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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(guò)校驗密碼的方式來(lái)保護卡內的數據，其具有一定的安全性，但這只是低層次的安全保護，無(wú)法防范惡意性的攻擊，因此無(wú)法滿(mǎn)足更高的安全性和更復雜的多應用的需求。而CPU卡內部具有微處理器芯片，且固化有COS操作系統，可執行嚴謹的加密運算，安全性極高，靈活性強，且存儲容量大。來(lái)看一組金融領(lǐng)域的數據，截至2014年6月底，全國金融IC卡累計發(fā)行超過(guò)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(hù)POS和ATM實(shí)現全面受理，行業(yè)應用不斷涌新。隨著(zhù)應用環(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卡降級交易，并將在2015年后，發(fā)行純芯片卡�？梢钥吹�，原本的磁條卡時(shí)代正在緩緩落幕，銀行 卡“芯”時(shí)代已成大勢所趨，與此同時(shí)，相應的終端機具需求量必將劇增，這給企業(yè)帶來(lái)了巨大的商業(yè)契機。 本文在研究了ISO/IEC14443標準以及相關(guān)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(jìn)行了設計與實(shí)現，并進(jìn)行有關(guān)測試，給出測試結果。 1 ISO14443協(xié)議簡(jiǎn)介 ISO14443協(xié)議是13.56MHz下非接觸式IC卡的國際標準協(xié)議，由以下4部分組成：（1）物理特性：規定了接近式IC卡（PICC）的物理特性；（2）射頻功率和信號接口：規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(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(xún)，規定了在PCD和PICC之間通信的初始階段所使用的字節格式、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：規定了非接觸式應用中具有特色的半雙工傳輸協(xié)議。隨著(zhù)應用場(chǎng)景的不斷多元化，尤其是在快速消費領(lǐng)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(lái)越廣泛，像國內很多行業(yè)標準，如中國金融集成電路（IC）卡規范等，都是在它的基礎上修訂的。 2 系統硬件部分 2.1 MCU控制電路 本系統中MCU芯片我們選取STM32F103RBT6，它是基于Cortex-M3 ARM內核的高性能32位處理器，具有128KB Flash、20 KB SRAM，主頻可達72 MHz，且具有功耗低、價(jià)格便宜、接口資源豐富等特點(diǎn)；與傳統的8位單片機相比，32位的高性能ARM處理器擁有更高的通信效率、更強的控制功能，更加方便后期的系統擴展。 2.2 射頻收發(fā)電路 射頻收發(fā)電路是本系統的核心部分，由RC632應用電路和天線(xiàn)組成。RC632是NXP推出的一款多協(xié)議非接觸式讀寫(xiě)芯片，集成了在13.56MHz下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，也就是說(shuō)它支持ISO14443（包括Type A和Type B）和ISO15693（包括I·CODE1）兩種國際標準。它的發(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(wú)源器件就可以直接驅動(dòng)天線(xiàn)，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(luò )信號調制的13.56MHz的載波信號，這兩個(gè)信號可通過(guò)寄存器TxControl進(jìn)行控制；它的接收器設計有一個(gè)正交調制電路，該電路從輸入到RX引腳的13.56MHz的ASK調制信號中解析出副載波信號，該副載波信號經(jīng)過(guò)放大濾波，然后輸入到相關(guān)性電路，對相關(guān)性結果數字化后輸入到數字電路。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(xiě)器及終端的設計帶來(lái)了極大的靈活性；另外，RC632支持通過(guò)SPI方式連接到微處理器。 本系統中我們采用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，C16f，C17f兩端的GND_rf網(wǎng)絡(luò )是需要繪制天線(xiàn)線(xiàn)圈（天線(xiàn)的設計不在本文范圍內）的。硬件焊接調試完成后，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 系統軟件部分 與M1卡一樣，非接觸式CPU卡（以后稱(chēng)PICC）符合ISO14443-1、-2、-3標準，不同的是它通過(guò)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(xiě)設備（以后稱(chēng)PCD）進(jìn)行信息交互。PCD訪(fǎng)問(wèn)PICC的工作流程如圖3所示，激活CPU卡的過(guò)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支持ISO14443-4標準的情況下發(fā)送的，以便進(jìn)入CPU模式。 圖3 讀寫(xiě)設備訪(fǎng)問(wèn)卡片工作流程 根據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(jìn)行概況，可抽象出三層，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(gè)傳輸數據的物理媒介，在這一層數據的單位是bit；數據鏈路層起著(zhù)承上啟下的作用，它負責在物理層提供的傳輸媒介上將應用層的數據加工后發(fā)送出去；應用層則是提供符合某行業(yè)標準的APDU命令。由于應用層和數據鏈路層聯(lián)系很緊密，故本節將二者合并為協(xié)議層加以介紹。 圖4 半雙工傳輸協(xié)議軟件設計的層次劃分 3.1 物理層設計 物理層的實(shí)現在雙方通信過(guò)程中起著(zhù)“橋梁”的作用，本系統中“擔此重任”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；而針對不同的傳輸要求，需及時(shí)調整相關(guān)寄存器的值，使PCD和PICC之間的底層“對話(huà)”按照規定的比特流進(jìn)行，比如通信采用短幀還是標準幀可通過(guò)調整BitFraming寄存器，有無(wú)奇偶校驗或者CRC校驗可通過(guò)調整ChannelRedundancy寄存器。