非接觸式CPU卡的空中傳輸協(xié)議的軟硬件設(shè)計(jì)

普通的邏輯加密卡，如Mifare1卡(即M1卡)，由非易失性存儲(chǔ)器和硬件加密邏輯組成，通過校驗(yàn)密碼的方式來保護(hù)卡內(nèi)的數(shù)據(jù)，其具有一定的安全性，但這只是低層次的安全保護(hù)，無法防范惡意性的攻擊，因此無法滿足更高的安全性和更復(fù)雜的多應(yīng)用的需求。而CPU卡內(nèi)部具有微處理器芯片，且固化有COS操作系統(tǒng)，可執(zhí)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募用苓\(yùn)算，安全性極高，靈活性強(qiáng)，且存儲(chǔ)容量大。來看一組金融領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，截至2014年6月底，全國金融IC卡累計(jì)發(fā)行超過8.7億張，其中上半年金融IC卡新增2.84億張，占新增銀行 卡總量的82%，商戶POS和ATM實(shí)現(xiàn)全面受理，行業(yè)應(yīng)用不斷涌新。隨著應(yīng)用環(huán)境的日漸成熟，各商業(yè)銀行將于年底前逐步關(guān)閉金融IC卡降級(jí)交易，并將在 2015年后，發(fā)行純芯片卡。可以看到，原本的磁條卡時(shí)代正在緩緩落幕，銀行 卡“芯”時(shí)代已成大勢(shì)所趨，與此同時(shí)，相應(yīng)的終端機(jī)具需求量必將劇增，這給企業(yè)帶來了巨大的商業(yè)契機(jī)。

本文在研究了ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)的金融標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，基于RC632射頻收發(fā)芯片，對(duì)非接觸式CPU卡和終端機(jī)具之間通信所采用的空中傳輸協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行有關(guān)測(cè)試，給出測(cè)試結(jié)果。

1 ISO14443協(xié)議簡介

ISO14443協(xié)議是13.56MHz下非接觸式IC卡的國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，由以下4部分組成：(1)物理特性：規(guī)定了接近式IC卡(PICC)的物理特性;(2)射頻功率和信號(hào)接口：規(guī)定了在接近式耦合設(shè)備(PCD)和接近式IC卡(PICC)之間提供功率和雙向通信的場(chǎng)的性質(zhì)與特征;(3)初始化和防沖突：描述了PICC進(jìn)入PCD工作場(chǎng)的輪詢，規(guī)定了在PCD和PICC之間通信的初始階段所使用的字節(jié)格式、幀格式和幀時(shí)序，以及在沖突發(fā)生的情況下如何從多張卡片中選出一張(防沖突)的方法;(4)傳輸協(xié)議：規(guī)定了非接觸式應(yīng)用中具有特色的半雙工傳輸協(xié)議。隨著應(yīng)用場(chǎng)景的不斷多元化，尤其是在快速消費(fèi)領(lǐng)域，由于卡片和終端機(jī)具的需求量與日俱增,ISO14443協(xié)議應(yīng)用也越來越廣泛，像國內(nèi)很多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如中國金融集成電路(IC)卡規(guī)范等，都是在它的基礎(chǔ)上修訂的。

2 系統(tǒng)硬件部分

2.1 MCU控制電路

本系統(tǒng)中MCU芯片我們選取STM32F103RBT6，它是基于Cortex-M3 ARM內(nèi)核的高性能32位處理器，具有128KB Flash、20 KB SRAM，主頻可達(dá)72 MHz，且具有功耗低、價(jià)格便宜、接口資源豐富等特點(diǎn);與傳統(tǒng)的8位單片機(jī)相比，32位的高性能ARM處理器擁有更高的通信效率、更強(qiáng)的控制功能，更加方便后期的系統(tǒng)擴(kuò)展。

