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本文從與磁卡、接觸式IC卡比較的角度著力介紹了非接觸式IC卡(又稱射頻卡)技術(shù)，這是世界上最近幾年發(fā)展起來的一項(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，解決了無源(卡中無電源)、低功耗和免接觸這一難題，克服了接觸式IC卡由于存在機(jī)械接觸，容易造成磨損以及由于接觸而產(chǎn)生各種故障的問題。而且非接觸式IC卡表現(xiàn)出來的防監(jiān)聽、防解密性能也超出一般的IC卡，不論非接觸式IC卡本身，還是非接觸式IC卡讀寫設(shè)備(無卡座、全密封)，均防水、防油、防污、防腐蝕、防扭曲、防靜電(包括靜電擊穿、靜電破壞卡中的數(shù)據(jù))，具有高安全、高可靠、高快捷、高適用等性能，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年誕生于法國，當(dāng)時(shí)有位叫羅蘭•莫雷諾(RolandMoreno)的工程師為了將一些個(gè)人信息存放在一個(gè)便于攜帶、保存的存貯媒體上，提出了將一個(gè)集成電路芯片嵌裝于一塊塑料基片上構(gòu)成一張存貯卡的想法，并按此方法做了一張卡片，這就是世界上第一張IC卡。但是由于當(dāng)時(shí)集成電路技術(shù)水平有限，市場(chǎng)也沒有形成迫切的需要，這種想法并沒有立即付諸實(shí)施，后來隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，芯片的集成度、容量、安全性都得到了很大的提高，尤其是EEPROM技術(shù)的成熟，使得IC卡的生產(chǎn)、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)展成為世界性的市場(chǎng)。
IC卡是由一個(gè)或多個(gè)集成電路芯片組成，并封裝成人們攜帶的卡片。IC卡按其內(nèi)部封裝的芯片種類和功能可分為存貯卡(Memorycard)和智能卡(smartcard)，存貯卡和智能卡的區(qū)別就在于存貯卡芯片內(nèi)不含微處理器(cpu)，只具有存貯數(shù)據(jù)信息的功能。存貯卡又分為非加密存貯卡(一般存貯卡)和加密存貯卡(簡稱邏輯加密卡)。加密卡有內(nèi)建互相認(rèn)證安全模塊，是銀行金融應(yīng)用中在安全和成本上得到完美結(jié)合的卡。智能卡又名CPU卡、電腦卡、智慧卡、聰明卡，它不僅具有象存貯卡一樣的數(shù)據(jù)存貯功能，也具有象微電腦一樣的邏輯處理、邏輯判斷、I/0控制、指令執(zhí)行功能。智能卡既具有智能性又具有便于攜帶的特點(diǎn)，這就為現(xiàn)代信息處理帶來了一種全新的思維和手段。IC卡按使用方法和信息交換方式又可分為接觸式IC卡和非接觸式IC卡(射頻卡)。接觸式IC卡是通過物理接觸方式，將卡插入卡座后，與外界交換信息，所用集成電路芯片露在塑料卡外面的一面是一塊含有電路腿的接觸片，大部分都鍍金。非接觸式IC卡是通過電磁波與外界交換信息，帶有射頻收發(fā)及相關(guān)電路的芯片與環(huán)形天線全部埋在塑料基片中，在進(jìn)行讀寫時(shí)，讀寫設(shè)備向射頻卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)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(lì)下產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，在這個(gè)電容的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖�，將電容�?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)貯存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2V時(shí)，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，從而完成將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫設(shè)備的數(shù)據(jù)。
根據(jù)卡中所鑲嵌的集成電路的不同，IC卡主要有四大類:1)存貯器卡;2)加密存貯卡;3)CPU卡;4)射頻卡。它們的讀寫屬性、安全性、容量、成本和使用的方便性等性能如表1所示。
除上述四類卡之外，還有各種專用卡，如予付費(fèi)卡等。目前，又出現(xiàn)了光卡，其優(yōu)勢(shì)已引起廣泛的重視。
