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具体介绍非接触式IC卡技术本文从与磁卡、接触式IC卡比较的角度着力介绍了非接触式IC卡(又称射频卡)技术这是世界上最近几年进展起来的一项新技术,它胜利地将射频识别技术、磁电技术、计算机技术和ic卡技术结合起来,解决了无源(卡中无电源)、低功耗和免接触这一难题,克服了接触式ic卡由于存在机械接触,简洁造成磨损以及由于接触而产生各种故障的问题而且非接触式IC卡表现出来的防监听、防解密性能也超出一般的IC卡,不论非接触式IC卡本身,还是非接触式IC卡读写设施(无卡座、全密封),均防水、防油、防污、防腐蚀、防扭曲、防静电(包括静电击穿、静电破坏卡中的数据),具有高平安、高牢靠、高快捷、高适用等性能,是现代电子技术领域的一大突破IC(集成电路)卡于1974年诞生于法国,当时有位叫罗兰•莫雷诺(RolandMoreno)的工程师为了将一些个人信息存放在一个便于携带、保存的存贮媒体上,提出了将一个集成电路芯片嵌装于一块塑料基片上构成一张存贮卡的想法,并按此方法做了一张卡片,这就是世界上第一张IC卡但是由于当时集成电路技术水平有限,市场也没有形成迫切的需要这种想法并没有马上付诸实施,后来随着集成电路技术的进展,芯片的集成度、容量、平安性都得到了很大的提高,尤其是EEPROM技术的成熟,使得IC卡的生产、应用成为现实目前,以欧洲为中心的IC卡市场已进展成为世界性的市场
一、IC卡的类型IC卡是由一个或多个集成电路芯片组成,并封装*们携带的卡片IC卡按其内部封装的芯片种类和功能可分为存贮卡(Memorycard)和智能卡(smartcard)存贮卡和智能卡的区分就在于存贮卡芯片内不含微处理器(cpu)只具有存贮数据信息的功能存贮卡又分为非加密存贮卡(一般存贮卡)和加密存贮卡(简称规律加密卡)加密卡有内建相互认证平安模
五、非接触式IC卡的种类可以说种类繁多,如按卡内集成电路的不同可分为存贮器卡卡中集成电路具有加密规律和电可擦除的可编程只读存贮器EEPROMCPU卡卡中的芯片电路包括MPU(中心处理器)、EEPROM、RAM、ROM等,片内操作系统COS装在ROM中,有的卡内芯片还集成有协处理器CAU以提高平安性和工作速度低频卡卡与读写器间通信使用的频段为低频段,如125KHZ高频卡卡与读写器间通信使用的频段为高频段,如
13.56MHZ、
2.45GHZ等如按工作距离的不同可分为近距离卡卡与读写器之间的有效作用距离为几十厘米远距离卡卡与读写器之间的有效作用距离为几米到几十米如按卡内芯片供电方式的不同可分为有源卡卡内带电池无源卡卡内无电池,工作时由读写设施通过无线方式供电六.非接触式IC卡的应用正是由于非接触式IC卡的上述特点,使它在某些领域具有接触式IC卡无法比拟的优越性,被广泛应用于电子钱包、铁路、地铁、公交、轮渡、高速大路、一般路桥收费、食堂售饭收费、门禁系统、考勤系统、身份证等领域特殊是在地铁、公交、路桥、轮渡等收费应用中,近期将占到整个卡应用的50%以上块,是银行金融应用中在平安和成本上得到完善结合的卡智能卡又名CPU卡、电脑卡、才智卡、聪慧卡,它不仅具有象存贮卡一样的数据存贮功能,也具有象微电脑一样的规律处理、规律推断、I/O掌握、指令执行功能智能卡既具有智能性又具有便于携带的特点,这就为现代信息处理带来了一种全新的思维和手段IC卡按使用方法和信息交换方式又可分为接触式IC卡和非接触式IC卡(射频卡)接触式IC卡是通过物理接触方式,将卡插入卡座后,与外界交换信息,所用集成电路芯片露在塑料卡外面的一面是一块含有电路腿的接触片,大部分都镀金非接触式IC卡是通过电磁波与外界交换信息,带有射频收发及相关电路的芯片与环形天线全部埋在塑料基片中,在