卡的基本原理,读写器完成位帧防冲突循环流程 1）读写器指定防冲突命令SEL代码；取值为93H、95H、97H，分别对应于UID CL1、UID CL2、UID CL3 2）读写器指定NVB的值是20H；此值表示读写器不发出UID CLn，而要求
