非接觸式IC卡(射頻卡)詳細說明及與其他卡類比較

　　摘要
本文從與磁卡和接觸式IC卡的比較角度，重點介紹了非接觸式IC卡（又稱射頻卡）技術，是近年來世界上發(fā)展起來的一項新技術。它成功地將射頻識別技術、磁電技術、計算機技術和IC卡技術結(jié)合起來，解決了無源（卡中無電源）問題、由于機械接觸，低功耗和免接觸的問題克服了接觸式IC卡的存在，由于接觸而容易造成磨損和各種故障。此外，非接觸式IC卡的防監(jiān)控和解密性能也超過了一般IC卡。無論是非接觸式IC卡本身，還是非接觸式IC卡讀寫設備（無卡座、全密封），它們都是防水、防油、防污染、防腐、防扭曲和防靜電（包括靜電擊穿和靜電損壞卡中的數(shù)據(jù)），具有高安全性、高可靠性、高速度、高適用性等性能，是現(xiàn)代電子技術領域的一大突破。
IC(集成電路)卡于1974年在法國誕生，當時有一張叫羅蘭的卡片•莫雷諾(RolandMoreno)為了在便于攜帶和保存的存儲媒體上存儲一些個人信息，工程師提出了在塑料基板上嵌入集成電路芯片形成存儲卡的想法，并制作了世界上第一張IC卡。然而，由于當時集成電路技術水平有限，市場沒有形成迫切需求，這一想法沒有立即實施。后來，隨著集成電路技術的發(fā)展，芯片的集成、容量和安全性大大提高，特別是EEPROM技術的成熟，使IC卡的生產(chǎn)和應用成為現(xiàn)實。目前，以歐洲為中心的IC卡市場已發(fā)展成為全球市場。

　　IC卡的類型
IC卡由一個或多個集成電路芯片組成，并包裝成人攜帶的卡片。根據(jù)內(nèi)部包裝的芯片類型和功能，IC卡可分為存儲卡(Memorycard)和智能卡(smartcard)，存儲卡和智能卡的區(qū)別在于存儲卡芯片中不含微處理器(cpu)，只有存儲數(shù)據(jù)信息的功能。存儲卡分為非加密存儲卡(一般存儲卡)和加密存儲卡(以下簡稱邏輯加密卡)。加密卡擁有內(nèi)部建設相互認證的安全模塊，是銀行金融應用中安全與成本的完美結(jié)合。智能卡又稱CPU卡、電腦卡、智能卡、智能卡，不僅具有與存儲卡相同的數(shù)據(jù)存儲功能，還具有與微機相同的邏輯處理、邏輯判斷I/0控制，指令執(zhí)行功能。智能卡既智能又便于攜帶，為現(xiàn)代信息處理帶來了新的思維和手段。根據(jù)使用方法和信息交換方法，IC卡可分為接觸式IC卡和非接觸式IC卡(射頻卡)。接觸式IC卡通過物理接觸將卡插入卡座，并與外界交換信息。塑料卡外使用的集成電路芯片是一個帶有電路腿的接觸片，其中大部分是鍍金的。非接觸式IC卡通過電磁波與外界交換信息。所有帶有射頻收發(fā)和相關電路的芯片和環(huán)形天線都埋在塑料基板中。讀寫時，讀寫設備向射頻卡發(fā)送一組具有固定頻率的電磁波。與讀寫設備發(fā)射頻率相同的LC串聯(lián)諧振電路在電磁波的激勵下產(chǎn)生共振，使電容器具有電荷。在電容器的另一端，有一個單向?qū)ǖ碾娮颖?。將電容器中的電荷發(fā)送到另一個電容器中存儲。當累積電荷達到2V時，該電容器可以作為電源為其他電路提供工作電壓，從而發(fā)射卡內(nèi)數(shù)據(jù)或接收讀寫設備的數(shù)據(jù)。
IC卡主要有四類：1)存儲卡；2)加密存儲卡；3)CPU卡;4)射頻卡。其讀寫屬性、安全性、容量、成本和使用方便性如表1所示。

