非接觸式IC卡(射頻卡)詳細(xì)說(shuō)明及與其他卡類(lèi)比較

發(fā)布：卡立方小編瀏覽人數(shù)：1.04萬(wàn)次0更新時(shí)間：2023-03-31 11:42:55

　　摘要
本文從與磁卡和接觸式IC卡的比較角度，重點(diǎn)介紹了非接觸式IC卡（又稱(chēng)射頻卡）技術(shù)，是近年來(lái)世界上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)、磁電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決了無(wú)源（卡中無(wú)電源）問(wèn)題、由于機(jī)械接觸，低功耗和免接觸的問(wèn)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(guò)了一般IC卡。無(wú)論是非接觸式IC卡本身，還是非接觸式IC卡讀寫(xiě)設(shè)備（無(wú)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(shù)領(lǐng)域的一大突破。
IC(集成電路)卡于1974年在法國(guó)誕生，當(dāng)時(shí)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(chǔ)媒體上存儲(chǔ)一些個(gè)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(chǔ)卡的想法，并制作了世界上第一張IC卡。然而，由于當(dāng)時(shí)集成電路技術(shù)水平有限，市場(chǎng)沒(méi)有形成迫切需求，這一想法沒(méi)有立即實(shí)施。后來(lái)，隨著集成電路技術(shù)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(shù)的成熟，使IC卡的生產(chǎn)和應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。目前，以歐洲為中心的IC卡市場(chǎng)已發(fā)展成為全球市場(chǎng)。

　　IC卡的類(lèi)型
IC卡由一個(gè)或多個(gè)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(lèi)型和功能，IC卡可分為存儲(chǔ)卡(Memorycard)和智能卡(smartcard)，存儲(chǔ)卡和智能卡的區(qū)別在于存儲(chǔ)卡芯片中不含微處理器(cpu)，只有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息的功能。存儲(chǔ)卡分為非加密存儲(chǔ)卡(一般存儲(chǔ)卡)和加密存儲(chǔ)卡(以下簡(jiǎn)稱(chēng)邏輯加密卡)。加密卡擁有內(nèi)部建設(shè)相互認(rèn)證的安全模塊，是銀行金融應(yīng)用中安全與成本的完美結(jié)合。智能卡又稱(chēng)CPU卡、電腦卡、智能卡、智能卡，不僅具有與存儲(chǔ)卡相同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，還具有與微機(jī)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(lái)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(guò)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(gè)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(guò)電磁波與外界交換信息。所有帶有射頻收發(fā)和相關(guān)電路的芯片和環(huán)形天線都埋在塑料基板中。讀寫(xiě)時(shí)，讀寫(xiě)設(shè)備向射頻卡發(fā)送一組具有固定頻率的電磁波。與讀寫(xiě)設(shè)備發(fā)射頻率相同的LC串聯(lián)諧振電路在電磁波的激勵(lì)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(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖谩㈦娙萜髦械碾姾砂l(fā)送到另一個(gè)電容器中存儲(chǔ)。當(dāng)累積電荷達(dá)到2V時(shí)，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(xiě)設(shè)備的數(shù)據(jù)。
IC卡主要有四類(lèi)：1)存儲(chǔ)卡；2)加密存儲(chǔ)卡；3)CPU卡;4)射頻卡。其讀寫(xiě)屬性、安全性、容量、成本和使用方便性如表1所示。

　　表1四類(lèi)IC卡性能比較

特性存儲(chǔ)卡加密存儲(chǔ)卡 CPU卡射頻卡讀寫(xiě)屬性所有可讀/寫(xiě)作可控讀/寫(xiě) 讀/寫(xiě) 讀/寫(xiě) 安全性差好最好最好容量 1K-64K 1K-2K 2K-16K 2K-16K 開(kāi)發(fā)成本低較低高最高設(shè)備成本低低較低最高卡成本低較高高最高使用方便性一般一般一般最好