进行读写时,读写设施向射频卡发一组固定频率的电磁波,卡片内与读写设施放射频率相同的LC串联谐振电路,在电磁波的激励下产生共振,从而使电容内有了电荷,在这个电容的另一端,接有一个单向导通的电子泵将电容内的电荷送到另一个电容内贮存,当所积累的电荷达到2V时,此电容可做为电源为其它电路供应工作电压,从而完成将卡内数据放射出去或接收读写设施的数据依据卡中所镶嵌的集成电路的不同,IC卡主要有四大类1)存贮器卡;2)加密存贮卡;3)CPU卡;4)射频卡它们的读写属性、平安性、容量、成本和使用的便利性等性能如表1所示表1四大类IC卡性能比较*********|*****************_^.开u**********************************特性****]*****存储卡**********力口宓存储卡*********CPU卡*****身寸频卡读写属性*****全部可读/写********可掌握读/写**********读/写********读/丐牛**********j^****************立子***************~^^攵孑********~^^女子容量**********]{64K***********]K-2K************2K_]6K******2K_16K开发成本********低***************较低***************高*********最高****************彳氏****************^^彳氏******卡成本**********.氐***************较高****************高********最高除上述四类卡之外,还有各种专用卡,如予付费卡等目前,又消失了光卡,其优势已引起广泛的重视
二、接触式IC卡目前市场上使用最多的是接触式IC卡,它与磁卡比较:1)其先进的硅片制作工艺完全可以保证卡的抗磁性、抗静电及抗各种射线的力量,而且由于硅片的体积很小,里面有环氧液的爱护,外面有PCB板及基片的爰护因此,抗机械、抗化学破坏的力量也很强;2)其容量远比磁卡大,可以作到几千字节(当前已达到2M位),而且EEPROM可以分区,并且可以有不同的访问级别,这就为不同的信息处理及一卡多用供应了便利;3)其加密性为磁卡远不及,首先体现在芯片的结构和读取方式上,由于容量大而且存贮器的读取和写入区域可以任意选择,因此,敏捷性大,即使一般的非加密存贮器卡,采纳特定的技术,也具备较强的保密性,对于加密存贮器卡,存贮区的访问受规律电路的掌握,只有各密码核对无误后,才能进行读写操作而且密码核对次数有规定,超过限制的次数,卡将被锁死;4)其相关设施的成本,也是磁卡的高因此,目前市场上广泛使用的磁卡有被IC卡替代的趋势尽管接触式IC卡作为一种成熟的高技术产品,已给人们工作、生活的现代化程度添加了光荣,但也存在某些同磁卡一样的牢靠性和操作速度慢的问题I)使用时存在IC卡芯片触点与读写设施插座之间频繁的机械接触、简洁造成二者的磨损与由于接触读写而产生的各种故障例如,由于粗暴、倾斜或不到位插卡,非卡外物插入,以及灰尘、氧化、脱落物或油污导致接触不良等缘由造成的故障;2)由于集成电路芯片有一面在卡片表面暴露,简洁造成芯片脱落、静电击穿、弯曲、扭曲损坏等问题;3)卡片触点上产生的静电可能会破坏卡中的数据;4)存在因环境腐蚀及保管使用不当,而造成卡触点损坏使IC卡失效的问题;5)由于插拔卡的速度较慢,完成一次操作需要的时间比较长,这就严峻影响应用在需要快速响应的场合,例如地铁、公交及高速大路的收费上
三、非接触式IC卡L概述非接触式IC卡又称射频率卡,是世界上最近几年进展起来的一项新技术,它胜利地将射频识别技术和IC卡技术结合起来,解决了无源(卡中无电源)和免接触这一难题,是电子器件领域的一大突破系统由掌握器、读写器、IC卡组成系统按