　　表1四類IC卡性能比較

除上述四種卡外，還有各種特殊卡，如付費卡等。目前，光卡已經(jīng)出現(xiàn)，其優(yōu)勢已經(jīng)引起了廣泛的關注。

　　二、接觸式IC卡
目前市場上使用最多的是接觸式IC卡，與磁卡相比:1)其先進的硅片生產(chǎn)工藝完全可以保證卡的抗磁性、抗靜電性和抗各種射線能力。而且由于硅片體積小，有環(huán)氧保護，有PCB板和基板保護。因此，抗機械和化學損傷的能力也很強；2）其容量遠大于磁卡，可以達到數(shù)千字節(jié)（目前已達到2M位），EEPROM可以分區(qū)，可以有不同的訪問級別，為不同的信息處理和一卡多用途提供了便利；3）其加密性遠低于磁卡，首先反映在芯片的結(jié)構(gòu)和讀取方法上，由于容量大，可以隨意選擇存儲器的讀寫區(qū)域，靈活性大。即使一般的非加密存儲卡采用特定的技術，也具有很強的保密性。對于加密存儲卡，存儲區(qū)域的訪問由邏輯電路控制。只有在檢查每個密碼正確后，才能進行讀寫操作。而且密碼檢查次數(shù)有規(guī)定，超過限制次數(shù)，卡會被鎖定；4)其相關設備的成本也高于磁卡。此外，還規(guī)定了密碼檢查次數(shù)。如果次數(shù)超過限制，卡將被鎖定；4）其相關設備的成本也高于磁卡。因此，市場上廣泛使用的磁卡有被IC卡取代的趨勢。雖然接觸式IC卡作為一種成熟的高科技產(chǎn)品，為人們的工作和生活現(xiàn)代化增添了光彩，但也存在一些可靠性和操作速度慢的問題，如磁卡。
1)IC卡芯片接觸與讀寫設備插座之間存在頻繁的機械接觸，容易造成兩者的磨損和接觸讀寫造成的各種故障。例如，由于粗糙、傾斜或插入不到位、插入非卡外物、灰塵、氧化、脫落或油污等原因?qū)е陆佑|不良；
2)由于集成電路芯片一側(cè)暴露在卡片表面，容易導致芯片脫落、靜電擊穿、彎曲、扭曲損壞等問題；
3)卡觸點產(chǎn)生的靜電可能會損壞卡中的數(shù)據(jù)；
4)存在因環(huán)境腐蝕和儲存使用不當導致卡觸點損壞導致IC卡失效的問題；
5)由于插拔卡速度慢，需要很長時間才能完成一次操作，嚴重影響了地鐵、公交、高速公路等需要快速響應的場合的應用。