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

　　二、接觸式IC卡
目前市場(chǎng)上使用最多的是接觸式IC卡，與磁卡相比:1)其先進(jìn)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(hù)，有PCB板和基板保護(hù)。因此，抗機(jī)械和化學(xué)損傷的能力也很強(qiáng)；2）其容量遠(yuǎn)大于磁卡，可以達(dá)到數(shù)千字節(jié)（目前已達(dá)到2M位），EEPROM可以分區(qū)，可以有不同的訪問(wèn)級(jí)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(yuǎn)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(chǔ)器的讀寫(xiě)區(qū)域，靈活性大。即使一般的非加密存儲(chǔ)卡采用特定的技術(shù)，也具有很強(qiáng)的保密性。對(duì)于加密存儲(chǔ)卡，存儲(chǔ)區(qū)域的訪問(wèn)由邏輯電路控制。只有在檢查每個(gè)密碼正確后，才能進(jìn)行讀寫(xiě)操作。而且密碼檢查次數(shù)有規(guī)定，超過(guò)限制次數(shù)，卡會(huì)被鎖定；4)其相關(guān)設(shè)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(guò)限制，卡將被鎖定；4）其相關(guān)設(shè)備的成本也高于磁卡。因此，市場(chǎng)上廣泛使用的磁卡有被IC卡取代的趨勢(shì)。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(wèn)題，如磁卡。
1)IC卡芯片接觸與讀寫(xiě)設(shè)備插座之間存在頻繁的機(jī)械接觸，容易造成兩者的磨損和接觸讀寫(xiě)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(dǎo)致芯片脫落、靜電擊穿、彎曲、扭曲損壞等問(wèn)題；
3)卡觸點(diǎn)產(chǎn)生的靜電可能會(huì)損壞卡中的數(shù)據(jù)；
4)存在因環(huán)境腐蝕和儲(chǔ)存使用不當(dāng)導(dǎo)致卡觸點(diǎn)損壞導(dǎo)致IC卡失效的問(wèn)題；
5)由于插拔卡速度慢，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成一次操作，嚴(yán)重影響了地鐵、公交、高速公路等需要快速響應(yīng)的場(chǎng)合的應(yīng)用。

　　三、非接觸式IC卡
1.概述
非接觸式IC卡，又稱(chēng)射頻卡，是近年來(lái)世界上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)與IC卡技術(shù)相結(jié)合，解決了無(wú)源（卡中無(wú)電源）和無(wú)接觸的問(wèn)題，是電子設(shè)備領(lǐng)域的一大突破。
該系統(tǒng)由控制器、讀寫(xiě)器和IC卡組成。按照13.56MHz的工作頻率，系統(tǒng)在讀寫(xiě)器和IC卡之間雙向傳輸數(shù)據(jù)。讀寫(xiě)器將發(fā)送的信號(hào)通過(guò)天線加載到頻率為13.56MHz的載波信號(hào)上，進(jìn)入讀寫(xiě)器工作區(qū)域的IC卡接收脈沖信號(hào)。一方面，卡芯片中的射頻接口模塊獲得電源電壓、復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)；同時(shí)，卡芯片中的相關(guān)電路調(diào)整、解碼和解密信號(hào)，然后判斷命令請(qǐng)求、密碼和權(quán)限，如果是讀取命令，控制邏輯電路將從存儲(chǔ)器中讀取相關(guān)信息，加密、編碼、調(diào)制后通過(guò)卡內(nèi)天線發(fā)送給讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器將接收到的信號(hào)解調(diào)、解碼、解密后發(fā)送到后臺(tái)計(jì)算機(jī)。為了修改信息的編寫(xiě)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(xiě)EEPROM所需的高壓，以重寫(xiě)EEPROM中的內(nèi)容。為了修改信息的編寫(xiě)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(xiě)EEPROM中的內(nèi)容。如果判斷相應(yīng)的密碼和權(quán)限不一致，則返回錯(cuò)誤信息與接觸IC卡相比，非接觸（感應(yīng)）IC卡具有以下優(yōu)點(diǎn)：
* 操作方便快捷。由于使用非接觸式無(wú)線通信，讀寫(xiě)器可以在感應(yīng)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(shí)既沒(méi)有正面也沒(méi)有負(fù)面，也沒(méi)有方向和角度限制。卡片可以隨意通過(guò)讀寫(xiě)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(jī)制，可以有效防止卡之間的數(shù)據(jù)干擾。當(dāng)多張卡同時(shí)進(jìn)入讀寫(xiě)范圍時(shí)，讀寫(xiě)設(shè)備可以逐一處理。這提高了應(yīng)用程序的并行性，實(shí)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(xiě)器之間沒(méi)有機(jī)械接觸，從根本上消除了接觸讀寫(xiě)造成的各種故障；卡中的IC芯片和感應(yīng)天線完全密封在標(biāo)準(zhǔn)PVC中，進(jìn)一步提高了應(yīng)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(hào)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(xiě)器采用雙向互認(rèn)驗(yàn)證機(jī)制，即讀寫(xiě)器驗(yàn)證IC卡的合法性，IC卡也驗(yàn)證讀寫(xiě)器的合法性；非接觸式IC卡在數(shù)據(jù)交換前與讀寫(xiě)器進(jìn)行三次相互認(rèn)證；所有數(shù)據(jù)在通信過(guò)程中加密；此外，卡中的每個(gè)區(qū)域都有自己的操作密碼和訪問(wèn)條件。
* 適用于各種應(yīng)用非接觸式IC卡的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)特征，可用于不同場(chǎng)合或系統(tǒng)，如企業(yè)或機(jī)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(chē)場(chǎng)、門(mén)禁等；校園“一卡通”，可用作學(xué)生證、借書(shū)證、消費(fèi)卡、門(mén)禁“銅匙”此時(shí)，用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用程序設(shè)置不同的密碼和訪問(wèn)條件。
* 適應(yīng)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(yīng)用對(duì)象實(shí)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(fèi)，可選擇0.6的功能距離m—20m系統(tǒng)，如用于電子錢(qián)包或公交收費(fèi)，可選擇距離僅幾厘米的系統(tǒng)。系統(tǒng)配置相當(dāng)靈活多樣。

