智能化風(fēng)暴-一卡通技術(shù)IC卡概述及分類

文章出處：http://coolbang.cn 作者：   人氣： 發(fā)表時(shí)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(jiǎn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）。芯片一般采用不易揮發(fā)性的存儲(chǔ)器（ROM、EEPROM）、保護(hù)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(chǔ)器卡：卡內(nèi)的集成電路芯片主要是EEPROM，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)器卡：在非加密存儲(chǔ)器卡的基礎(chǔ)上增加了加密邏輯電路，加密邏輯電路通過(guò)校驗(yàn)密碼方式來(lái)保護(hù)卡內(nèi)的數(shù)據(jù)對(duì)于外部訪問(wèn)是否開(kāi)放，但只是低層次的安全保護(hù)，無(wú)法防范惡意性的攻擊。 
CPU卡：也稱智能卡，卡內(nèi)的集成電路中帶有微處理器CPU、存儲(chǔ)單元（包括隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM（FLASH）、用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EEPROM）以及芯片操作系統(tǒng)COS。裝有COS的CPU卡相當(dāng)于一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，不僅具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，同時(shí)具有命令處理和數(shù)據(jù)安全保護(hù)等功能。 
第二節(jié)  IC卡國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 
1. 非接觸ic卡簡(jiǎn)介 
目前世界范圍內(nèi)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(shì)，該技術(shù)成功地將射頻識(shí)別技術(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）和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一項(xiàng)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(jī)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(dǎo)致接觸不良等原因造成的故障。此外，非接觸式卡表面無(wú)裸露的芯片，無(wú)須擔(dān)心芯片脫落，靜電擊穿、彎曲損壞等問(wèn)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(nèi)就可以對(duì)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(shí)沒(méi)有方向性，卡片可以任意方向掃過(guò)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(jī)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(shí)處理多張非接觸式ic卡，這提高了應(yīng)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(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使它一卡多用，能應(yīng)用于不同的系統(tǒng)，用戶可根據(jù)不同的應(yīng)用設(shè)定不同的密碼和訪問(wèn)條件。 
5) 加密性能好：非接觸式卡與讀寫器之間采用雙向驗(yàn)證機(jī)制，即讀寫器驗(yàn)證ic卡的合法性，同時(shí)ic卡也檢驗(yàn)讀寫器的合法性。非接觸式卡在處理前要與讀寫器進(jìn)行三次相互認(rèn)證，而且在通訊過(guò)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(wèn)條件。 
3. 非接觸ic讀寫器結(jié)構(gòu) 
圖10-2 ic卡讀卡器結(jié)構(gòu) 
4. 讀寫器的主要技術(shù)指標(biāo)： 
1) 射頻載設(shè)頻率：13.56mhz 
2) 射頻卡讀寫操作有效范圍：100mm 
3) 通訊接口：標(biāo)準(zhǔn)485接口/標(biāo)準(zhǔn)232接口 
4) 訪問(wèn)射頻卡通訊速率：106k bit/s 
5) 輸入/輸出裝置：讀寫器有擴(kuò)展總線接口，適用于各種用戶的功能開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展，可對(duì)多張卡進(jìn)行操作 
6) 安全性：三次相互認(rèn)證（iso/iec dis9798-2）通訊過(guò)程中所有數(shù)據(jù)均加密,以防止信號(hào)截取傳輸密碼，寫保護(hù) 
7) 抗干擾性：對(duì)某張卡片進(jìn)行處理時(shí)，其它卡可進(jìn)入或離開(kāi)射頻區(qū)域 
8) 典型處理時(shí)間： 
 識(shí)別一張卡8ms(包括復(fù)位應(yīng)答和防沖突) 
 讀一個(gè)塊2.5ms(不包括認(rèn)證過(guò)程)、 4.5ms(包括認(rèn)證過(guò)程) 
 寫一個(gè)塊+讀控制12ms 
 典型交易過(guò)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(nèi)有一個(gè)高速（106kb波特率）的接口，16個(gè)控制單元讀寫器向卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個(gè)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(lì)下，lc諧振電路產(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)的電荷送到另一電容內(nèi)儲(chǔ)存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到一定電壓時(shí)，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)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(fù)位應(yīng)答：射頻卡的通訊協(xié)議和通訊波特率是定義好的，通過(guò)這兩項(xiàng)內(nèi)容，讀寫器和卡片互相驗(yàn)證，當(dāng)某張卡片進(jìn)入讀寫器的操作范圍時(shí)，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(yàn)證卡片的卡型、類別。 
