非接触式CPU卡的空中传输协议的软硬件设计
普通的逻辑加密卡,如Mifare1卡(即M1卡),由非易失性存储器和硬件加密逻辑组成,通过校验密码的方式来保护卡内的数据,其具有一定的安全性,但 这只是低层次的安全保护,无法防范恶意性的攻击,因此无法满足更高的安全性和更复杂的多应用的需求。而CPU卡内部具有微处理器芯片,且固化有COS操作 系统,可执行严谨的加密运算,安全性极高,灵活性强,且存储容量大。来看一组金融领域的数据,截至2014年6月底,全国金融IC卡累计发行超过8.7亿 张,其中上半年金融IC卡新增2.84亿张,占新增银行 卡总量的82%,商户POS和ATM实现全面受理,行业应用不断涌新。随着应用环境的日渐成熟,各商业银行将于年底前逐步关闭金融IC卡降级交易,并将在 2015年后,发行纯芯片卡。可以看到,原本的磁条卡时代正在缓缓落幕,银行 卡"芯"时代已成大势所趋,与此同时,相应的终端机具需求量必将剧增,这给企业带来了巨大的商业契机。
本文在研究了ISO/IEC14443标准以及相关的金融标准基础上,基于RC632射频收发芯片,对非接触式CPU卡和终端机具之间通信所采用的空中传输协议进行了设计与实现,并进行有关测试,给出测试结果。
1 ISO14443协议简介
ISO14443协议是13.56MHz下非接触式IC卡的国际标准协议,由以下4部分组成:(1)物理特性:规定了接近式IC卡(PICC) 的物理特性;(2)射频功率和信号接口:规定了在接近式耦合设备(PCD)和接近式IC卡(PICC)之间提供功率和双向通信的场的性质与特征;(3)初 始化和防冲突:描述了PICC进入PCD工作场的轮询,规定了在PCD和PICC之间通信的初始阶段所使用的字节格式、帧格式和帧时序,以及在冲突发生的 情况下如何从多张卡片中选出一张(防冲突)的方法;(4)传输协议:规定了非接触式应用中具有特色的半双工传输协议。随着应用场景的不断多元化,尤其是在 快速消费领域,由于卡片和终端机具的需求量与日俱增,ISO14443协议应用也越来越广泛,像国内很多行业标准,如中国金融集成电路(IC)卡规范等, 都是在它的基础上修订的。
2 系统硬件部分
2.1 MCU控制电路
本 系统中MCU芯片我们选取STM32F103RBT6,它是基于Cortex-M3 ARM内核的高性能32位处理器,具有128KB Flash、20 KB SRAM,主频可达72 MHz,且具有功耗低、价格便宜、接口资源丰富等特点;与传统的8位单片机相比,32位的高性能ARM处理器拥有更高的通信效率、更强的控制功能,更加方 便后期的系统扩展。
2.2 射频收发电路
射频收发电路是本系统的核心部分,由RC632应用电路和天线组成。RC632是 NXP推出的一款多协议非接触式读写芯片,集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议,也就是说它支持ISO14443(包括 Type A和Type B)和ISO15693(包括I·CODE1)两种国际标准。它的发送器电路设计成具有非常低的阻抗,只需要很少的用于匹配和滤波的无源器件就可以直接驱 动天线,操作卡片的距离可达10cm,其引脚TX1和TX2上传递的信号是由包络信号调制的13.56MHz的载波信号,这两个信号可通过寄存器 TxControl进行控制;它的接收器设计有一个正交调制电路,该电路从输入到RX引脚的13.56MHz的ASK调制信号中解析出副载波信号,该副载 波信号经过放大滤波,然后输入到相关性电路,对相关性结果数字化后输入到数字电路。方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器,这给读写器及终端的设计 带来了极大的灵活性;另外,RC632支持通过SPI方式连接到微处理器。
本系统中我们采用SPI的方式将RC632连接到 MCU,其原理图如图1所示。图中的MOSI_rf,MISO_rf,SCK_rf,NSS_rf四个脚需连接到MCU的SPI外设,C16f,C17f 两端的GND_rf网络是需要绘制天线线圈(天线的设计不在本文范围内)的。硬件焊接调试完成后,其实物图如图2所示。
图1 射频收发电路
图2 实物图
3 系统软件部分
与M1卡一样,非接触式CPU卡(以后称PICC)符合ISO14443-1、- 2、-3标准,不同的是它通过RATS命令可进入到CPU模式,以后都按照ISO14443-4的块传输协议与读写设备(以后称PCD)进行信息交互。 PCD访问PICC的工作流程如图3所示,激活CPU卡的过程总共包括寻卡,防冲突,寻卡,RATS四步,其中RATS是在判断选卡命令的响应支持 ISO14443-4标准的情况下发送的,以便进入CPU模式。
图3 读写设备访问卡片工作流程
根 据OSI参考模型分层原理设计的思想,对PCD和PICC之间的半双工块传输协议进行概况,可抽象出三层,如图4所示。物理层处在该层次结构的最底层,它 利用空中
RC632 射频 ISO14443 MCU 无线 相关文章:
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