目前市場(chǎng)上使用最多的是接觸式IC卡，它與磁卡比較:1)其先進(jìn)的硅片制作工藝完全可以保證卡的抗磁性、抗靜電及抗各種射線的能力，而且由于硅片的體積很小，里面有環(huán)氧液的保護(hù)，外面有PCB板及基片的保護(hù)。因此，抗機(jī)械、抗化學(xué)破壞的能力也很強(qiáng);2)其容量遠(yuǎn)比磁卡大，可以作到幾千字節(jié)(當(dāng)前已達(dá)到2M位)，而且EEPROM可以分區(qū)，并且可以有不同的訪問級(jí)別，這就為不同的信息處理及一卡多用提供了方便;3)其加密性為磁卡遠(yuǎn)不及，首先體現(xiàn)在芯片的結(jié)構(gòu)和讀取方式上，由于容量大而且存貯器的讀取和寫入?yún)^(qū)域可以任意選擇，因此，靈活性大，即使一般的非加密存貯器卡，采用特定的技術(shù)，也具備較強(qiáng)的保密性，對(duì)于加密存貯器卡，存貯區(qū)的訪問受邏輯電路的控制，只有各密碼核對(duì)無誤后，才能進(jìn)行讀寫操作。而且密碼核對(duì)次數(shù)有規(guī)定，超過限制的次數(shù)，卡將被鎖死;4)其相關(guān)設(shè)備的成本，也是磁卡的高。因此，目前市場(chǎng)上廣泛使用的磁卡有被IC卡替代的趨勢(shì)。盡管接觸式IC卡作為一種成熟的高技術(shù)產(chǎn)品，已給人們工作、生活的現(xiàn)代化程度添加了光彩，但也存在某些同磁卡一樣的可靠性和操作速度慢的問題。
1)使用時(shí)存在IC卡芯片觸點(diǎn)與讀寫設(shè)備插座之間頻繁的機(jī)械接觸、容易造成二者的磨損與由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障。例如，由于粗暴、傾斜或不到位插卡，非卡外物插入，以及灰塵、氧化、脫落物或油污導(dǎo)致接觸不良等原因造成的故障;
2)由于集成電路芯片有一面在卡片表面裸露，容易造成芯片脫落、靜電擊穿、彎曲、扭曲損壞等問題;
5)由于插拔卡的速度較慢，完成一次操作需要的時(shí)間比較長，這就嚴(yán)重影響應(yīng)用在需要快速響應(yīng)的場(chǎng)合，例如地鐵、公交及高速公路的收費(fèi)上。
非接觸式IC卡又稱射頻率卡，是世界上最近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來，解決了無源(卡中無電源)和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。
系統(tǒng)由控制器、讀寫器、IC卡組成。系統(tǒng)按13.56MHz的工作頻率以半雙工方式在讀寫器與IC卡之間雙向傳遞數(shù)據(jù)。讀寫器將要發(fā)送的信號(hào)，編碼后加載在頻率為13.56MHz的載波信號(hào)上經(jīng)天線向外發(fā)送,進(jìn)入讀寫器工作區(qū)域的IC卡接收此脈沖信號(hào),一方面卡內(nèi)芯片中的射頻接口模塊由此信號(hào)獲得電源電壓、復(fù)位信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào);同時(shí)卡內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對(duì)此信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、解碼、解密，然后對(duì)命令請(qǐng)求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷，若為讀命令，控制邏輯電路則從存儲(chǔ)器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后經(jīng)卡內(nèi)天線發(fā)送給讀寫器，讀寫器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密后送至后臺(tái)計(jì)算機(jī)處理。若為修改信息的寫命令，有關(guān)控制邏輯引起的內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，提供擦寫EEPROM時(shí)所需的高壓，以便對(duì)EEPROM中的內(nèi)容進(jìn)行改寫。若經(jīng)判斷其對(duì)應(yīng)的密碼和權(quán)限不符，則返回出錯(cuò)信息與接觸式IC卡相比較，非接觸(感應(yīng))式IC卡具有以下優(yōu)點(diǎn):