　　三、非接觸式IC卡
1.概述
非接觸式IC卡，又稱射頻卡，是近年來世界上發(fā)展起來的一項新技術。它成功地將射頻識別技術與IC卡技術相結(jié)合，解決了無源（卡中無電源）和無接觸的問題，是電子設備領域的一大突破。
該系統(tǒng)由控制器、讀寫器和IC卡組成。按照13.56MHz的工作頻率，系統(tǒng)在讀寫器和IC卡之間雙向傳輸數(shù)據(jù)。讀寫器將發(fā)送的信號通過天線加載到頻率為13.56MHz的載波信號上，進入讀寫器工作區(qū)域的IC卡接收脈沖信號。一方面，卡芯片中的射頻接口模塊獲得電源電壓、復位信號和時鐘信號；同時，卡芯片中的相關電路調(diào)整、解碼和解密信號，然后判斷命令請求、密碼和權限，如果是讀取命令，控制邏輯電路將從存儲器中讀取相關信息，加密、編碼、調(diào)制后通過卡內(nèi)天線發(fā)送給讀寫器，讀寫器將接收到的信號解調(diào)、解碼、解密后發(fā)送到后臺計算機。為了修改信息的編寫命令，由控制邏輯引起的內(nèi)部電荷泵提高工作電壓，提供擦寫EEPROM所需的高壓，以重寫EEPROM中的內(nèi)容。為了修改信息的編寫命令，由控制邏輯引起的內(nèi)部電荷泵提高工作電壓，提供擦拭EEPROM所需的高壓，以重寫EEPROM中的內(nèi)容。如果判斷相應的密碼和權限不一致，則返回錯誤信息與接觸IC卡相比，非接觸（感應）IC卡具有以下優(yōu)點：
* 操作方便快捷。由于使用非接觸式無線通信，讀寫器可以在感應范圍內(nèi)操作卡，避免插拔卡，非常方便用戶使用；此外，非接觸卡在使用時既沒有正面也沒有負面，也沒有方向和角度限制?？ㄆ梢噪S意通過讀寫器表面，完成一次操作只需0.1秒，大大提高了每次使用的速度。
* 高抗干擾非接觸IC卡具有快速的抗沖突機制，可以有效防止卡之間的數(shù)據(jù)干擾。當多張卡同時進入讀寫范圍時，讀寫設備可以逐一處理。這提高了應用程序的并行性，實際上提高了系統(tǒng)的工作速度。
* 高可靠性非接觸IC卡與讀寫器之間沒有機械接觸，從根本上消除了接觸讀寫造成的各種故障；卡中的IC芯片和感應天線完全密封在標準PVC中，進一步提高了應用程序的可靠性和卡的使用壽命。
* 高安全性非接觸式卡的序列號是唯一的，制造商在產(chǎn)品出廠前固化在芯片中，不能更改；非接觸式卡與讀寫器采用雙向互認驗證機制，即讀寫器驗證IC卡的合法性，IC卡也驗證讀寫器的合法性；非接觸式IC卡在數(shù)據(jù)交換前與讀寫器進行三次相互認證；所有數(shù)據(jù)在通信過程中加密；此外，卡中的每個區(qū)域都有自己的操作密碼和訪問條件。
* 適用于各種應用非接觸式IC卡的存儲結(jié)構(gòu)特征，可用于不同場合或系統(tǒng)，如企業(yè)或機構(gòu)內(nèi)部員工“一卡通”，可用作考勤、食堂用餐、電話管理、停車場、門禁等；校園“一卡通”，可用作學生證、借書證、消費卡、門禁“銅匙”此時，用戶可以根據(jù)不同的應用程序設置不同的密碼和訪問條件。
* 適應各種要求的非接觸式IC卡系統(tǒng)可根據(jù)不同的環(huán)境和應用對象實現(xiàn)不同的功能距離。如果用于高速公路或一般道路和橋梁收費，可選擇0.6的功能距離m—20m系統(tǒng)，如用于電子錢包或公交收費，可選擇距離僅幾厘米的系統(tǒng)。系統(tǒng)配置相當靈活多樣。

　　2.LEGIC和MIFARE技術
這兩種技術是世界上兩種具有代表性的感應卡技術。LEGIC是瑞士KABA公司提供的感應式IC卡讀寫技術，MIFARE是PHILIP公司提供的感應式IC卡讀寫技術。這兩種技術均采用13.56MHZ的近距離非接觸式IC卡通信頻率標準，讀寫速度與讀寫距離相同；在通信安全方面，采用符合IS09798國際標準的三次互感驗證技術，對卡和讀寫設備的合法性進行驗證；DSA算法用于加密數(shù)據(jù)通信中的通信數(shù)據(jù)，以確?？ㄉ系臄?shù)據(jù)不被非法修改。但在安全性方面，LEGIC技術由開發(fā)公司向用戶承諾，MIFARE技術由用戶自行承擔。
* MIFARE采用密碼讀寫控制，即讀寫設備的監(jiān)控程序需要掌握相應的系統(tǒng)密碼，才能不同地操作IC卡中的數(shù)據(jù)(如讀寫、加值、扣值等)。).其優(yōu)缺點是顯而易見的。優(yōu)點是可以為不同的數(shù)據(jù)和操作設置不同的密碼，但安全性容易被破壞，因為密碼包含在軟件中，容易導致系統(tǒng)密碼泄露或破解。與MIFARE不同，LEGIC采用授權讀寫控制，即讀寫設備必須先獲得“設備授權卡”授權后，您可以閱讀寫本系統(tǒng)的IC卡，卡的初始化必須經(jīng)上級授權卡授權，只能在專用授權中使用在權力設備上進行。因此，只要系統(tǒng)的各級授權卡、管理卡和特殊授權設備不被非法盜用，就不會破解密碼。
* MIFARE讀寫模塊與監(jiān)控計算機采用符合單片機外部總線標準的并行標準，讀寫過程可由監(jiān)控程序逐步控制。LEGIC模塊與監(jiān)控計算機串行通信，讀寫過程由模塊自動完成。LEGIC比LEGIC更容易集成，而MIFARE可以提供更靈活的控制。在抗干擾性方面，平行總線接口的抗干擾性較差，干擾后不易驗證。串行接口的抗干擾性相對較好，干擾后的數(shù)據(jù)可以驗證。在此，特別值得指出的是，由于MIFARE采用外部總線接口，讀寫數(shù)據(jù)和系統(tǒng)密碼都是通過總線傳輸?shù)模@也埋下了系統(tǒng)安全的隱患。
* 在防撞功能方面，MIFARE允許多卡同時進入讀寫范圍，然后由讀寫設備逐一處理。如果用于公交收費，這個功能的設置似乎可以在客流量大的時候加快讀卡檢票的速度，但是容易造成讀卡漏讀，司機或者監(jiān)票員不容易監(jiān)管，容易引起糾紛。LEGIC采用防碰撞模式，只能同時讀寫一張卡。實踐證明，該模式不僅保證了卡讀寫的可靠性，而且不易造成混亂，這種單卡操作模式完全滿足了公交車運行的速度要求。
* 在制卡方面，LEGIC技術采用平面天線技術，制卡工藝簡單，易于定位，成品卡不怕彎曲，適應性強，價格低。MIFARE技術使用一束細銅線作為天線，成品卡過度彎曲，經(jīng)常折疊會折斷，使卡損壞，適應性差。生產(chǎn)過程復雜，難以定位，價格高。
此外，LEGIC讀寫模塊小于MIFARE的讀寫模塊，LEGIC模塊采用+5V單電源，MIFARE模塊采用+5V和+12V雙電源，因此LEGIC技術比MIFARE技術更有利于設備的小型化。

