第6章 非接触卡
内容提纲
1、非接触卡的电磁场基础
2、在ISO/IEC14443标准中，定义了两种射频调幅调制的信号类型TYPE A ：TYPE B ： 了解两种卡片的工作基波，副载波，数据速率、调制波形、调制系数
3、TYPE A 中Miller 编码的数据表示方法
4、 TYPE A 的IC 卡命令集、状态集，和状态转换
5、TYPE A 防冲突算法—二进制树搜索算法
6、负载调制
7、Mifare 1系列中，目前只有S50和S70两个型号 ，简述S50卡片内部16个分区，每个分区的功能职责划分
2.1射频识别的电磁场理论
射频识别系统中读写器与卡片之间的能量和数据传输的理论基础是电磁场理论，交变的电场产生磁场，交变的磁场产生电场。麦克斯韦方程组描述了电场与磁场相互转化中产生的对称性。麦克斯韦方程组如下[5]。
B jw E =⨯∇
(2.1) D jw J H -=⨯∇
(2.2) ρ=⋅∇D
(2.3)
0=⋅∇B
(2.4)
其中：
E ：电场强度(V/m) H
：磁场强度(A/m) B
：磁感应强度(T) D ：电位移矢量(C/m 2)
j ：电流密度(A/In 2)
ρ：电荷密度(C/m 3)
方程组中的四个方程比不完成独立，其中两个三度方程可以从两个旋度方程推导出。为了得到一个完整的系统，4个基本方程的各个矢量满足下面的组成关系。
)(E D D =
(2.5)
)(E J J
=
(2.6) )(E B B
=
(2.7)
上述方程是场的本构关系，表示了场与介质之间的关系，也称之为介质的特性方程或者辅助方程。对于线性媒质有下面的关系。
E D ε=
(2.8) i J E J
+=σ (2.9) H B
μ=
(2.10)
其中，ε、σ、μ分别表示媒质的介电常数、电导率、磁导率，此三者统称为媒介的本构参数，对于各向同性媒质他们是标量，对于均匀媒质它们是常量，对于非均匀媒质它们是位
置的函数，对于各向异性媒质它们是张量；i J
是外加电流密度，与电路理论中的电流源是
一致的。
i J 、ρ为产生电磁场E
、H 的源，通常i J 与ρ之间的关系为公式2.11。
0t
=∂∂+⋅∇ρJ
(2.11)
2.2读写器与IC 卡的通信
在ISO/IEC14443标准中，定义了两种射频条幅调制的信号类型，即TYPE A 和TYPE B ，本设计采用的是TYPE A 。TYPE A 的射频调幅调制IC 卡与读写器发送、接收波形分别如图2.2和图2.3所示，图中阴影部分为13.56MHz 的射频基波。数字信号作为副载波搭载于射频基波上，射频基波为IC 卡提供了能量，调幅调制信号传送了数据。在非接触式IC 卡的内部，载于射频基波上的副载波经过检波、滤波和放大等处理之后，即可得到方波。在接收的13.56MHz 的基波中含有847.5kHz 的副载波，由副载波对基波的调制实现了接收信号的传递。每一位数据的传送时间为9.44us ，所以传送速率为106Kbit/s [7]。
图2.2 读写器发送的TYPE A波形
图2.3 读写器接收的TYPE B波形
按照ISO/IEC14443的规定，读写器发送电磁波的部分电路被称为PCD(proximity coupling device)，IC卡中接收电磁波的部分电路被称为PICC(proximity integrated circuit card)。
1、PCD到PICC的数据传输
TYPE A发送波形为100%调制的变形的Miller编码，如图2.2所示。数据调制幅度大，易于识别，但由于中间出现短时间(3μs)无波形，导致瞬时不能为IC卡提供能量，要求IC 卡中应有较大的电源滤波电容，以保持供电的稳定。
IC卡对PCD发送的波形进行检波、滤波放大处理后变为如图2.4所示的近似波形。这是Miller编码的变形形式。
图2.4 变形的Miller编码
2、PICC到PCD的数据传输
TYPE A的接收波形为10%负载调制的Manchester编码，如图2.3所示。在9.44us时间
内，从有副载波转为无副载波为“1”；从无副载波到转为有副载波为“0”。
负载调制就是利用负载的某些差异或负载的变动而使源的某些参数发送相应的过程或效应。射频卡与读写器天线采用的是电感耦合方式，而射频卡的天线是读写器发射天线的负载，射频卡通过改变天线回路的参数，使读写器端被调制，从而实现了以微弱的能量从射频卡到读写器的数据传输。负载调制如图2.5所示。
图2.5 负载调制
2.3 ISO14443A标准简介
系统采用的是13.56MHz的RFID系统，读写器与IC卡是基于电感耦合的工作方式，读写器天线采用磁场耦合近场天线。而有关近耦合非接触式IC卡的技术标准主要是ISO/IEC14443。
ISO/IEC14443标准分为4部分。
1、物理特性。规定了非接触式IC卡的尺寸、防紫外线和X射线要求、承受外作用力的要求、承受电磁干扰的要求和承受环境温度的范围。
2、射频功率与信号接口。给出了读写器接口耦合装置与无触点集成电路卡之间的信息传递方式、磁场强度和射频频率等规定。
3、初始化和防冲突。当读写器在一定范围内有多张非接触式IC卡时，如果处理不当，极易出现多张卡同时相应读写器导致通信混乱，这就是所谓的冲突。非接触式IC卡的核心技术就在于防冲突，这部分规定了TYPE A和TYPE B两种协议下的防冲突机制。二者防冲突机制的原理不同，前者是基于为冲突检测协议，而TYPE B 通过命令序列完成防冲突。防冲突机制使得同时处于读写区内的多张IC卡的正确操作成为可能。本设计采用的TYPE A 的非接触IC卡。
4、传送协议。规定了非接触式IC半双工方式下的数据块传送协议，并定义了激活和暂停的步骤。
本系统设计的读写器参照的是ISO14443A标准，根据该标准，下面介绍本设计中读写器与IC卡之间的通信、TYPE A的IC卡命令集和状态集[6]。
2.4TYPE A的IC卡命令集和状态集
1、TYPE A的IC卡状态集
（1）POWER-OFF（掉电状态）。
描述：由于缺少载波能量，PICC不能被激励。
状态跳出：如果PICC所处的场强足够大，则PICC经过延时后进入IDLE状态。
（2）IDLE（闲置状态）