* 操作方便、快捷由于采用非接觸無線通訊，讀寫器對(duì)在感應(yīng)范圍內(nèi)的卡就可以進(jìn)行操作，免去了插拔卡，所以非常方便用戶使用;而且非接觸卡在使用時(shí)既沒有正反面之分也沒有方向性與角度限制，卡片可以隨意方向掠過讀寫器表面，完成一次操作僅需0.1秒，這就大大提高了每次使用的速度。
* 抗干擾性高非接觸式IC卡中有快速防沖突機(jī)制，能有效防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，在多卡同時(shí)進(jìn)入讀寫范圍內(nèi)時(shí)，讀寫設(shè)備可一一對(duì)卡進(jìn)行處理。這提高了應(yīng)用的并行性，也無形中提高了系統(tǒng)工作的速度。
* 可靠性高非接觸式IC卡與讀寫器之間沒有機(jī)械接觸，這就從根本上消除了由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障;而且卡中的IC芯片和感應(yīng)天線完全密封在標(biāo)準(zhǔn)的PVC中，這也進(jìn)一步提高了應(yīng)用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)品出廠前已將此序列號(hào)固化在芯片中，不可以更改;非接觸式卡與讀寫器之間采用雙向互認(rèn)驗(yàn)證機(jī)制，即讀寫器要驗(yàn)證IC卡的合法性，IC卡也要驗(yàn)證讀寫器的合法性;非接觸式IC卡在數(shù)據(jù)交換前要與讀寫器進(jìn)行三次相互認(rèn)證;而且在通訊過程中所有的數(shù)據(jù)都加密;此外，卡中各個(gè)區(qū)域都有自己的操作密碼和訪問條件。
* 適合于多種應(yīng)用非接觸式IC卡的存貯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其可以做到一卡多用，能應(yīng)用于不同的場(chǎng)合或系統(tǒng)，例如，企業(yè)或機(jī)關(guān)內(nèi)部員工“一卡通”，可用作考勤、食堂就餐、電話管理、停車場(chǎng)、門禁等;校園“一卡通”，可用作學(xué)生證、借書證、消費(fèi)卡、門禁“銅匙”等，此時(shí)用戶可根據(jù)不同的應(yīng)用設(shè)置不同的密碼和訪問條件。
* 適應(yīng)于多種要求非接觸式IC卡系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境與應(yīng)用對(duì)象的不同而做到作用距離不同，如用于高速公路或一般路、橋收費(fèi)，可選用作用距離為0.6m—20m的系統(tǒng)，如用于電子錢包或公交收費(fèi)，可選用作用距離僅幾厘米的系統(tǒng)。系統(tǒng)配置相當(dāng)靈活多樣。
這兩種技術(shù)都是目前國際上具有代表性的兩大感應(yīng)卡技術(shù)。LEGIC是由瑞士KABA公司提供的感應(yīng)式IC卡讀寫技術(shù)，MIFARE是由PHILIP公司提供的感應(yīng)式IC卡讀寫技術(shù)。這兩種技術(shù)都采用13.56MHZ的近距離非接觸式IC卡通訊頻率標(biāo)準(zhǔn)，其讀寫速度和讀寫距離是相同的;在通訊安全上均采用符合IS09798國際標(biāo)準(zhǔn)的三次互感校驗(yàn)技術(shù)，以對(duì)卡和讀寫設(shè)備的合法性進(jìn)行相互校驗(yàn);在數(shù)據(jù)通訊上均采用DSA算法對(duì)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，以確�？ㄉ系臄�(shù)據(jù)不被非法的修改。但在安全性保障上，LEGIC技術(shù)是由開發(fā)公司向用戶承諾負(fù)責(zé)的，而MIFARE技術(shù)是由用戶自行承擔(dān)的。
* MIFARE采用密碼讀寫控制方式，即讀寫設(shè)備的監(jiān)控程序要掌握相應(yīng)的系統(tǒng)密碼才能對(duì)IC卡內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同操作(如讀、寫、加值、扣值等)，其優(yōu)缺點(diǎn)是顯然的，優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)不同數(shù)據(jù)和不同的操作設(shè)置不同的密碼，但安全性極易被破壞，因?yàn)槊艽a含在軟件里，容易造成系統(tǒng)密碼泄露或遭到破解。LEGIC不同于MIFARE，它采用授權(quán)讀寫控制方式，即讀寫設(shè)備必須先獲得“設(shè)備授權(quán)卡”的授權(quán)后才能讀寫本系統(tǒng)的IC卡，而卡的初始化又必須經(jīng)過上級(jí)授權(quán)卡的授權(quán)，并且只可以在專用的授權(quán)設(shè)備上進(jìn)行。因此該授權(quán)方式不存在密碼的被破解，只要保證系統(tǒng)各級(jí)授權(quán)卡、管理卡和專用授權(quán)設(shè)備不被非法盜用，即可保證系統(tǒng)的絕對(duì)安全性。