2) 防沖突閉合機(jī)制：當(dāng)有多張卡片在讀寫器的操作范圍內(nèi)時(shí)，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(duì)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(guò)程返回一個(gè)被選中的序列號(hào)。 
3) 選擇卡片：選擇被選中卡的序號(hào)，并同時(shí)返回卡的容量代碼。 
4) 三次互相確認(rèn)：選定要處理的卡片之后，讀寫器就確定要訪問(wèn)的扇區(qū)號(hào)，并對(duì)該扇區(qū)密碼進(jìn)行密碼校驗(yàn)，在三次互相認(rèn)證之后，就可以通過(guò)加密進(jìn)行任何通訊（在選擇下一個(gè)扇區(qū)時(shí)，則必須進(jìn)行新扇區(qū)的密碼校驗(yàn)）。 
5) 讀寫：確認(rèn)之后，就可以執(zhí)行下列操作：讀一個(gè)塊；寫一個(gè)塊；塊中的內(nèi)容作減法之后，結(jié)果存在數(shù)據(jù)寄存器中，塊中的內(nèi)容作加法之后，結(jié)果存在數(shù)據(jù)寄存器中；將數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容寫入塊中；將塊中的內(nèi)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(hào)、徽標(biāo)等資料統(tǒng)一精美地印刷在ic卡的正面，同時(shí)將ic卡使用注意事項(xiàng)印在背面。 

em id卡，主要是采用瑞士em或臺(tái)灣gk公司的4100、4102系列ic芯片 + 線圈 + 卡基封裝而成。 
（1）4001感應(yīng)式id厚卡：臺(tái)灣4001 cob  
特征：普通型感應(yīng)卡，厚薄適中，帶有id號(hào)碼，可放入錢包內(nèi)攜帶，另有一個(gè)便攜孔。是目前最經(jīng)濟(jì) 的射頻ic卡片。 
芯片： 臺(tái)灣4001 cob  
工作頻率：125khz  
感應(yīng)距離：2-20cm  
尺寸： 85.5x54x1.8mm  
封裝工藝：手工粘貼 
號(hào)碼：連號(hào)噴碼 
典型應(yīng)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(shí)別領(lǐng)域  
（2）em 4100/4102感應(yīng)式id標(biāo)準(zhǔn)卡：swatch group em4102 wafer （厚薄卡、厚薄卡） 
特征：普通型感應(yīng)卡，薄卡，帶有id號(hào)碼，可放入錢包內(nèi)攜帶可直接打印照片。 
芯片： swatch group em4102 wafer  
工作頻率：125khz  
感應(yīng)距離：2-20cm  
尺寸： 85.5x54x0.82mm 
封裝材料：pvc、abs 
典型應(yīng)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(shí)別領(lǐng)域  
（3）swatch group em4102 wafer（異形卡） 
芯片： swatch group em4102 wafer  
工作頻率：125khz  
感應(yīng)距離：6-8cm  
尺寸： 34x24x3mm(a型) 34x24x3mm(b型) 40x30x4mm(c型) 50x32x4mm(d型) 48x40x7mm(e型)  
典型應(yīng)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(shí)別領(lǐng)域  
（4）8803感應(yīng)式id厚卡 
芯片：臺(tái)灣8803 wafer 
工作頻率：125khz 
感應(yīng)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(yīng)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(guó)dallas公司的專利產(chǎn)品，它采用單線協(xié)議通訊，通過(guò)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(jià)性，是當(dāng)前性價(jià)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(gè)鈕扣（button）電池，可鑲嵌于卡片、鑰匙扣等物體上。 
tm卡通過(guò)一個(gè)多功能器來(lái)實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)線、地址線、控制線和電源線減為一根線，實(shí)現(xiàn)單線通訊。當(dāng)主機(jī)加電時(shí)，tm卡通過(guò)500,000ω和50ω阻抗之間的切換來(lái)響應(yīng)主機(jī)，用信號(hào)被拉低的時(shí)長(zhǎng)（長(zhǎng)或短）來(lái)表示數(shù)字邏輯（長(zhǎng)為1，短為0），由于阻換切換的幅度為10,000比1，因此，觸點(diǎn)的接觸電阻不會(huì)影響數(shù)字信號(hào)的辨識(shí)。 
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(hào)part no 說(shuō)明description 登記號(hào)registration 
ds1990af3/f5 碰觸式序號(hào) 8+48+8位 
ds1991l f5 多組碰觸式鑰匙3個(gè)加密區(qū) 8+48+8 位 
ds1992l f5 碰觸式存儲(chǔ)器 8+48+8 位 
ds1993l f5 碰觸式存儲(chǔ)器 8+48+8 位 
ds1994l f5 帶時(shí)鐘的碰觸式存儲(chǔ)器 8+48+8 位 
ds1995l f5 碰觸式存儲(chǔ)器 8+48+8 位 
ds1996l f5 碰觸式存儲(chǔ)器 8+48+8 位 
型號(hào)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(chǔ)器，為了保持ram中的內(nèi)容不丟失，卡中要安置長(zhǎng)壽鋰電池。 
另外，根據(jù)tm卡存儲(chǔ)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(gè)獨(dú)立的加密區(qū)，每個(gè)加密區(qū)都有獨(dú)立口令，因此，可以作為三個(gè)獨(dú)立的用途。考慮到tm卡的特點(diǎn)，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(jì)算功能，前者密碼多達(dá)64位，不設(shè)誤碼計(jì)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(dòng)擦除。 

