非接觸式CPU卡的空中傳輸協議的軟硬件設計※

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的數據，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。來看一組金融領域的數據，截至2014年6月底，全國金融IC卡累計發行超過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實現全面受理，行業應用不斷涌現。隨著應用環境的日漸成熟，各商業銀行將在2015年發行純芯片卡。可以看到，原來的磁條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，這給企業帶來了巨大的商業契機。

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議進行了設計，并給出測試結果。

1 ISO14443協議簡介

ISO14443協議是13.56MHz下非接觸式IC卡的國際標準協議，由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、幀格式和幀時序，以及在沖突發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傳輸協議，規定了非接觸式應用中具有特色的半雙工傳輸協議。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協議應用也越來越廣泛。

2 系統硬件部分

2.1 MCU控制電路

本系統中MCU芯片選取STM32F103RBT6，它是基于ARM Cortex－M3內核的高性能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 射頻收發電路

射頻收發電路是本系統的核心部分，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議，支持ISO14443（包括Type A和Type B）和ISO15693（包括I·CODE1）兩種國際標準。發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制電路，該電路從輸入到RX引腳的13.56MHzASK調制信號中解析出副載波信號，經過放大濾波后輸入到相關性電路，對相關性結果數字化后輸入到數字電路。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網絡需要繪制天線線圈（天線的設計不在本文范圍內）。硬件焊接調試完成后，其實物圖如圖2所示。

3 系統軟件部分

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標準的情況下發送的，以便進入CPU模式。

圖1 射頻收發電路

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議提供了一個傳輸數據的物理媒介，在這一層數據的單位是位；數據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據加工后發送出去；應用層則是提供符合某行業標準的APDU命令。由于應用層和數據鏈路層聯系很緊密，故將二者合并為協議層予以介紹。

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，本系統中擔此重任的是射頻收發芯片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，需及時調整相關寄存器的值，使PCD和PICC之間的底層“對話”按照規定的比特流進行，比如通信采用短幀還是標準幀可通過調整BitFraming寄存器實現，有無奇偶校驗或者CRC校驗可通過調整ChannelRedundancy寄存器實現。RC632的狀態由可執行特定命令集的內部狀態機決定，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送器發送出去，接收器在間隔約定時間后自動啟動，所有從RF接口接收到的數據再通過FIFO緩沖區返回；而處理一個命令所需要的變量或者數據，則要通過FIFOData寄存器寫入到FIFO緩沖區，然后進行交換。

概括起來，RC632的射頻收發過程如下：在Idle命令有效時，將所有要發送到卡片的數據通過FIFOData寄存器寫入到FIFO，之后將Transceive指令碼寫入到Command寄存器來啟動收發過程，然后再通過FIFOData寄存器從FIFO中取出返回的數據。

3.2 協議層設計

要運行一個應用，還需要在終端上實現一個附加的應用協議層，這個協議層包括向卡片發送命令、卡片內處理命令和返回IC卡處理響應等步驟。應用層發出的命令報文和卡片返回到應用層的響應報文統稱為應用協議數據單元（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）都可能包含數據［4]。

C－APDU由4字節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1，P2表示指令參數2，Lc表示命令數據域中發送的數據字節數，Data表示命令發送的數據串，Le表示期望返回的數據字節數。當Le存在且值為0時，表示需要最大字節數（256字節）；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，其含義依賴于相關應用；當SW1的高半字節為6，且低半字節不為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，方括號中的數據為可選數據。本系統開始域中只含有強制的PCB（協議控制字節），信息域中的數據是基于某行業標準的APDU命令，結束域則是CRC校驗，該校驗值可由射頻芯片RC632自動產生。

圖7 塊格式

協議控制字節PCB用于傳送控制數據傳輸所需要的信息。根據PCB編碼的不同，協議定義了塊的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所示的特定編碼規則。具體描述如下：

①PCD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在發送任意一個塊之前，應反轉當前的PICC塊編號。

②PICC規則：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；發送表2所列的取隨機數指令，PICC返回表3所列的4字節隨機數；發送表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響應數據

表2 取隨機數指令

表3 取隨機數指令應答

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內核的32位微處理器芯片STM32F103RBT6和NXP公司的RC632來完成，軟件開發則從物理層和協議層兩個層面對PCD和PICC之間的無線射頻通信進行設計。經測試證明，該讀寫設備工作穩定、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卡支付規范，便可實現方便、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［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）卡規范第3部分：與應用無關的IC卡與終端接口規范［S] .

［5] JR／T 0025.8—2013.中國金融集成電路（IC）卡規范第8部分：與應用無關的非接觸式規范［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）卡規范第11部分：非接觸式IC卡通訊規范［S] .