13.56MHz的工作频率以半双工方式在读写器与IC卡之间双向传递数据读写器将要发送的信号,编码后加载在频率为
13.56MHz的载波信号上经天线向外发送,进入读写器工作区域的IC卡接收此脉冲信号一方面卡内芯片中的射频接口模块由此信号获得电源电压、复位信号、时钟信号;同时卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密,然后对命令恳求、密码、权限等进行推断,若为读命令,掌握规律电路则从存储器中读取有关信息,经加密、编码、调制后经卡内天线发送给读写器,读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至后台计算机处理若为修改信息的写命令,有关掌握规律引起的内部电荷泵提升工作电压,供应擦写EEPROM时所需的高压,以便对EEPROM中的内容进行改写若经推断其对应的密码和权限不符,则返回出错信息与接触式IC卡相比较,非接触(感应)式IC卡具有以下优点*操作便利、快捷由于采纳非接触无线通讯,读写器对在感应范围内的卡就可以进行操作,免去了插拔卡,所以特别便利用户使用;而且非接触卡在使用时既没有正反面之分也没有方向性与角度限制,卡片可以随便方向拂过读写器表面,完成一次操作仅需
0.1秒,这就大大提高了每次使用的速度*抗干扰性高非接触式IC卡中有快速防冲突机制,能有效防止卡片之间消失数据干性,也无形中提高了系统工作的速度*牢靠性高非接触式IC卡与读写器之间没有机械接触,这就从根本上消退了由于接触读写而产生的各种故障;而且卡中的IC芯片和感应天线完全密封在标准的PVC中,这也进一步提高了应用的牢靠性和卡的使用寿命*高平安性非接触式卡的序列号是唯一的,制造商在产品出厂前已将此序列号固化在芯片中,不行以更改;非接触式卡与读写器之间采纳双向互认验证机制,即读写器要验证IC卡的合法性,IC卡也要验证读写器的合法性;非接触式IC卡在数据交换前要与读写器进行三次相互认证;而且在通讯过程中全部的数据都加密;此外,卡中各个区域都有自己的操作密码和访问条件*适合于多种应用非接触式IC卡的存贮结构特点使其可以做到一卡多用,能应用于不同的场合或系统,例如,企业或机关内部员工一卡通,可用作考勤、食堂就餐、电话管理、停车场、门禁等;校内一卡通,可用作同学证、借书证、消费卡、门禁‘铜匙等,此时用户可依据不同的应用设置不同的密码和访问条件*适应于多种要求非接触式IC卡系统可依据环境与应用对象的不同而做到作用距离不同,如用于高速大路或一般路、桥收费可选用作用距离为
0.6m—20m的系统,如用于电子钱包或公交收费,可选用作用距离仅几厘米的系统系统配置相当敏捷多样
2.LEGIC技术与MIFARE技术这两种技术都是目前国际上具有代表性的两大感应卡技术LEGIC是由瑞士KABA公司供应的感应式IC卡读写技术,MIFARE是由PHILIP公司供应的感应式IC卡读写技术这两种技术都采纳
13.56MHZ的近距离非接触式IC卡通讯频率标准,其读写速度和读写距离是相同的;在通讯平安上均采纳符合IS09798国际标准的三次互感校验技术,以对卡和读写设施的合法性进行相互校验;在数据通讯上均采纳DSA算法对通讯数据进行加密,以确保卡上的数据不被非法的修改但在平安性保障上,LEGIC技术是由开发公司向用户承诺负责的,而MIFARE技术是由用户自行担当的*MIFARE采纳密码读写掌握方式,即读写设施的监控程序要把握相应的系统密码才能对IC卡内的数据进行不同操作(如读、写、加值、扣值等),其优缺点是明显的,优点是可对不同数据和不同的操作设置不同的密码,但平安性极易被破坏,由于密码含在软件里,简洁造成系