智能化風暴-一卡通技術IC卡概述及分類

文章出處：http://56733.cn 作者：   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月17日

IC卡概述及分類 
1、IC卡定義 
IC卡是集成電路卡（Integrated Circuit Card）的簡稱，是鑲嵌集成電路芯片的塑料卡片，其外形和尺寸都遵循國際標準（ISO）。芯片一般采用不易揮發(fā)性的存儲器（ROM、EEPROM）、保護邏輯電路、甚至帶微處理器CPU。帶有CPU的IC卡才是真正的智能卡。 
2、IC卡的分類 
按照嵌入集成電路芯片的形式和芯片類型的不同IC卡大致可分為： 
非加密存儲器卡：卡內的集成電路芯片主要是EEPROM，具有數(shù)據(jù)存儲功能，不具有數(shù)據(jù)處理功能和硬件加密功能。 
邏輯加密存儲器卡：在非加密存儲器卡的基礎上增加了加密邏輯電路，加密邏輯電路通過校驗密碼方式來保護卡內的數(shù)據(jù)對于外部訪問是否開放，但只是低層次的安全保護，無法防范惡意性的攻擊。 
CPU卡：也稱智能卡，卡內的集成電路中帶有微處理器CPU、存儲單元（包括隨機存儲器RAM、程序存儲器ROM（FLASH）、用戶數(shù)據(jù)存儲器EEPROM）以及芯片操作系統(tǒng)COS。裝有COS的CPU卡相當于一臺微型計算機，不僅具有數(shù)據(jù)存儲功能，同時具有命令處理和數(shù)據(jù)安全保護等功能。 
第二節(jié)  IC卡國際標準 
1. 非接觸ic卡簡介 
目前世界范圍內采用的是都是荷蘭飛利浦公司mifare-i ic卡，是非接觸式ic卡，又稱射頻卡，是世界最近幾年ic卡行業(yè)發(fā)展的主要趨勢，該技術成功地將射頻識別技術和ic卡技術結合起來，解決了無源（卡中無電源）和免接觸這一難題，是電子器件領域的一項重要突破。 
2. 非接觸ic卡性能 
1) 可靠性高：非接觸式ic卡與讀寫器之間不存在機械性接觸，避免了由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障，例如，由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰塵或油污導致接觸不良等原因造成的故障。此外，非接觸式卡表面無裸露的芯片，無須擔心芯片脫落，靜電擊穿、彎曲損壞等問題，既便于卡片的印刷，又提高了卡片的使用可靠性。 
2) 操作方便、快捷：由于非接觸通訊，讀寫器在一定距離范圍內就可以對卡片操作，所以不必插拔卡，非常方便用戶使用。非接觸式卡使用時沒有方向性，卡片可以任意方向掃過讀寫器表面，即可完成操作，這大大提高了每次使用的速度。 
3) 防沖突：非接觸式卡中有快速防沖突機制，能防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，因此，讀寫器可以同時處理多張非接觸式ic卡，這提高了應用的并行性，提高了系統(tǒng)工作速度。 
4) 多用性：非接觸式卡存儲結構特點使它一卡多用，能應用于不同的系統(tǒng)，用戶可根據(jù)不同的應用設定不同的密碼和訪問條件。 
5) 加密性能好：非接觸式卡與讀寫器之間采用雙向驗證機制，即讀寫器驗證ic卡的合法性，同時ic卡也檢驗讀寫器的合法性。非接觸式卡在處理前要與讀寫器進行三次相互認證，而且在通訊過程中所有的數(shù)據(jù)都加密，此外，卡中多扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件。 
3. 非接觸ic讀寫器結構 
圖10-2 ic卡讀卡器結構 
4. 讀寫器的主要技術指標： 
1) 射頻載設頻率：13.56mhz 
2) 射頻卡讀寫操作有效范圍：100mm 
3) 通訊接口：標準485接口/標準232接口 
4) 訪問射頻卡通訊速率：106k bit/s 
5) 輸入/輸出裝置：讀寫器有擴展總線接口，適用于各種用戶的功能開發(fā)和擴展，可對多張卡進行操作 
6) 安全性：三次相互認證（iso/iec dis9798-2）通訊過程中所有數(shù)據(jù)均加密,以防止信號截取傳輸密碼，寫保護 
7) 抗干擾性：對某張卡片進行處理時，其它卡可進入或離開射頻區(qū)域 
