ISO/IEC 14443A (MIFARE) 通訊協定中，讀卡機（Reader）與卡片（Card）之間的信號傳輸特性

ISO/IEC 14443A (MIFARE) 通訊協定中，讀卡機（Reader）與卡片（Card）之間的信號傳輸特性 

ISO14443A 的通訊機制如下：

1. 讀卡機到卡片 (Reader to Card)

• 調變：100% ASK (Amplitude Shift Keying)。這意味著讀卡機透過完全切換載波的開啟與關閉來傳遞數位訊號「0」與「1」。

• 編碼：修正型米勒編碼 (Modified Miller Coded)。這種編碼方式能確保在傳輸數據的同時，卡片仍能獲得足夠的能量供應。

• 速率：支援 106 kbit/s 至 848 kbit/s。

2. 卡片到讀卡機 (Card to Reader)

• 調變：副載波負載調變 (Subcarrier Load Modulation)。由於卡片本身不發射無線電，它透過切換自身線圈的負載，造成讀卡機磁場的微小擾動，讓讀卡機感應到訊號。

• 編碼：曼徹斯特編碼 (Manchester Coded) 或 BPSK。曼徹斯特編碼具有自同步特性，非常適合位移式感應環境。

Reader to Card (Modified Miller)：

• 根據您上傳的圖片，此方向使用 100% ASK。

• Modified Miller 編碼的視覺特徵是載波在大部分時間都是「開啟」的，只有在特定位元定義位置會出現極短的「關閉」（Gap），這確保了被動式卡片能持續獲得能量而不斷電。

Card to Reader (Manchester)：

• 此方向使用 Subcarrier Load Modulation。

• Manchester 編碼（曼徹斯特編碼）的特徵是位元中間必有跳變。在我的模擬中：

  • 從「低電位跳到高電位」代表邏輯 1。

  • 從「高電位跳到低電位」代表邏輯 0。

• 這種編碼的好處是時脈與數據合一，讀卡機能非常精準地同步數據傳輸速率（106 kbit/s 等）。

按照 ISO/IEC 14443A 標準的編碼規則進行繪圖。

核心編碼邏輯修正：

1. Modified Miller (Reader to Card):

   • Bit 1: 在位元週期的中間（Mid-bit）產生一個電位下降（Gap）。

   • Bit 0: 保持高電位（除非連續出現 0，則在位元開始處產生 Gap，此處已包含此邏輯）。

2. Manchester (Card to Reader):

   • Bit 1: 位元中間由 低跳變至高 (Rising edge)。

   • Bit 0: 位元中間由 高跳變至低 (Falling edge)。

import tkinter as tk

from tkinter import ttk

class RFIDProtocolApp:

    def __init__(self, root):

        self.root = root

        self.root.title("ISO/IEC 14443A RFID 通訊協定顯示器")

        self.root.geometry("800x500")

        self.root.configure(bg="#f5f5f5")

        # 標題

        title_label = tk.Label(

            self.root, 

            text="ISO/IEC 14443A / MIFARE 通訊架構", 

            font=("Arial", 18, "bold"),

            bg="#f5f5f5",

            fg="#005b96"

        )

        title_label.pack(pady=20)

        # 畫布區域 (繪製通訊箭頭)

        self.canvas = tk.Canvas(self.root, width=700, height=150, bg="white", highlightthickness=1)

        self.canvas.pack(pady=10)

        self.draw_diagram()

        # 詳細參數表格

        table_frame = tk.Frame(self.root, bg="#f5f5f5")

        table_frame.pack(pady=20, padx=50, fill="x")

        columns = ("direction", "modulation", "coding", "speed")

        self.tree = ttk.Treeview(table_frame, columns=columns, show="headings", height=2)

        

        self.tree.heading("direction", text="傳輸方向")

        self.tree.heading("modulation", text="調變方式 (Modulation)")

        self.tree.heading("coding", text="編碼方式 (Coding)")

        self.tree.heading("speed", text="傳輸速率")

        self.tree.column("direction", width=150, anchor="center")

        self.tree.column("modulation", width=200, anchor="center")

        self.tree.column("coding", width=150, anchor="center")

        self.tree.column("speed", width=150, anchor="center")

        # 插入您提供的資料

        self.tree.insert("", "end", values=(

            "Reader → Card", "100% ASK", "Miller Coded", "106 - 848 kbit/s"

        ))

        self.tree.insert("", "end", values=(

            "Card → Reader", "Subcarrier Load Modulation", "Manchester / BPSK", "106 - 848 kbit/s"

        ))

        self.tree.pack(fill="x")

        # 備註說明

        note_text = (

            "技術重點：\n"