2.2 射頻收發(fā)電路

射頻收發(fā)電路是本系統(tǒng)的核心部分，由RC632應(yīng)用電路和天線組成。RC632是 NXP推出的一款多協(xié)議非接觸式讀寫芯片，集成了在13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，也就是說它支持ISO14443(包括 Type A和Type B)和ISO15693(包括I·CODE1)兩種國際標(biāo)準(zhǔn)。它的發(fā)送器電路設(shè)計(jì)成具有非常低的阻抗，只需要很少的用于匹配和濾波的無源器件就可以直接驅(qū)動(dòng)天線，操作卡片的距離可達(dá)10cm，其引腳TX1和TX2上傳遞的信號(hào)是由包絡(luò)信號(hào)調(diào)制的13.56MHz的載波信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)可通過寄存器 TxControl進(jìn)行控制;它的接收器設(shè)計(jì)有一個(gè)正交調(diào)制電路，該電路從輸入到RX引腳的13.56MHz的ASK調(diào)制信號(hào)中解析出副載波信號(hào)，該副載波信號(hào)經(jīng)過放大濾波，然后輸入到相關(guān)性電路，對(duì)相關(guān)性結(jié)果數(shù)字化后輸入到數(shù)字電路。方便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器，這給讀寫器及終端的設(shè)計(jì)帶來了極大的靈活性;另外，RC632支持通過SPI方式連接到微處理器。

本系統(tǒng)中我們采用SPI的方式將RC632連接到 MCU，其原理圖如圖1所示。圖中的MOSI_rf，MISO_rf，SCK_rf，NSS_rf四個(gè)腳需連接到MCU的SPI外設(shè)，C16f，C17f 兩端的GND_rf網(wǎng)絡(luò)是需要繪制天線線圈(天線的設(shè)計(jì)不在本文范圍內(nèi))的。硬件焊接調(diào)試完成后，其實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 射頻收發(fā)電路

圖2 實(shí)物圖

3 系統(tǒng)軟件部分

與M1卡一樣，非接觸式CPU卡(以后稱PICC)符合ISO14443-1、- 2、-3標(biāo)準(zhǔn)，不同的是它通過RATS命令可進(jìn)入到CPU模式，以后都按照ISO14443-4的塊傳輸協(xié)議與讀寫設(shè)備(以后稱PCD)進(jìn)行信息交互。 PCD訪問PICC的工作流程如圖3所示，激活CPU卡的過程總共包括尋卡，防沖突，尋卡，RATS四步，其中RATS是在判斷選卡命令的響應(yīng)支持 ISO14443-4標(biāo)準(zhǔn)的情況下發(fā)送的，以便進(jìn)入CPU模式。

圖3 讀寫設(shè)備訪問卡片工作流程

根據(jù)OSI參考模型分層原理設(shè)計(jì)的思想，對(duì)PCD和PICC之間的半雙工塊傳輸協(xié)議進(jìn)行概況，可抽象出三層，如圖4所示。物理層處在該層次結(jié)構(gòu)的最底層，它利用空中射頻信道為上層協(xié)議提供了一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)的物理媒介，在這一層數(shù)據(jù)的單位是bit;數(shù)據(jù)鏈路層起著承上啟下的作用，它負(fù)責(zé)在物理層提供的傳輸媒介上將應(yīng)用層的數(shù)據(jù)加工后發(fā)送出去;應(yīng)用層則是提供符合某行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的APDU命令。由于應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層聯(lián)系很緊密，故本節(jié)將二者合并為協(xié)議層加以介紹。

圖4 半雙工傳輸協(xié)議軟件設(shè)計(jì)的層次劃分

3.1 物理層設(shè)計(jì)

