非接觸式CPU卡的空中傳輸協(xié)議的軟硬件設計※

張玉川，王彬

（杭州電子科技大學電子信息學院，杭州310018）

引 言

普通的邏輯加密卡，如Mifare1卡（即M1卡），由非易失性存儲器和硬件加密邏輯組成，通過校驗密碼的方式來保護卡內(nèi)的數(shù)據(jù)，具有一定的安全性，但這只是低層次的安全保護，無法防范惡意性攻擊，因此無法滿足更高的安全性和更復雜的多應用需求。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)行嚴謹?shù)募用苓\算，安全性極高，靈活性強，且存儲容量大。來看一組金融領域的數(shù)據(jù)，截至2014年6月底，全國金融IC卡累計發(fā)行超過8.7億張，其中上半年新增2.84億張，占新增銀行卡總量的82%，商戶POS和ATM實現(xiàn)全面受理，行業(yè)應用不斷涌現(xiàn)。隨著應用環(huán)境的日漸成熟，各商業(yè)銀行將在2015年發(fā)行純芯片卡?？梢钥吹剑瓉淼拇艞l卡時代正在緩緩落幕，銀行卡“芯”時代已成大勢所趨，與此同時，相應的終端機具需求量必將劇增，這給企業(yè)帶來了巨大的商業(yè)契機。

本文在研究了ISO／IEC14443標準以及相關的金融標準基礎上，基于RC632射頻收發(fā)芯片，對非接觸式CPU卡和終端機具之間通信所采用的空中傳輸協(xié)議進行了設計，并給出測試結果。

1 ISO14443協(xié)議簡介

ISO14443協(xié)議是13.56MHz下非接觸式IC卡的國際標準協(xié)議，由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射頻功率和信號接口，規(guī)定了在接近式耦合設備（PCD）和接近式IC卡（PICC）之間提供功率和雙向通信的場的性質與特征；③初始化和防沖突，描述了PICC進入PCD工作場的輪詢，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［1]；④傳輸協(xié)議，規(guī)定了非接觸式應用中具有特色的半雙工傳輸協(xié)議。隨著應用場景的不斷多元化，尤其是在快速消費領域，由于卡片和終端機具的需求量與日俱增，ISO14443協(xié)議應用也越來越廣泛。

2 系統(tǒng)硬件部分

2.1 MCU控制電路

本系統(tǒng)中MCU芯片選取STM32F103RBT6，它是基于ARM Cortex－M3內(nèi)核的高性能32位微處理器，具有128KB Flash、20KB SRAM，主頻可達72MHz，且具有功耗低、價格低、接口資源豐富等特點。

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應用電路和天線組成。RC632是NXP公司推出的一款多協(xié)議非接觸式讀寫芯片，集成了在13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議，支持ISO14443（包括Type A和Type B）和ISO15693（包括I·CODE1）兩種國際標準。發(fā)送器電路設計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動天線，操作卡片的距離可達10cm，其引腳TX1和TX2上傳遞的信號是由包絡信號調(diào)制的13.56MHz載波信號，這兩個信號可通過寄存器TxControl進行控制。接收器設計有一個正交調(diào)制電路，該電路從輸入到RX引腳的13.56MHzASK調(diào)制信號中解析出副載波信號，經(jīng)過放大濾波后輸入到相關性電路，對相關性結果數(shù)字化后輸入到數(shù)字電路。RC632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計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［3]。

圖2 實物圖

本系統(tǒng)采用SPI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四個引腳需連接到MCU的SPI外設，C16f、C17f兩端的GND＿rf網(wǎng)絡需要繪制天線線圈（天線的設計不在本文范圍內(nèi)）。硬件焊接調(diào)試完成后，其實物圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件部分

與M1卡一樣，非接觸式CPU卡（稱PICC）符合ISO14443－1／2／3標準，不同的是它可以通過RATS命令進入到CPU模式，文后都按照ISO14443－4的塊傳輸協(xié)議與讀寫設備（稱PCD）進行信息交互。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、選卡、RATS四步，其中RATS是在判斷選卡命令的響應支持ISO14443－4標準的情況下發(fā)送的，以便進入CPU模式。

圖1 射頻收發(fā)電路

根據(jù)OSI參考模型分層原理設計的思想，對PCD和PICC之間的半雙工塊傳輸協(xié)議進行概況，可抽象出3層，如圖4所示。物理層處在該層次結構的最底層，它利用空中射頻信道為上層協(xié)議提供了一個傳輸數(shù)據(jù)的物理媒介，在這一層數(shù)據(jù)的單位是位；數(shù)據(jù)鏈路層起著承上啟下的作用，負責在物理層提供的傳輸媒介上將應用層的數(shù)據(jù)加工后發(fā)送出去；應用層則是提供符合某行業(yè)標準的APDU命令。由于應用層和數(shù)據(jù)鏈路層聯(lián)系很緊密，故將二者合并為協(xié)議層予以介紹。