统密码泄露或遭到破解LEGIC不同于MIFARE它采纳授权读写掌握方式即读写设施必需先获得设施授权卡”的授权后才能读写本系统的IC卡,而卡的初始化又必需经过上级授权卡的授权,并且只可以在专用的授权设施上进行因此该授权方式不存在密码的被破解,只要保证系统各级授权卡、管理卡和专用授权设施不被非法盗用,即可保证系统的肯定平安性MIFARE读写模块与监控计算机之间采纳符合单片机外部总线标准的并行标准,读写过程可由监控程序逐步掌握LEGIC模块与监控计算机之间采纳串行通讯方式,读写进程由模块自动完成两种接口方式相比、LEGIC更便于集成,而MIFARE则可供应更为敏捷的掌握方式在抗干扰性能方面,并行总线接口方式的抗干扰性较差,而且受干扰后不易校验,相对来说串行接口方式抗干扰性较好,而且受干扰后的数据可校验出来在此,还特殊值得指出的是,由于MIFARE采纳外部总线接口,读写数据和系统密码都是通过总线传递的,这也埋下了系统平安性的隐患在防冲撞功能上,MIFARE允很多卡同时进入读写范围,再由读写设施逐一处理,如用在公交收费上,这一功能的设置好像在客流量大时可加快读卡检票的速度,但简洁造成漏读卡的状况,驾驶员或监票员也不易监管,极易造成纷争LEGIC采纳同一时间内只能读写一张卡的防冲撞模式,经实践证明该模式非但保证了卡读写的牢靠性,不易造成混乱,而且这种单卡操作方式完全适应公交营运的速度要求在卡的制作上,LEGIC技术采纳平面天线技术制卡工艺简洁,简洁国产化,成品卡不怕弯曲,适应性强,价格低而MIFARE技术用一束束的细铜丝做天线,成品卡过份弯曲和常常摇折会折断,使卡损坏,故适应性差而且制作工艺简单,难以国产化,价格局J此外在读写模块的外型尺寸上LEGIC读写模块小于MIFARE的读写模块,并且LEGIC模块采纳+5V单电源供电,MIFARE模块采纳+5V和+12V双电源供电,因此LEGIC技术比MIFARE技术更利于设施的小型化
3.LEGIC平安性综述综上所述,LEGIC非接触式IC卡系统为用户供应了一套完整的平安体系,全部存取掌握包括非接触式IC卡的读写权限的核准,都由读写模块中的固化程序完成,不受应用软件的掌握,应用程序中就无须保存系统的读写密码,因此即使破解应用程序也不会破坏系统的平安性此外,由于模块的授权和卡的初始化均由授权卡来掌握,因此即使获知系统的授权密码,而没有相应的授权卡,也无法读写该系统的卡或制造伪卡因此,本公司拆巨资(近百万美元)从瑞士KABA公司购买了LEGIC非接触式IC卡唯一在中国的制造和销售权
四、非接触式IC卡的一些关键技术非接触式IC卡的工作特点,反映在设计与制造过程中存在的一些技术难点,主要集中表现在芯片的制造和卡片的封装方面目前,深圳市清华茂物信息技术公司已可大规模、高品质地进行LEGIC卡片制作L射频技术非接触式IC卡是当今世界先进的射频技术和IC卡技术相结合的产物,对射频卡的设计主要需解决:无源设计,需由读写器向射频卡发一组固定频率的电磁波通过卡内电路产生芯片工作所需直流电压;卡内需有经特殊设计的天线,并埋装在卡内;必需保证有良好的抗干扰性能,而且还要设有“防冲突电路.低功耗技术无论是按有源方式还是按无源方式设计的非接触式IC卡,一个最基本的要求都需要降低功耗,以提高卡片的寿命和扩大应用场合,可以说降低功耗,同保证肯定的距离是同等的重要因此卡内芯片一般都采纳特别苛刻的低功耗工艺和有关技术,如电路设计中采纳休眠模式”技术进行设计制造.封装技术由于非接触式IC卡中需要埋装天线、芯片和其他特殊部件,为确保卡片的大小、厚度、柔韧性和高温高压工艺中芯片电路的平安性,需要特殊的封装技术和特地设施.平安技术除了卡的通讯平安技术外,还要以卡用芯片的物理平安技术和卡片制造的平安技术这二个方面再和前者构成其强大的平安体系。