物理層的實(shí)現(xiàn)在雙方通信過程中起著“橋梁”的作用，本系統(tǒng)中“擔(dān)此重任”的角色就是射頻收發(fā)芯片RC632。在程序初始化時(shí)，配置RC632的相關(guān)寄存器，使芯片工作在ISO14443 Type A模式;而針對(duì)不同的傳輸要求，需及時(shí)調(diào)整相關(guān)寄存器的值，使PCD和PICC之間的底層“對(duì)話”按照規(guī)定的比特流進(jìn)行，比如通信采用短幀還是標(biāo)準(zhǔn)幀可通過調(diào)整BitFraming寄存器，有無奇偶校驗(yàn)或者CRC校驗(yàn)可通過調(diào)整ChannelRedundancy寄存器。RC632的狀態(tài)由可執(zhí)行特定命令集的內(nèi)部狀態(tài)機(jī)決定，這些命令通過將相應(yīng)的命令碼寫入到Command寄存器來啟動(dòng)。本系統(tǒng)中主要用到了Transceive指令，其指令碼是0x1E，該指令從FIFO緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)并送到發(fā)送器發(fā)送出去，接收器在間隔約定時(shí)間后自動(dòng)啟動(dòng)，所有從RF接口接收到的數(shù)據(jù)再通過FIFO緩沖區(qū)返回;而處理一個(gè)命令所需要的變量或者數(shù)據(jù)則要通過FIFOData寄存器寫入到FIFO緩沖區(qū)，然后進(jìn)行交換。概況起來，RC632的射頻收發(fā)過程如下：在Idle 命令有效時(shí)，將所有要發(fā)送到卡片的數(shù)據(jù)通過FIFOData寄存器寫入到FIFO，之后將Transceive指令碼寫入到Command寄存器來啟動(dòng)收發(fā)過程，然后再通過FIFOData寄存器從FIFO中取出返回的數(shù)據(jù)。

3.2 協(xié)議層設(shè)計(jì)

要運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用，還需要在終端上實(shí)現(xiàn)一個(gè)附加的應(yīng)用協(xié)議層，這個(gè)協(xié)議層包括向卡片發(fā)送命令、卡片內(nèi)處理命令和返回IC卡處理響應(yīng)等步驟。應(yīng)用層發(fā)出的命令報(bào)文和卡片返回到應(yīng)用層的響應(yīng)報(bào)文統(tǒng)稱為應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU);響應(yīng)是和命令相對(duì)應(yīng)的，通常被稱為APDU命令-響應(yīng)對(duì);在一個(gè)APDU命令-響應(yīng)對(duì)中，命令報(bào)文(C-APDU)或響應(yīng)報(bào)文(R-APDU)都可能包含數(shù)據(jù)[4]。

C- APDU由4字節(jié)長的必備頭和變長的條件體構(gòu)成，如圖5所示。其中，CLA表示指令類型，INS表示指令碼，P1表示指令參數(shù)1，P2表示指令參數(shù) 2，Lc表示命令數(shù)據(jù)域中發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，Data表示命令發(fā)送的數(shù)據(jù)串，Le表示期望返回的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。當(dāng)Le存在且值為0時(shí)，表示需要最大字節(jié)數(shù)(256字節(jié));在命令報(bào)文需要時(shí)，Le可始終被設(shè)為‘00’。

圖5 C-APDU 格式

R- APDU由變長的條件體和兩字節(jié)長的必備尾組成，如圖6所示。其中，Data表示響應(yīng)中接收的數(shù)據(jù)串，SW1、SW2表示卡片執(zhí)行命令的返回代碼。當(dāng) SW1的高半字節(jié)為‘9’，且低半字節(jié)不為‘0’時(shí)，其含義依賴于相關(guān)應(yīng)用;當(dāng)SW1的高半字節(jié)為‘6’，且低半字節(jié)不為‘0’時(shí)，其含義與應(yīng)用無關(guān) [5]。

圖6 R-APDU 格式

PCD 和PICC之間的半雙工協(xié)議支持塊格式傳輸，塊格式由一個(gè)開始域(強(qiáng)制)，一個(gè)信息域(可選)，一個(gè)結(jié)束域(強(qiáng)制)組成，如圖7所示。其中，方括號(hào)中的數(shù)據(jù)為可選數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)開始域中只含有強(qiáng)制的PCB(協(xié)議控制字節(jié))，信息域中的數(shù)據(jù)是基于某行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的APDU命令，結(jié)束域則是CRC校驗(yàn)，該校驗(yàn)值可由射頻芯片RC632自動(dòng)產(chǎn)生。

圖7 塊格式

協(xié)議控制字節(jié)PCB用于傳送控制數(shù)據(jù)傳輸所需要的信息，它的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在本程序中起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)PCB編碼的不同，協(xié)議定義了塊的三種基本類型：用于為應(yīng)用層的使用傳送信息的信息塊(I-塊);用于傳送確認(rèn)或不確認(rèn)的接收準(zhǔn)備塊(R-塊);用于在 PCD 和 PICC 間交換控制信息的管理塊(S-塊)。PCB的編碼依賴于它的類型，具體可參看協(xié)議ISO14443-4。需要詳述的是這樣一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：I-塊和R-塊的 PCB中最低位表示塊號(hào)，它遵循如圖8所示的特定的編碼規(guī)則。具體描述如下：