* MIFARE讀寫模塊與監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間采用符合單片機(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(jì)算機(jī)之間采用串行通訊方式，讀寫進(jìn)程由模塊自動(dòng)完成。兩種接口方式相比、LEGIC更便于集成，而MIFARE則可提供更為靈活的控制方式。在抗干擾性能方面，并行總線接口方式的抗干擾性較差，而且受干擾后不易校驗(yàn)，相對(duì)來說串行接口方式抗干擾性較好，而且受干擾后的數(shù)據(jù)可校驗(yàn)出來。在此，還特別值得指出的是，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遞的，這也埋下了系統(tǒng)安全性的隱患。
* 在防沖撞功能上，MIFARE允許多卡同時(shí)進(jìn)入讀寫范圍，再由讀寫設(shè)備逐一處理，如用在公交收費(fèi)上，這一功能的設(shè)置似乎在客流量大時(shí)可加快讀卡檢票的速度，但容易造成漏讀卡的情況，駕駛員或監(jiān)票員也不易監(jiān)管，極易造成紛爭。LEGIC采用同一時(shí)間內(nèi)只能讀寫一張卡的防沖撞模式，經(jīng)實(shí)踐證明該模式非但保證了卡讀寫的可靠性，不易造成混亂，而且這種單卡操作方式完全適應(yīng)公交營運(yùn)的速度要求。
* 在卡的制作上，LEGIC技術(shù)采用平面天線技術(shù)，制卡工藝簡單，容易國產(chǎn)化，成品卡不怕彎曲，適應(yīng)性強(qiáng)，價(jià)格低。而MIFARE技術(shù)用一束束的細(xì)銅絲做天線，成品卡過份彎曲和經(jīng)常搖折會(huì)折斷，使卡損壞，故適應(yīng)性差。而且制作工藝復(fù)雜，難以國產(chǎn)化，價(jià)格高。
此外，在讀寫模塊的外型尺寸上LEGIC讀寫模塊小于MIFARE的讀寫模塊，并且LEGIC模塊采用+5V單電源供電，MIFARE模塊采用+5V和+12V雙電源供電，因此LEGIC技術(shù)比MIFARE技術(shù)更利于設(shè)備的小型化。
非接觸式IC卡的工作特點(diǎn)，反映在設(shè)計(jì)與制造過程中存在的一些技術(shù)難點(diǎn)，主要集中表現(xiàn)在芯片的制造和卡片的封裝方面。
*無源設(shè)計(jì)，需由讀寫器向射頻卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，通過卡內(nèi)電路產(chǎn)生芯片工作所需直流電壓;
無論是按有源方式還是按無源方式設(shè)計(jì)的非接觸式IC卡，一個(gè)最基本的要求都需要降低功耗，以提高卡片的壽命和擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)合，可以說降低功耗，同保證一定的距離是同等的重要。因此卡內(nèi)芯片一般都采用非常苛刻的低功耗工藝和有關(guān)技術(shù)，如電路設(shè)計(jì)中采用“休眠模式”技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。
由于非接觸式IC卡中需要埋裝天線、芯片和其他特殊部件，為確�？ㄆ拇笮�、厚度、柔韌性和高溫高壓工藝中芯片電路的安全性，需要特殊的封裝技術(shù)和專門設(shè)備。
除了卡的通訊安全技術(shù)外，還要以卡用芯片的物理安全技術(shù)和卡片制造的安全技術(shù)這二個(gè)方面再和前者構(gòu)成其強(qiáng)大的安全體系。
*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裝在ROM中，有的卡內(nèi)芯片還集成有協(xié)處理器CAU，以提高安全性和工作速度。
正是由于非接觸式IC卡的上述特點(diǎn)，使它在某些領(lǐng)域具有接觸式IC卡無法比擬的優(yōu)越性，被廣泛應(yīng)用于電子錢包、鐵路、地鐵、公交、輪渡、高速公路、一般路橋收費(fèi)、食堂售飯收費(fèi)、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、輪渡等收費(fèi)應(yīng)用中，近期將占到整個(gè)卡應(yīng)用的50%以上。
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