RC632的狀態(tài)由可執行特定命令集的內部狀態(tài)機決定，這些命令通過(guò)將相應的命令碼寫(xiě)入到Command寄存器來(lái)啟動(dòng)。本系統中主要用到了Transceive指令，其指令碼是0x1E，該指令從FIFO緩沖區中取出數據并送到發(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接口接收到的數據再通過(guò)FIFO緩沖區返回；而處理一個(gè)命令所需要的變量或者數據則要通過(guò)FIFOData寄存器寫(xiě)入到FIFO緩沖區，然后進(jìn)行交換。概況起來(lái)，RC632的射頻收發(fā)過(guò)程如下：在Idle命令有效時(shí)，將所有要發(fā)送到卡片的數據通過(guò)FIFOData寄存器寫(xiě)入到FIFO，之后將Transceive指令碼寫(xiě)入到Command寄存器來(lái)啟動(dòng)收發(fā)過(guò)程，然后再通過(guò)FIFOData寄存器從FIFO中取出返回的數據。 3.2 協(xié)議層設計 要運行一個(gè)應用，還需要在終端上實(shí)現一個(gè)附加的應用協(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稱(chēng)為應用協(xié)議數據單元（APDU）；響應是和命令相對應的，通常被稱(chēng)為APDU命令-響應對；在一個(gè)APDU命令-響應對中，命令報文（C-APDU）或響應報文（R-APDU）都可能包含數據[4]。 C-APDU由4字節長(cháng)的必備頭和變長(cháng)的條件體構成，如圖5所示。其中，CLA表示指令類(lèi)型，INS表示指令碼，P1表示指令參數1，P2表示指令參數2，Lc表示命令數據域中發(fā)送的數據字節數，Data表示命令發(fā)送的數據串，Le表示期望返回的數據字節數。當Le存在且值為0時(shí)，表示需要最大字節數（256字節）；在命令報文需要時(shí)，Le可始終被設為‘00’。 圖5 C-APDU 格式 R-APDU由變長(cháng)的條件體和兩字節長(cháng)的必備尾組成，如圖6所示。其中，Data表示響應中接收的數據串，SW1、SW2表示卡片執行命令的返回代碼。當SW1的高半字節為‘9’，且低半字節不為‘0’時(shí)，其含義依賴(lài)于相關(guān)應用；當SW1的高半字節為‘6’，且低半字節不為‘0’時(shí)，其含義與應用無(wú)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(kāi)始域（強制），一個(gè)信息域（可選），一個(gè)結束域（強制）組成，如圖7所示。其中，方括號中的數據為可選數據。本系統開(kāi)始域中只含有強制的PCB（協(xié)議控制字節），信息域中的數據是基于某行業(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(dòng)產(chǎn)生。 圖7 塊格式 協(xié)議控制字節PCB用于傳送控制數據傳輸所需要的信息，它的設計實(shí)現在本程序中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。根據PCB編碼的不同，協(xié)議定義了塊的三種基本類(lèi)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）。PCB的編碼依賴(lài)于它的類(lèi)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，它遵循如圖8所示的特定的編碼規則。具體描述如下： (1) PCD規則：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(gè)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(shí)，PCD在發(fā)送任意一個(gè)塊之前，應反轉當前的PICC塊編號。 (2) PICC規則：在激活時(shí)，PICC塊編號應初始化為1；當接收到一個(gè)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(gè)塊編號不等于目前的PICC的塊編號的R-塊（ACK）時(shí)，PICC應在接收R-塊（ACK）之后立即反轉它的塊編號。 圖8 PCB中塊編號規則 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;} //反轉塊號 else { return; } //塊號不對！ switch(APDU_Data[0]&PCB_Type_Mask) { case 0x00: //收到I塊 { if(!(APDU_Data[0]&I_PCB_Link_Mask)) { }//PICC發(fā)送的最后一塊數據，后續無(wú)鏈接 else { }//PICC分段發(fā)送響應數據,后續有鏈接。PCD需要發(fā)送R-塊確認 break; } case 0x80: //收到R塊 { //說(shuō)明PCD分段發(fā)送請求數據，需通過(guò)鏈接位。 break; } case 0xC0: //收到S塊 { if((APDU_Data[0]&0x30)==0x30) //PICC請求等待時(shí)間擴展 { //以后的等待超時(shí)時(shí)間(Timeout)需要隨之改變！ } break; } default: { break; } } } 4 測試 我們選取復旦微電子的非接觸式CPU卡做測試。點(diǎn)擊“尋找卡片”，依次執行圖3中的尋卡，防沖突，選卡等三個(gè)步驟，獲得卡片序列號和卡片類(lèi)型；點(diǎn)擊“RATS”，發(fā)送選擇應答請求來(lái)激活CPU模式，PICC返回ATS響應“107880B0022090000000000026BAB4A2”，具體含義如表1所示；發(fā)送表2所示的取隨機數指令，PICC返回表3所示的四字節隨機數；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）。測試效果圖如圖9所示。 圖9 上位機測試效果圖 結語(yǔ) 本文硬件電路采用ARM內核的32位微處理器芯片STM32F103RBT6和NXP公司的RC632來(lái)完成，軟件開(kāi)發(fā)則從物理層和協(xié)議層兩個(gè)層面對PCD和PICC之間的無(wú)線(xiàn)射頻通信進(jìn)行設計實(shí)現。經(jīng)實(shí)際測試證明，該讀寫(xiě)設備工作穩定，抗干擾能力強，讀卡準確且操作距離大于5cm。由此可見(jiàn)，對空中傳輸協(xié)議進(jìn)行了較好的實(shí)現。另外，還可以進(jìn)行擴展改進(jìn)，如增加GPRS模塊再結合相關(guān)的非接觸式IC卡支付規范，便可實(shí)現方便快捷的移動(dòng)支付。 參考文獻 [1] ISO/IEC14443-3. 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