8) 典型處理時間： 
 識別一張卡8ms(包括復位應答和防沖突) 
 讀一個塊2.5ms(不包括認證過程)、 4.5ms(包括認證過程) 
 寫一個塊+讀控制12ms 
 典型交易過程＜100ms 
9) 高溫卡工作溫度：-15℃～+110℃ 
10) 環(huán)境濕度：10%～90% 
11) 卡片處息容量：8k bit 
5. 工作原理 
卡片的電氣是部分由天線和控制部分cpu組成（用pvc封裝），如下圖。卡片的天線是只有幾組繞線的線圈封裝在卡片中，卡片內有一個高速（106kb波特率）的接口，16個控制單元讀寫器向卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內有一個lc串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵下，lc諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內有了電荷。在這個電容的另一端，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一電容內儲存，當所積累的電荷達到一定電壓時，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接取讀寫器的數(shù)據(jù)。 
圖10-3 ic卡與讀卡器 
6. 讀寫器與非接觸式ic卡的通訊 
1) 復位應答：射頻卡的通訊協(xié)議和通訊波特率是定義好的，通過這兩項內容，讀寫器和卡片互相驗證，當某張卡片進入讀寫器的操作范圍時，讀寫器的特定的協(xié)議與它通訊，從而確定該卡是否為合法射頻卡，即驗證卡片的卡型、類別。 
2) 防沖突閉合機制：當有多張卡片在讀寫器的操作范圍內時，防沖突閉合電路首先把眾多卡片中選擇其中一張作為下一步處理的對象，而未選中的卡片則處于空閉模式，等待下一次被選擇，該過程返回一個被選中的序列號。 
3) 選擇卡片：選擇被選中卡的序號，并同時返回卡的容量代碼。 
4) 三次互相確認：選定要處理的卡片之后，讀寫器就確定要訪問的扇區(qū)號，并對該扇區(qū)密碼進行密碼校驗，在三次互相認證之后，就可以通過加密進行任何通訊（在選擇下一個扇區(qū)時，則必須進行新扇區(qū)的密碼校驗）。 
5) 讀寫：確認之后，就可以執(zhí)行下列操作：讀一個塊；寫一個塊；塊中的內容作減法之后，結果存在數(shù)據(jù)寄存器中，塊中的內容作加法之后，結果存在數(shù)據(jù)寄存器中；將數(shù)據(jù)寄存器中的內容寫入塊中；將塊中的內容讀到數(shù)據(jù)寄存器中；將卡置于暫停工作狀態(tài)。 
7. ic卡發(fā)卡管理子系統(tǒng) 
首先根據(jù)住宅小區(qū)的管理制度，拍攝最具代表研究院形象的圖片為背景，把ic卡卡號、徽標等資料統(tǒng)一精美地印刷在ic卡的正面，同時將ic卡使用注意事項印在背面。 

em id卡，主要是采用瑞士em或臺灣gk公司的4100、4102系列ic芯片 + 線圈 + 卡基封裝而成。 
（1）4001感應式id厚卡：臺灣4001 cob  
特征：普通型感應卡，厚薄適中，帶有id號碼，可放入錢包內攜帶，另有一個便攜孔。是目前最經(jīng)濟 的射頻ic卡片。 
芯片： 臺灣4001 cob  
工作頻率：125khz  
感應距離：2-20cm  
尺寸： 85.5x54x1.8mm  
封裝工藝：手工粘貼 
號碼：連號噴碼 
典型應用：巡更系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、企業(yè)一卡通系統(tǒng)等射頻識別領域  
（2）em 4100/4102感應式id標準卡：swatch group em4102 wafer （厚薄卡、厚薄卡） 
特征：普通型感應卡，薄卡，帶有id號碼，可放入錢包內攜帶可直接打印照片。 
芯片： swatch group em4102 wafer  
工作頻率：125khz  
感應距離：2-20cm  
尺寸： 85.5x54x0.82mm 
封裝材料：pvc、abs 
典型應用：巡更系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、企業(yè)一卡通系統(tǒng)等射頻識別領域  
