非接觸式IC卡(射頻卡)詳細(xì)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(shù)，是近年來世界上發(fā)展起來的一項新技術(shù)。它成功地將射頻識別技術(shù)、磁電技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來，解決了無源（卡中無電源）問題、由于機(jī)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(shè)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(shù)領(lǐng)域的一大突破。
IC(集成電路)卡于1974年在法國誕生，當(dāng)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(dāng)時集成電路技術(shù)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(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。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(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(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(guān)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(shè)備向射頻卡發(fā)送一組具有固定頻率的電磁波。與讀寫設(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(dāng)累積電荷達(dá)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(shè)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(guān)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(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(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(shù)，也具有很強(qiáng)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(jìn)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(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(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(dāng)導(dǎo)致卡觸點損壞導(dǎo)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(yán)重影響了地鐵、公交、高速公路等需要快速響應(yīng)的場合的應(yīng)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(shù)。它成功地將射頻識別技術(shù)與IC卡技術(shù)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(shè)備領(lǐng)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(jìn)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(fù)位信號和時鐘信號；同時，卡芯片中的相關(guān)電路調(diào)整、解碼和解密信號，然后判斷命令請求、密碼和權(quán)限，如果是讀取命令，控制邏輯電路將從存儲器中讀取相關(guān)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(jī)。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(yīng)的密碼和權(quán)限不一致，則返回錯誤信息與接觸IC卡相比，非接觸（感應(yīng)）IC卡具有以下優(yōu)點：
* 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(yīng)范圍內(nèi)操作卡，避免插拔卡，非常方便用戶使用；此外，非接觸卡在使用時既沒有正面也沒有負(fù)面，也沒有方向和角度限制。卡片可以隨意通過讀寫器表面，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(jī)制，可以有效防止卡之間的數(shù)據(jù)干擾。當(dāng)多張卡同時進(jìn)入讀寫范圍時，讀寫設(shè)備可以逐一處理。這提高了應(yīng)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(jī)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(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(rèn)驗證機(jī)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(jìn)行三次相互認(rèn)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(yīng)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(jī)構(gòu)內(nèi)部員工“一卡通”，可用作考勤、食堂用餐、電話管理、停車場、門禁等；校園“一卡通”，可用作學(xué)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(yīng)用程序設(shè)置不同的密碼和訪問條件。
* 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(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卡讀寫技術(shù)，MIFARE是PHILIP公司提供的感應(yīng)式IC卡讀寫技術(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)，讀寫速度與讀寫距離相同；在通信安全方面，采用符合IS09798國際標(biāo)準(zhǔn)的三次互感驗證技術(shù)，對卡和讀寫設(shè)備的合法性進(jìn)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(shù)由開發(fā)公司向用戶承諾，MIFARE技術(shù)由用戶自行承擔(dān)。
* MIFARE采用密碼讀寫控制，即讀寫設(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、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(shè)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(dǎo)致系統(tǒng)密碼泄露或破解。與MIFARE不同，LEGIC采用授權(quán)讀寫控制，即讀寫設(shè)備必須先獲得“設(shè)備授權(quán)卡”授權(quán)后，您可以閱讀寫本系統(tǒng)的IC卡，卡的初始化必須經(jīng)上級授權(quán)卡授權(quán)，只能在專用授權(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，就不會破解密碼。
* MIFARE讀寫模塊與監(jiān)控計算機(jī)采用符合單片機(jī)外部總線標(biāo)準(zhǔn)的并行標(biāo)準(zhǔn)，讀寫過程可由監(jiān)控程序逐步控制。LEGIC模塊與監(jiān)控計算機(jī)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)?，這也埋下了系統(tǒng)安全的隱患。
* 在防撞功能方面，MIFARE允許多卡同時進(jìn)入讀寫范圍，然后由讀寫設(shè)備逐一處理。如果用于公交收費，這個功能的設(shè)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(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(shù)采用平面天線技術(shù)，制卡工藝簡單，易于定位，成品卡不怕彎曲，適應(yīng)性強(qiáng)，價格低。MIFARE技術(shù)使用一束細(xì)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(yīng)性差。生產(chǎn)過程復(fù)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(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卡的工作特點反映了設(shè)計制造過程中存在的一些技術(shù)難點，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：
*無源設(shè)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(shè)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(shù)
無論是有源還是無源設(shè)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(kuò)大應(yīng)用場合?？梢哉f，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(shù)和相關(guān)技術(shù)，如電路設(shè)計“休眠模式”設(shè)計制造技術(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)和專用設(shè)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(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(shè)備在工作時無線供電。

　　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，它在某些領(lǐng)域具有無與倫比的優(yōu)勢。廣泛應(yīng)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(lǐng)域。特別是在地鐵、公交、路橋、渡輪等收費應(yīng)用中，近期將占整張卡應(yīng)用的50%以上。