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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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