            "1. 讀卡機 (RC522) 使用 13.56MHz 載波傳送能量與數據。\n"

            "2. 卡片端無電池，透過『負載調變』(Load Modulation) 改變線圈阻抗來回傳訊號。"

        )

        note_label = tk.Label(self.root, text=note_text, font=("Microsoft JhengHei", 10), justify="left", bg="#f5f5f5")

        note_label.pack(pady=10)

    def draw_diagram(self):

        # 繪製 Reader 方塊

        self.canvas.create_rectangle(50, 30, 180, 120, fill="#d3d3d3", outline="black", width=2)

        self.canvas.create_text(115, 75, text="RC522\nReader", font=("Arial", 12, "bold"))

        # 繪製 Card 方塊

        self.canvas.create_rectangle(520, 30, 650, 120, fill="white", outline="black", width=2)

        self.canvas.create_text(585, 75, text="ISO14443A\nCard", font=("Arial", 12))

        # 繪製向右箭頭 (Reader to Card)

        self.canvas.create_line(200, 50, 500, 50, arrow=tk.LAST, width=2, fill="blue")

        self.canvas.create_text(350, 40, text="1. 100% ASK / Miller", fill="blue", font=("Arial", 9))

        # 繪製向左箭頭 (Card to Reader)

        self.canvas.create_line(500, 100, 200, 100, arrow=tk.LAST, width=2, fill="red")

        self.canvas.create_text(350, 115, text="2. Load Modulation / Manchester", fill="red", font=("Arial", 9))

if __name__ == "__main__":

    root = tk.Tk()

    app = RFIDProtocolApp(root)

    root.mainloop()

波形圖觀察重點：

1. 100% ASK (Reader to Card):

   • 波形特徵：你會看到藍色的 13.56MHz 高頻載波在某些位置「突然消失」。

   • 對應關係：消失的位置就是 Miller 編碼中的 Gap（例如位元 1 的中間）。這就是為什麼叫 100% ASK，因為振幅直接降到 0。

2. Subcarrier Load Modulation (Card to Reader):

   • 波形特徵：你會看到紅色的波形呈現「包絡線 (Envelope)」的變化。基礎是 13.56MHz，但在 Manchester 為 High 的時段，波形會變得更密集或振幅疊加（模擬 848kHz 的副載波）。

   • 物理意義：卡片並不發射能量，它只是「開關」負載。讀卡機偵測到的是這兩組頻率（$13.56 \text{ MHz} \pm 848 \text{ kHz}$）產生的邊帶訊號。

總結

• 100% ASK: 讀卡機很霸道，直接把能量關掉來傳數字。

• Subcarrier Load Modulation: 卡片很優雅，透過在載波上「跳舞」（加入副載波）來回傳訊息。

數位與物理的絕對同步：

• Miller 模式：上方圖會顯示在位元中間或起始處的「窄脈衝」。下方圖的載波則會在這些「窄脈衝」出現時完全消失（ASK 100%）。

• Manchester 模式：上方圖呈現標準的跳變波形（1 為低到高，0 為高到低）。下方圖在數位波形為 High 的區域，會疊加出更密集的副載波震盪。

Miller 編碼修正：

• 修正了數位流的呈現方式，不再是方塊，而是精確的 Modified Miller 電位。這對於解釋「為什麼卡片在傳輸數據時不會斷電」非常有幫助，因為電位下降的時間極短。

import tkinter as tk

from tkinter import messagebox

import matplotlib.pyplot as plt

from matplotlib.backends.backend_tkagg import FigureCanvasTkAgg

import numpy as np

import platform

import matplotlib

# 1. 環境字體設定

def set_font():

    system = platform.system()

    if system == "Windows":

        matplotlib.rc('font', family='Microsoft JhengHei')

    elif system == "Darwin":

        matplotlib.rc('font', family='Arial Unicode MS')

    matplotlib.rcParams['axes.unicode_minus'] = False

set_font()

class RFIDSigSimApp:

    def __init__(self, root):

        self.root = root

        self.root.title("RFID 數位編碼與物理波形同步模擬器")

        self.root.geometry("1100x850")

        # 控制面板

        ctrl_frame = tk.Frame(self.root, pady=15)

        ctrl_frame.pack()

        tk.Label(ctrl_frame, text="二進位序列 (Binary):", font=("Arial", 12)).pack(side="left")

        self.entry_data = tk.Entry(ctrl_frame, font=("Arial", 12), width=12)

        self.entry_data.insert(0, "101101")

        self.entry_data.pack(side="left", padx=10)

        btn_frame = tk.Frame(self.root)

        btn_frame.pack(pady=5)

        tk.Button(btn_frame, text="Reader to Card (Miller)", command=self.plot_ask, 

                  bg="#005b96", fg="white", font=("Arial", 10, "bold"), width=30).pack(side="left", padx=10)