(1) PCD規(guī)則：對(duì)于當(dāng)前被激活的PICC，PCD塊編號(hào)應(yīng)初始化為0;當(dāng)接收到一個(gè)塊編號(hào)與當(dāng)前塊編號(hào)相等的正確的I塊或正確的R-塊(ACK)時(shí)，PCD在發(fā)送任意一個(gè)塊之前，應(yīng)反轉(zhuǎn)當(dāng)前的PICC塊編號(hào)。

(2) PICC規(guī)則：在激活時(shí)，PICC塊編號(hào)應(yīng)初始化為1;當(dāng)接收到一個(gè)I-塊，PICC應(yīng)在接收I-塊之后立即反轉(zhuǎn)它的塊編號(hào);當(dāng)接收到一個(gè)塊編號(hào)不等于目前的PICC的塊編號(hào)的R-塊(ACK)時(shí)，PICC應(yīng)在接收R-塊(ACK)之后立即反轉(zhuǎn)它的塊編號(hào)。

圖8 PCB中塊編號(hào)規(guī)則

關(guān)鍵部分代碼如下：

void APDU_Handle(u8 *APDU_Data)

{

if((APDU_Data[0]PCB_BlkNo_Mask)==Blk_Info.PCB_BlkNo)

{Blk_Info.PCB_BlkNo ^= PCB_BlkNo_Mask;} //反轉(zhuǎn)塊號(hào)

else { return; } //塊號(hào)不對(duì)!

switch(APDU_Data[0]PCB_Type_Mask)

{

case 0x00: //收到I塊

{

if(!(APDU_Data[0]I_PCB_Link_Mask))

{ }//PICC發(fā)送的最后一塊數(shù)據(jù)，后續(xù)無鏈接

else

{ }//PICC分段發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù),后續(xù)有鏈接。PCD需要發(fā)送R-塊確認(rèn)

break;

}

case 0x80: //收到R塊

{

//說明PCD分段發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)，需通過鏈接位。

break;

}

case 0xC0: //收到S塊

{

if((APDU_Data[0]0x30)==0x30) //PICC請(qǐng)求等待時(shí)間擴(kuò)展

{

//以后的等待超時(shí)時(shí)間(Timeout)需要隨之改變!

}

break;

}

default:

{ break; }

}

}

4 測(cè)試

我們選取復(fù)旦微電子的非接觸式CPU卡做測(cè)試。點(diǎn)擊“尋找卡片”，依次執(zhí)行圖3中的尋卡，防沖突，選卡等三個(gè)步驟，獲得卡片序列號(hào)和卡片類型;點(diǎn)擊“RATS”，發(fā)送選擇應(yīng)答請(qǐng)求來激活CPU模式，PICC返回ATS響應(yīng) “107880B0022090000000000026BAB4A2”，具體含義如表1所示;發(fā)送表2所示的取隨機(jī)數(shù)指令，PICC返回表3所示的四字節(jié)隨機(jī)數(shù);發(fā)送表4所示的選擇MF主文件命令，PICC返回表5所示的嵌套TLV格式的文件控制信息(FCI)。測(cè)試效果圖如圖9所示。

圖9 上位機(jī)測(cè)試效果圖

結(jié)語

本文硬件電路采用ARM內(nèi)核的32位微處理器芯片STM32F103RBT6和NXP公司的RC632來完成，軟件開發(fā)則從物理層和協(xié)議層兩個(gè)層面對(duì)PCD 和PICC之間的無線射頻通信進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試證明，該讀寫設(shè)備工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，讀卡準(zhǔn)確且操作距離大于5cm。由此可見，對(duì)空中傳輸協(xié)議進(jìn)行了較好的實(shí)現(xiàn)。另外，還可以進(jìn)行擴(kuò)展改進(jìn)，如增加GPRS模塊再結(jié)合相關(guān)的非接觸式IC卡支付規(guī)范，便可實(shí)現(xiàn)方便快捷的移動(dòng)支付。

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