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