　　2.LEGIC和MIFARE技術(shù)
這兩種技術(shù)是世界上兩種具有代表性的感應(yīng)卡技術(shù)。LEGIC是瑞士KABA公司提供的感應(yīng)式IC卡讀寫(xiě)技術(shù)，MIFARE是PHILIP公司提供的感應(yīng)式IC卡讀寫(xiě)技術(shù)。這兩種技術(shù)均采用13.56MHZ的近距離非接觸式IC卡通信頻率標(biāo)準(zhǔn)，讀寫(xiě)速度與讀寫(xiě)距離相同；在通信安全方面，采用符合IS09798國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的三次互感驗(yàn)證技術(shù)，對(duì)卡和讀寫(xiě)設(shè)備的合法性進(jìn)行驗(yàn)證；DSA算法用于加密數(shù)據(jù)通信中的通信數(shù)據(jù)，以確保卡上的數(shù)據(jù)不被非法修改。但在安全性方面，LEGIC技術(shù)由開(kāi)發(fā)公司向用戶承諾，MIFARE技術(shù)由用戶自行承擔(dān)。
* MIFARE采用密碼讀寫(xiě)控制，即讀寫(xiě)設(shè)備的監(jiān)控程序需要掌握相應(yīng)的系統(tǒng)密碼，才能不同地操作IC卡中的數(shù)據(jù)(如讀寫(xiě)、加值、扣值等)。).其優(yōu)缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。優(yōu)點(diǎn)是可以為不同的數(shù)據(jù)和操作設(shè)置不同的密碼，但安全性容易被破壞，因?yàn)槊艽a包含在軟件中，容易導(dǎo)致系統(tǒng)密碼泄露或破解。與MIFARE不同，LEGIC采用授權(quán)讀寫(xiě)控制，即讀寫(xiě)設(shè)備必須先獲得“設(shè)備授權(quán)卡”授權(quán)后，您可以閱讀寫(xiě)本系統(tǒng)的IC卡，卡的初始化必須經(jīng)上級(jí)授權(quán)卡授權(quán)，只能在專(zhuān)用授權(quán)中使用在權(quán)力設(shè)備上進(jìn)行。因此，只要系統(tǒng)的各級(jí)授權(quán)卡、管理卡和特殊授權(quán)設(shè)備不被非法盜用，就不會(huì)破解密碼。
* MIFARE讀寫(xiě)模塊與監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用符合單片機(jī)外部總線標(biāo)準(zhǔn)的并行標(biāo)準(zhǔn)，讀寫(xiě)過(guò)程可由監(jiān)控程序逐步控制。LEGIC模塊與監(jiān)控計(jì)算機(jī)串行通信，讀寫(xiě)過(guò)程由模塊自動(dòng)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(yàn)證。串行接口的抗干擾性相對(duì)較好，干擾后的數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證。在此，特別值得指出的是，由于MIFARE采用外部總線接口，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)密碼都是通過(guò)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(shí)進(jìn)入讀寫(xiě)范圍，然后由讀寫(xiě)設(shè)備逐一處理。如果用于公交收費(fèi)，這個(gè)功能的設(shè)置似乎可以在客流量大的時(shí)候加快讀卡檢票的速度，但是容易造成讀卡漏讀，司機(jī)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(shí)讀寫(xiě)一張卡。實(shí)踐證明，該模式不僅保證了卡讀寫(xiě)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(chē)運(yùn)行的速度要求。
* 在制卡方面，LEGIC技術(shù)采用平面天線技術(shù)，制卡工藝簡(jiǎn)單，易于定位，成品卡不怕彎曲，適應(yīng)性強(qiáng)，價(jià)格低。MIFARE技術(shù)使用一束細(xì)銅線作為天線，成品卡過(guò)度彎曲，經(jīng)常折疊會(huì)折斷，使卡損壞，適應(yīng)性差。生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，難以定位，價(jià)格高。
此外，LEGIC讀寫(xiě)模塊小于MIFARE的讀寫(xiě)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(shù)比MIFARE技術(shù)更有利于設(shè)備的小型化。