（3）swatch group em4102 wafer（異形卡） 
芯片： swatch group em4102 wafer  
工作頻率：125khz  
感應距離：6-8cm  
尺寸： 34x24x3mm(a型) 34x24x3mm(b型) 40x30x4mm(c型) 50x32x4mm(d型) 48x40x7mm(e型)  
典型應用：巡更系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、企業(yè)一卡通系統(tǒng)等射頻識別領域  
（4）8803感應式id厚卡 
芯片：臺灣8803 wafer 
工作頻率：125khz 
感應距離：2-20cm 
尺寸：85.5x54x1.05mm 
封裝材料：pvc  
封裝工藝：手工層壓 

典型應用：考勤系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、企業(yè)一卡通系統(tǒng)等  
（5）µem rf/id chip 
h4102/p4150 c4083/p4069 v4222… 
（6）µem smart card chip 
gold-96 


tm (touch memory) 卡是美國dallas公司的專利產(chǎn)品，它采用單線協(xié)議通訊，通過瞬間碰觸完成數(shù)據(jù)讀寫，既具有非接觸式ic卡的易操作性，又具有接觸式ic卡的廉價性，是當前性價比最優(yōu)秀的ic卡之一。 
1、tm卡的基本原理  
tm卡外形類似于一個鈕扣（button）電池，可鑲嵌于卡片、鑰匙扣等物體上。 
tm卡通過一個多功能器來實現(xiàn)將數(shù)據(jù)線、地址線、控制線和電源線減為一根線，實現(xiàn)單線通訊。當主機加電時，tm卡通過500,000ω和50ω阻抗之間的切換來響應主機，用信號被拉低的時長（長或短）來表示數(shù)字邏輯（長為1，短為0），由于阻換切換的幅度為10,000比1，因此，觸點的接觸電阻不會影響數(shù)字信號的辨識。 
2、tm卡的種類  
表1中列出了常用tm卡的主要種類及其特性參數(shù)。表1 tm卡一覽表 
型號part no 說明description 登記號registration 
ds1990af3/f5 碰觸式序號 8+48+8位 
ds1991l f5 多組碰觸式鑰匙3個加密區(qū) 8+48+8 位 
ds1992l f5 碰觸式存儲器 8+48+8 位 
ds1993l f5 碰觸式存儲器 8+48+8 位 
ds1994l f5 帶時鐘的碰觸式存儲器 8+48+8 位 
ds1995l f5 碰觸式存儲器 8+48+8 位 
ds1996l f5 碰觸式存儲器 8+48+8 位 
型號part no 組態(tài)organization 高速暫存scratchpad 族性碼family code  
ds1990af3/f5 ?/td> ?/td> 01h 
ds1991l f5 3x64位+3x384位 512位 02h 
ds1992l f5 4×256位 256位 08h 
ds1993l f5 16×256位 256位 06h 
ds1994l f5 16×256位 256位 04h 
ds1995l f5 64×256位 256位 0ah 
ds1996l f5 256×256位 256位 0ch 
從表中可以看出，除了ds1990a以外，其余tm卡都具有ram存儲器，為了保持ram中的內容不丟失，卡中要安置長壽鋰電池。 
另外，根據(jù)tm卡存儲器的加密性，tm卡可分為加密tm卡和非加密tm卡。絕大部分tm卡都是非加密的，只有ds1991是加密的，并分為三個獨立的加密區(qū)，每個加密區(qū)都有獨立口令，因此，可以作為三個獨立的用途?？紤]到tm卡的特點，tm卡的加密方式與接觸式加密ic卡不同，后者密碼位數(shù)小，并有誤碼計算功能，前者密碼多達64位，不設誤碼計數(shù)，如果因某種原因忘記密碼，可按卡重新初始化后使用，但卡中原有信息將被自動擦除。 