        

        tk.Button(btn_frame, text="Card to Reader (Manchester)", command=self.plot_load_mod, 

                  bg="#c94c4c", fg="white", font=("Arial", 10, "bold"), width=30).pack(side="left", padx=10)

        # 繪圖區域

        self.fig, (self.ax1, self.ax2) = plt.subplots(2, 1, figsize=(10, 7), 

                                                      gridspec_kw={'height_ratios': [1, 2]})

        self.canvas = FigureCanvasTkAgg(self.fig, master=self.root)

        self.canvas.get_tk_widget().pack(fill="both", expand=True, padx=20, pady=10)

        self.plot_ask()

    def get_bits(self):

        data = self.entry_data.get().strip()

        if not data or not all(c in '01' for c in data):

            messagebox.showerror("錯誤", "請輸入 0 或 1 的組合")

            return None

        return [int(b) for b in data]

    def plot_ask(self):

        """繪製 Reader to Card: 上方 Miller 編碼 / 下方 100% ASK"""

        bits = self.get_bits()

        if not bits: return

        self.ax1.clear()

        self.ax2.clear()

        t = np.linspace(0, len(bits), 4000)

        miller_logic = np.ones_like(t)

        # 生成 Miller 邏輯 (用於上方數位圖與下方調變)

        for i, bit in enumerate(bits):

            if bit == 1: # 1: 位元中間下陷

                miller_logic[(t >= i + 0.45) & (t <= i + 0.55)] = 0

            elif i > 0 and bits[i-1] == 0: # 連續 0: 位元開始處下陷

                miller_logic[(t >= i) & (t <= i + 0.1)] = 0

            elif i == 0 and bit == 0: # 第一個是 0 的起始處理

                pass 

        # 上方圖：Miller 數位波形

        self.ax1.plot(t, miller_logic, color='blue', linewidth=2)

        self.ax1.set_title(f"上方：Modified Miller 數位編碼 (Reader 傳出)")

        self.ax1.set_ylim(-0.2, 1.2)

        # 下方圖：100% ASK 載波

        carrier = np.sin(2 * np.pi * 15 * t)

        ask_signal = carrier * miller_logic

        self.ax2.plot(t, ask_signal, color='#005b96', linewidth=0.7)

        self.ax2.set_title("下方：100% ASK 物理載波 (13.56MHz)")

        self.finalize_plot(bits)

    def plot_load_mod(self):

        """繪製 Card to Reader: 上方 Manchester 編碼 / 下方 Subcarrier 調變"""

        bits = self.get_bits()

        if not bits: return

        self.ax1.clear()

        self.ax2.clear()

        t = np.linspace(0, len(bits), 5000)

        manchester_logic = np.zeros_like(t)

        # 生成 Manchester 邏輯

        for i, bit in enumerate(bits):

            if bit == 1: # 1: 低跳高

                manchester_logic[(t >= i + 0.5) & (t <= i + 1.0)] = 1

            else: # 0: 高跳低

                manchester_logic[(t >= i) & (t <= i + 0.5)] = 1

        # 上方圖：Manchester 數位波形

        self.ax1.step(t, manchester_logic, where='post', color='red', linewidth=2)

        self.ax1.set_title(f"上方：Manchester 數位編碼 (Card 回傳)")

        self.ax1.set_ylim(-0.2, 1.2)

        # 下方圖：Load Modulation (載波 + 副載波)

        carrier = 0.5 * np.sin(2 * np.pi * 10 * t)

        subcarrier = 0.3 * np.sin(2 * np.pi * 80 * t) * manchester_logic

        load_mod_signal = carrier + subcarrier

        

        self.ax2.plot(t, load_mod_signal, color='#c94c4c', linewidth=0.7)

        self.ax2.set_title("下方：Subcarrier Load Modulation 物理波形")

        self.finalize_plot(bits)

    def finalize_plot(self, bits):

        for ax in [self.ax1, self.ax2]:

            ax.set_xlim(0, len(bits))

            for i in range(len(bits) + 1):

                ax.axvline(x=i, color='gray', linestyle=':', alpha=0.5)

            # 在上方圖標註原始 bit

            if ax == self.ax1:

                for i, b in enumerate(bits):

                    ax.text(i+0.5, 1.05, f"bit {b}", ha='center', fontsize=10, fontweight='bold')

        

        self.ax1.set_yticks([0, 1])

        self.ax1.set_yticklabels(['L', 'H'])

        self.fig.tight_layout()

        self.canvas.draw()

if __name__ == "__main__":

    root = tk.Tk()

    app = RFIDSigSimApp(root)

    root.mainloop()