　　四、一些非接觸式IC卡的關(guān)鍵技術(shù)

　　非接觸式IC卡的工作特點(diǎn)反映了設(shè)計(jì)制造過(guò)程中存在的一些技術(shù)難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在芯片制造和卡片包裝上。
1.射頻技術(shù)
非接觸式IC卡是當(dāng)今世界先進(jìn)射頻技術(shù)與IC卡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，主要需要解決射頻卡的設(shè)計(jì)：
*無(wú)源設(shè)計(jì)需要讀寫(xiě)器向射頻卡發(fā)送一組固定頻率的電磁波，通過(guò)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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)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(shù)
無(wú)論是有源還是無(wú)源設(shè)計(jì)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(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)合。可以說(shuō)，降低功耗同樣重要，確保一定的距離。因此，卡芯片一般采用非常苛刻的低功耗技術(shù)和相關(guān)技術(shù)，如電路設(shè)計(jì)“休眠模式”設(shè)計(jì)制造技術(shù)。

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

　　4.安全技術(shù)
除卡的通信安全技術(shù)外，還應(yīng)從卡芯片的物理安全技術(shù)和卡制造的安全技術(shù)兩個(gè)方面與前者形成強(qiáng)大的安全系統(tǒng)。

　　5.非接觸式IC卡的類(lèi)型
可以說(shuō)，按卡內(nèi)集成電路種類(lèi)繁多，可分為：
*存儲(chǔ)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(chǔ)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(xiě)器之間的通信頻段為低頻段，如125KHZ。
*高頻卡、卡、讀寫(xiě)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(xiě)器之間的近距離和有效距離是幾十厘米。
*卡卡和讀寫(xiě)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(wú)源卡和卡內(nèi)無(wú)電池，讀寫(xiě)設(shè)備在工作時(shí)無(wú)線供電。

　　六、應(yīng)用非接觸式IC卡
正是由于非接觸式IC卡的上述特點(diǎn)，它在某些領(lǐng)域具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。廣泛應(yīng)用于電子錢(qián)包、鐵路、地鐵、公交、渡輪、高速公路、一般路橋、食堂食品銷(xiāo)售、門(mén)禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、身份證等領(lǐng)域。特別是在地鐵、公交、路橋、渡輪等收費(fèi)應(yīng)用中，近期將占整張卡應(yīng)用的50%以上。

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