智能卡是智能卡技術的核心，它的性能和成本對智能卡技術的推廣和使用起著舉足輕重的作用，為了提高智能卡的標準化和通用性，國際標準化組織對智能卡的接口和通訊協(xié)議作了詳細規(guī)定，生產(chǎn)智能卡的廠家有siemens，atmel，gemplus，motorola，microchip等公司。 
智能卡屬于半導體卡。半導體卡片采用微電子技術進行信息的存儲、處理。按照其組成結構，智能卡可以分為一般存儲卡、加密存儲卡、cpu卡和超級智能卡： 
非加密存儲器卡（memory card）  
其內嵌芯片相當于普通串行e2prom存儲器，有些芯片還增加了特定區(qū)域的寫保護功能，這類卡信息存儲方便，使用簡單，價格便宜，很多場合可替代磁卡，但由于其本身不具備信息保密功能，因此，只能用于保密性要求不高的應用場合。 
加密存儲器卡（security card）  
加密存儲器卡內嵌芯片在存儲區(qū)外增加了控制邏輯，在訪問存儲區(qū)之前需要核對密碼，只有密碼正確，才能進行存取操作，這類信息保密性較好，使用與普通存儲器卡相類似。 
cpu卡（smart card）  
cpu卡內嵌芯片相當于一個特殊類型的單片機，內部除了帶有控制器，存儲器，時序控制邏輯等外，還帶有算法單元和操作系統(tǒng)，由于cpu卡有存儲容量大，處理能力強，信息存儲安全等特性。因此，廣泛用于信息安全性要求特別高的場合。 
超級智能卡  
在卡上具有mpu和存儲器并裝有健盤、液晶顯示器和電源，有的卡上還具有指紋識別裝置等。 
按照數(shù)據(jù)讀寫方式，智能卡又可分為接觸式ic卡和非接觸式ic卡兩類： 
接觸式ic卡  
前者由讀寫設備的觸點和卡片上的觸點相接觸，進行數(shù)據(jù)讀寫；國際標準iso7816系列對此類ic卡進行了規(guī)定。 
非接觸式ic卡  
后者則與讀寫設備無電路接觸，由非接觸式的讀寫技術進行讀寫（例如，光或無線電技術）。其內嵌芯片除了存儲單元?？刂七壿嬐?，增加了射頻收發(fā)電路。這類卡一般用在存取頻繁，可靠性要求特別高的場合。國際標準iso10536系列闡述了對非接觸式ic卡的有關規(guī)定。 
按照數(shù)據(jù)交換格式分類，智能卡可以分為串行和并行兩種： 
串行ic卡  
智能卡和外界進行數(shù)據(jù)交換時，數(shù)據(jù)流按照串行方式輸入輸出。當前應用中大多數(shù)ic卡都屬于串行ic卡類，串行ic卡接口簡單，使用方便，國際標準化組織為之專門開發(fā)了相關標準。 
并行ic卡  
與串行ic卡相反，并行ic卡的數(shù)據(jù)交換以并行方式進行，由此可以帶來兩方面的好處，一是數(shù)據(jù)交換速度提高，二是在現(xiàn)有技術條件下存儲容量可以顯著增加。有關廠商再者方面作出了探索，并有產(chǎn)品投入使用，但由于沒有形成相應的國際標準，大規(guī)模應用方面還存在一些問題。 
此外，有關廠商還設計制造了各種適合實際用途的智能卡，例如： 
預付費卡（prepayment card）  
預付費卡在出廠后，初始化前的特性與加密存儲器卡相類似，只是容量較小，一旦經(jīng)用戶初始化后，其信息的讀取與普通存儲卡類似，其內嵌芯片相當于一個計數(shù)器，只是該計數(shù)器只能作減法，不能作加法，當計數(shù)為零時，芯片便作廢，因此，是一次性的。這樣卡是專門為預付費用途設計的。 
混合卡  
混合卡也存在多種形式，將ic芯片和磁卡同做在一張卡片上，將接觸式和非接觸式融為一體，一般都稱為“混合卡”。 
另外，在1981年由美國一家公司提出光卡概念，從而豐富了卡片式數(shù)據(jù)存儲方式。光卡（optical card）由半導體激光材料組成的，能夠儲存記錄并再生大量信息。光卡紀錄格式目前形成了兩種格式：canon型和delta型。這兩種形式均已被國際標準化組織接收為國際標準。光卡具有體積小，便于隨身攜帶，數(shù)據(jù)安全可靠，容量大，抗干擾性強，不易更改，保密性好和相對價格便宜等優(yōu)點。 
智能卡有些已作為標準產(chǎn)品提供，在以后章節(jié)中將詳細介紹，有些需要用戶定制，本書只作綱領性介紹。除此之外，一些公司正計劃采用閃爍存儲器（flash memory）技術制造智能卡，以進一步擴大容量，提高速度，降低成本和功耗，這將是智能卡技術的又一飛越。預計，隨著新技術和新工藝的不斷發(fā)展、進步，今后還會不斷出現(xiàn)新的卡型。