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读写器和RFID芯片的防冲突机制介绍

发布时间:2015-10-6 13:58:55

正常情况下RFID读写器某一时刻只能对磁场中的一张射频IC卡进行读写操作。但是当多个RFID芯片同时进入读写器的射频场时,读写器怎么办呢?读写器需要选出唯一的一张卡片进行读写操作,这就是防冲突。常见的非接触式智能卡中的防冲突机制主要有:面向比特的防冲突机制,面向时隙的防冲突机制,位和时隙相结合的防冲突机制。防冲突机制是非接触式RFID读写器开发的主要问题。在接触式智能IC卡的操作中是不存在冲突的,因为接触式智能卡的读写器有一个专门的卡座,而且一个卡座只能插一张卡片,不存在读写器同时面对两张以上卡片的问题。

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常见的非接触式智能卡中的防冲突机制主要有以下几种:
1.面向比特的防冲突机制。
ISO14443A中使用这种防冲突机制,其原理是基于卡片有一个全球唯一的序列号。比如Mifare1卡,每张卡片有一个全球唯一的32位二进制序列号。显而易见,卡号的每一位上不是“1”就是“0”,而且由于是全世界唯一,所以任何两张卡片的序列号总有一位的值是不一样的,也就说总存在某一位,一张卡片上是“0”,而另一张卡片上是“1”。
当两张以上卡片同时进入射频场,读写器向射频场发出卡呼叫命令,问射频场中有没有卡片。这些卡片同时回答“有卡片”;
然后读写器发送防冲突命令“把你们的卡号告诉我”,收到命令后所有卡片同时回送自己的卡号。
可能这些卡片卡号的前几位都是一样的。比如前四位都是1010,第五位上有一张卡片是“0”而其他卡片是“1”,于是所有卡片在一起说自己的第五位卡号的时候,由于有卡片说“0”,有卡片说“1”,读写器听出来发生了冲突。

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读写器检测到冲突后,对射频场中的卡片说,让卡号前四位是“1010”,第五位是“1”的卡片继续说自己的卡号,其他的卡片不要发言了。
结果第五位是“1”的卡片继续发言,可能第五位是“1”的卡片不止一张,于是在这些卡片回送卡号的过程中又发生了冲突,读写器仍然用上面的办法让冲突位是“1”的卡片继续发言,其他卡片禁止发言,最终经过多次的防冲突循环,当只剩下一张卡片的时候,就没有冲突了,最后胜出的卡片把自己完整的卡号回送给读写器,读写器发出卡选择命令,这张卡片就被选中了,而其他卡片只有等待下次卡呼叫时才能再次参与防冲突过程。
上述防冲突过程中,当冲突发生时,读写器总是选择冲突位为“1”的卡片胜出,当然也可以指定冲突位为“0”的卡片胜出。

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上述过程有点拟人化了,实际情况下读写器是怎么知道发生冲突了呢?在前面的数据编码中我们已经提到,卡片向读写器发送命令使用副载波调制的曼侧斯特(Manchester)码,副载波调制码元的右半部分表示数据“0”,副载波调制码元的左半部分表示数据“1”,当发生冲突时,由于同时有卡片回送“0”和“1”,导致整个码元都有副载波调制,读写器收到这样的码元,就知道发生冲突了。
这种方法可以保证任何情况下都能选出一张卡片,即使把全世界同类型的所有卡片都拿来防冲突,最多经过32个防冲突循环就能选出一张卡片。缺点是由于卡序列号全世界唯一,而卡号的长度是固定的,所以某一类型的卡片的生产数量也是一定的,比如常见的Mifare1卡,由于只有4个字节的卡序列号,所以其生产数量最多为2的32次方,即4294967296张。

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2.面向时隙的防冲突机制
ISO14443B中使用这种防冲突机制。这里的时隙(timeslot)其实就是个序号。这个序号的取值范围由读写器指定,可能的范围有1-1、1-2、1-4、1-8、1-16。当两张以上卡片同时进入射频场,读写器向射频场发出卡呼叫命令,命令中指定了时隙的范围,让卡片在这个指定的范围内随机选择一个数作为自己的临时识别号。然后读写器从1开始叫号,如果叫到某个号恰好只有一张卡片选择了这个号,则这张卡片被选中胜出。如果叫到的号没有卡片应答或者有多于一张卡片应答,则继续向下叫号。如果取值范围内的所有号都叫了一遍还没有选出一张卡片,则重新让卡片随机选择临时识别号,直到叫出一张卡片为止。
这种办法不要求卡片有一个全球唯一序列号,所以卡片的生产数量没有限制,但是理论上存在一种可能,就是永远也选不出一张卡片来。

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3.位和时隙相结合的防冲突机制
ISO15693中使用这种机制。一方面每张卡片有一个8字节的全球唯一序列号,另一方面读写器在防冲突的过程中也使用时隙叫号的方式,不过这里的号不是卡片随机选择的,而是卡片唯一序列号的一部分。
叫号的数值范围分为0-1和0-15两种。其大体过程是,当有多张卡片进入射频场,读写器发出清点请求命令,假如指定卡片的叫号范围是0-15,则卡片序列号最低4位为0000的卡片回送自己的7字节序列号。如果没有冲突,卡片的序列号就被登记在PCD中。然后读写器发送一个帧结束标志,表示让卡片序列号最低4位为0001的卡片作出应答;之后读写器每发送一个帧结束标志,表示序列号的最低4位加1,直到最低4位为1111的卡片被要求应答。如果此过程中某一个卡片回送序列号时没有发生冲突,读写器就可选择此张卡片;如果巡检过程中没有卡片反应,表示射频场中没有卡片;如果有卡片反应的时隙发生了冲突,比如最低4位是1010的卡片回送卡号时发生了冲突,则读写器在下一次防冲突循环中指定只有最低4位是1010的卡片参与防冲突,然后用卡片的5-8位作为时隙,重复前面的巡检。如果被叫卡片的5-8位时隙也相同,之后再用卡片的9-12位作为时隙,重复前面的巡检,依次类推。读写器可以从低位起指定任意位数的序列号,让卡号低位和指定的低位序列号相同的卡片参与防冲突循环,卡片用指定号前面的一位或4位作为时隙对读写器的叫号作出应答。由于卡片的序列号全球唯一,所以任何两张卡片总有某个连续的4位二进制数不一样,因而总能选出一张卡片。需要指出的是,当选定的时隙数为1时,这种防冲突机制等同于面向比特的防冲突机制。

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