智能卡是智能卡技術(shù)的核心，它的性能和成本對(duì)智能卡技術(shù)的推廣和使用起著舉足輕重的作用，為了提高智能卡的標(biāo)準(zhǔn)化和通用性，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)智能卡的接口和通訊協(xié)議作了詳細(xì)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(dǎo)體卡。半導(dǎo)體卡片采用微電子技術(shù)進(jìn)行信息的存儲(chǔ)、處理。按照其組成結(jié)構(gòu)，智能卡可以分為一般存儲(chǔ)卡、加密存儲(chǔ)卡、cpu卡和超級(jí)智能卡： 
非加密存儲(chǔ)器卡（memory card）  
其內(nèi)嵌芯片相當(dāng)于普通串行e2prom存儲(chǔ)器，有些芯片還增加了特定區(qū)域的寫保護(hù)功能，這類卡信息存儲(chǔ)方便，使用簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，很多場(chǎng)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(yīng)用場(chǎng)合。 
加密存儲(chǔ)器卡（security card）  
加密存儲(chǔ)器卡內(nèi)嵌芯片在存儲(chǔ)區(qū)外增加了控制邏輯，在訪問(wèn)存儲(chǔ)區(qū)之前需要核對(duì)密碼，只有密碼正確，才能進(jìn)行存取操作，這類信息保密性較好，使用與普通存儲(chǔ)器卡相類似。 
cpu卡（smart card）  
cpu卡內(nèi)嵌芯片相當(dāng)于一個(gè)特殊類型的單片機(jī)，內(nèi)部除了帶有控制器，存儲(chǔ)器，時(shí)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(chǔ)容量大，處理能力強(qiáng)，信息存儲(chǔ)安全等特性。因此，廣泛用于信息安全性要求特別高的場(chǎng)合。 
超級(jí)智能卡  
在卡上具有mpu和存儲(chǔ)器并裝有健盤、液晶顯示器和電源，有的卡上還具有指紋識(shí)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(shè)備的觸點(diǎn)和卡片上的觸點(diǎn)相接觸，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫；國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)iso7816系列對(duì)此類ic卡進(jìn)行了規(guī)定。 
非接觸式ic卡  
后者則與讀寫設(shè)備無(wú)電路接觸，由非接觸式的讀寫技術(shù)進(jìn)行讀寫（例如，光或無(wú)線電技術(shù)）。其內(nèi)嵌芯片除了存儲(chǔ)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(chǎng)合。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)iso10536系列闡述了對(duì)非接觸式ic卡的有關(guān)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，數(shù)據(jù)流按照串行方式輸入輸出。當(dāng)前應(yīng)用中大多數(shù)ic卡都屬于串行ic卡類，串行ic卡接口簡(jiǎn)單，使用方便，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織為之專門開(kāi)發(fā)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 
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(jìn)行，由此可以帶來(lái)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(shù)條件下存儲(chǔ)容量可以顯著增加。有關(guān)廠商再者方面作出了探索，并有產(chǎn)品投入使用，但由于沒(méi)有形成相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，大規(guī)模應(yīng)用方面還存在一些問(wèn)題。 
此外，有關(guān)廠商還設(shè)計(jì)制造了各種適合實(shí)際用途的智能卡，例如： 
預(yù)付費(fèi)卡（prepayment card）  
預(yù)付費(fèi)卡在出廠后，初始化前的特性與加密存儲(chǔ)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(chǔ)卡類似，其內(nèi)嵌芯片相當(dāng)于一個(gè)計(jì)數(shù)器，只是該計(jì)數(shù)器只能作減法，不能作加法，當(dāng)計(jì)數(shù)為零時(shí)，芯片便作廢，因此，是一次性的。這樣卡是專門為預(yù)付費(fèi)用途設(shè)計(jì)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(guó)一家公司提出光卡概念，從而豐富了卡片式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。光卡（optical card）由半導(dǎo)體激光材料組成的，能夠儲(chǔ)存記錄并再生大量信息。光卡紀(jì)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織接收為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。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(qiáng)，不易更改，保密性好和相對(duì)價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。 
智能卡有些已作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品提供，在以后章節(jié)中將詳細(xì)介紹，有些需要用戶定制，本書(shū)只作綱領(lǐng)性介紹。除此之外，一些公司正計(jì)劃采用閃爍存儲(chǔ)器（flash memory）技術(shù)制造智能卡，以進(jìn)一步擴(kuò)大容量，提高速度，降低成本和功耗，這將是智能卡技術(shù)的又一飛越。預(yù)計(jì)，隨著新技術(shù)和新工藝的不斷發(fā)展、進(jìn)步，今后還會(huì)不斷出現(xiàn)新的卡型。