3.1 物理層設計

圖3 PCD訪問PICC的工作流程

圖4 半雙工傳輸協(xié)議軟件設計的層次劃分

物理層在雙方通信過程中起著橋梁的作用，本系統(tǒng)中擔此重任的是射頻收發(fā)芯片RC632。在程序初始化時，配置RC632的相關寄存器，使芯片工作在ISO14443Type A模式。針對不同的傳輸要求，需及時調(diào)整相關寄存器的值，使PCD和PICC之間的底層“對話”按照規(guī)定的比特流進行，比如通信采用短幀還是標準幀可通過調(diào)整BitFraming寄存器實現(xiàn)，有無奇偶校驗或者CRC校驗可通過調(diào)整ChannelRedundancy寄存器實現(xiàn)。RC632的狀態(tài)由可執(zhí)行特定命令集的內(nèi)部狀態(tài)機決定，這些命令通過將相應的命令碼寫入到Command寄存器來啟動。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間后自動啟動，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)，然后進行交換。

概括起來，RC632的射頻收發(fā)過程如下：在Idle命令有效時，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)議層設計

要運行一個應用，還需要在終端上實現(xiàn)一個附加的應用協(xié)議層，這個協(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卡處理響應等步驟。應用層發(fā)出的命令報文和卡片返回到應用層的響應報文統(tǒng)稱為應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU）。響應和命令是相對應的，通常被稱為APDU命令－響應對；在一個APDU命令－響應對中，命令報文（C－APDU）或響應報文（R－APDU）都可能包含數(shù)據(jù)［4]。

C－APDU由4字節(jié)的必備頭和變長的條件體構成，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Le存在且值為0時，表示需要最大字節(jié)數(shù)（256字節(jié)）；在命令報文需要時，Le可始終被設為00。

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

圖5 C－APDU格式

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，塊格式由一個開始域（強制）、一個信息域（可選）、一個結束域（強制）組成，如圖7所示。其中，方括號中的數(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)標準的APDU命令，結束域則是CRC校驗，該校驗值可由射頻芯片RC632自動產(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。根據(jù)PCB編碼的不同，協(xié)議定義了塊的3種基本類型：用于為應用層的使用傳送信息的信息塊（I－塊）；用于傳送確認或不確認的接收準備塊（R－塊）；用于在PCD和PICC間交換控制信息的管理塊（S－塊）［6]。PCB的編碼依賴于它的類型，具體可參看協(xié)議ISO14443－4。需要詳述的有這樣一個關鍵點：I－塊和R－塊的PCB中最低位表示塊號，它遵循如圖8所示的特定編碼規(guī)則。具體描述如下：

①PCD規(guī)則：對于當前被激活的PICC，PCD塊編號應初始化為0；當接收到一個塊編號與當前塊編號相等的正確的I－塊或正確的R－塊（ACK）時，PCD在發(fā)送任意一個塊之前，應反轉當前的PICC塊編號。

②PICC規(guī)則：在激活時，PICC塊編號應初始化為1；當接收到一個I－塊，PICC應在接收I－塊之后立即反轉它的塊編號；當接收到一個塊編號不等于目前的PICC塊編號的R－塊（ACK）時，PICC應在接收R－塊（ACK）之后立即反轉它的塊編號［7]。

圖8 PCB中塊編號規(guī)則

關鍵部分代碼略——編者注。

4 測 試

選取復旦微電子的非接觸式CPU卡做測試。點擊“尋找卡片”按鈕，依次執(zhí)行圖3中的尋卡、防沖突、選卡3個步驟，獲得卡片序列號和卡片類型；點擊“RATS”，發(fā)送選擇應答請求來激活CPU模式，PICC返回ATS響應“1078 80B0 0220 9000 0000 0000 26BA B4A2”，具體含義如表1所列；發(fā)送表2所列的取隨機數(shù)指令，PICC返回表3所列的4字節(jié)隨機數(shù)；發(fā)送表4所列的選擇MF主文件命令，PICC返回表5所列的嵌套TLV格式的文件控制信息（FCI）。測試效果圖略——編者注。

表1 ATS響應數(shù)據(jù)

表2 取隨機數(shù)指令

表3 取隨機數(shù)指令應答

表4 選擇MF主文件指令

表5 選擇MF主文件指令應答

結 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)議層兩個層面對PCD和PICC之間的無線射頻通信進行設計。經(jīng)測試證明，該讀寫設備工作穩(wěn)定、抗干擾能力強、讀卡準確且操作距離大于5cm。另外，還可以進行擴展改進，如增加GPRS模塊再結合相關的非接觸式IC卡支付規(guī)范，便可實現(xiàn)方便、快捷的移動支付。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

［1] ISO／IEC14443－3.Identification Cards－Contactless Integrated Circuit Cards－Proximity Cards－Part 3：Initialization and Anticollision［S] .

［2] 潘新娜，鮑可進，唐宏斌.基于ARM的雙界面IC卡讀寫器的設計與實現(xiàn)［J] .計算機工程與科學，2014，36（5）：991－996.

［3] NXP Semiconductors.CL RC632Multiple protocol contactless reader IC Product data sheet［R] .Rev.3.5－10November 2009.

［4] JR／T 0025.3—2013.中國金融集成電路（IC）卡規(guī)范第3部分：與應用無關的IC卡與終端接口規(guī)范［S] .

［5] JR／T 0025.8—2013.中國金融集成電路（IC）卡規(guī)范第8部分：與應用無關的非接觸式規(guī)范［S] .

［6] ISO／IEC14443－4.Identification Cards－Contactless Integrated Circuit Cards－Proximity Cards－Part 4：Transmission Protocol［S] .

［7] JR／T 0025.11—2013.中國金融集成電路（IC）卡規(guī)范第11部分：非接觸式IC卡通訊規(guī)范［S] .