　　四、一些非接觸式IC卡的關鍵技術

　　非接觸式IC卡的工作特點反映了設計制造過程中存在的一些技術難點，主要體現(xiàn)在芯片制造和卡片包裝上。
1.射頻技術
非接觸式IC卡是當今世界先進射頻技術與IC卡技術相結(jié)合的產(chǎn)物，主要需要解決射頻卡的設計：
*無源設計需要讀寫器向射頻卡發(fā)送一組固定頻率的電磁波，通過卡內(nèi)電路產(chǎn)生芯片工作所需的直流電壓；
*卡內(nèi)需有專門設計的天線，并埋在卡內(nèi)；
*必須保證良好的抗干擾性能，并且必須配備“防沖突”電路。

　　2.低功耗技術
無論是有源還是無源設計的非接觸式IC卡，最基本的要求都需要降低功耗，以提高卡的使用壽命，擴大應用場合。可以說，降低功耗同樣重要，確保一定的距離。因此，卡芯片一般采用非?？量痰牡凸募夹g和相關技術，如電路設計“休眠模式”設計制造技術。

　　3.封裝技術
由于非接觸式IC卡需要埋設天線、芯片等特殊部件，需要特殊的包裝技術和專用設備，以確保芯片電路在高溫高壓過程中的尺寸、厚度、靈活性和安全性。

　　4.安全技術
除卡的通信安全技術外，還應從卡芯片的物理安全技術和卡制造的安全技術兩個方面與前者形成強大的安全系統(tǒng)。

　　5.非接觸式IC卡的類型
可以說，按卡內(nèi)集成電路種類繁多，可分為：
*存儲卡中的集成電路具有加密邏輯和電可擦除的可編程，只讀存儲器EEPROM。
*CPU卡、卡中的芯片電路包括MPU(中央處理器)、EEPROM、RAM、ROM等，片內(nèi)操作系統(tǒng)COS安裝在ROM中，部分卡內(nèi)芯片還集成了協(xié)處理器CAU，以提高安全性和工作速度。
*低頻卡、卡和讀寫器之間的通信頻段為低頻段，如125KHZ。
*高頻卡、卡、讀寫器之間的通信頻段為高頻段，如13.56MHZ、2.45GHZ等

　　根據(jù)工作距離的不同可分為：
*卡卡和讀寫器之間的近距離和有效距離是幾十厘米。
*卡卡和讀寫器之間的有效距離是幾米到幾十米。

　　根據(jù)卡內(nèi)芯片供電方式的不同，可分為：
*帶電池的有源卡和卡。
*無源卡和卡內(nèi)無電池，讀寫設備在工作時無線供電。

　　六、應用非接觸式IC卡
正是由于非接觸式IC卡的上述特點，它在某些領域具有無與倫比的優(yōu)勢。廣泛應用于電子錢包、鐵路、地鐵、公交、渡輪、高速公路、一般路橋、食堂食品銷售、門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、身份證等領域。特別是在地鐵、公交、路橋、渡輪等收費應用中，近期將占整張卡應用的50%以上。