非接觸式智能卡在城市一卡通中關(guān)鍵技術(shù)

文章出處：http://coolbang.cn 作者： 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2012年02月21日

    非接觸卡最熱門的應(yīng)用當(dāng)屬城市公交系統(tǒng)，目前全球已有超過(guò)100個(gè)城市引入非接觸式公交支付項(xiàng)目，非接觸式IC卡在公交系統(tǒng)的應(yīng)用大大推動(dòng)了非接觸式IC卡的發(fā)展，成為各大IC卡廠商的必爭(zhēng)之地。

    但隨著城市一卡通系統(tǒng)的發(fā)展和成熟，一卡通系統(tǒng)不再僅限于公交系統(tǒng)內(nèi)的使用，對(duì)于非接觸式IC卡，對(duì)其應(yīng)用擴(kuò)展性和安全性都有了更高的要求。非接觸式智能卡以其高安全特性開(kāi)始為人們所矚目。今年4月份在昆明舉行的全國(guó)公交IC卡供需見(jiàn)面會(huì)上，握奇數(shù)據(jù)最新推出的非接觸CPU卡成為整個(gè)會(huì)議的焦點(diǎn)。

    握奇數(shù)據(jù)在非接觸式智能卡方面的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，早先就已經(jīng)研發(fā)并推出了TimeCOS/DI雙界面卡，一張卡片，兩種通訊方式：接觸式和非接觸式。在具備傳統(tǒng)智能卡的優(yōu)勢(shì)外，還同時(shí)具備接觸式卡和非接觸式卡的優(yōu)勢(shì)，握奇數(shù)據(jù)這種雙界面卡在市政公交系統(tǒng)中已經(jīng)展開(kāi)應(yīng)用，典型案例有蘇州城市一卡通、大連公交一卡通等。

    最近，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間醞釀的NFC開(kāi)始了正式的公開(kāi)試用，握奇數(shù)據(jù)基于雙界面智能卡技術(shù)的SIMpass手機(jī)移動(dòng)非接觸應(yīng)用方案也展開(kāi)了內(nèi)部試用，非接觸智能卡發(fā)展已經(jīng)步入快行道。

    非接觸式智能卡應(yīng)運(yùn)而生

    如今，接觸式IC卡在人們的日常生活中得到了普遍的應(yīng)用。在接觸式IC卡的普及過(guò)程中，逐漸發(fā)現(xiàn)了許多的弊端：卡在讀寫(xiě)器上經(jīng)常拔插造成的磨損導(dǎo)致接觸不良，從而引起數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，并且卡與讀寫(xiě)器之間的磨損也大大縮短了卡和讀寫(xiě)器的使用壽命；另外，接觸式IC卡的通訊速率較低，再加上插拔卡的動(dòng)作延誤，造成每一筆交易需要較長(zhǎng)時(shí)間的等待。為了解決這些問(wèn)題，握奇數(shù)據(jù)推出了非接觸式智能卡。

    越來(lái)越多的應(yīng)用除了對(duì)非接觸卡的接口提出了要求，還對(duì)傳統(tǒng)非接觸卡的應(yīng)用開(kāi)發(fā)提出了進(jìn)一步的要求。原來(lái)非接觸卡的指令比較簡(jiǎn)單，功能比較少。要完成一個(gè)復(fù)雜的操作如建立一個(gè)文件需要對(duì)非接觸卡的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)十分了解而且要編寫(xiě)許多條指令。特別是非接觸卡中存放的許多資料是比較敏感的，如金額之類，在對(duì)這些資料進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，如果發(fā)生意外使操作中斷，如何正確恢復(fù)資料是一個(gè)很頭痛的問(wèn)題，這需要很高軟件技巧。所有這些大大阻礙了非接觸卡的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。因此握奇數(shù)據(jù)在非接觸卡集成入CPU，通過(guò)COS軟件來(lái)提供一個(gè)簡(jiǎn)單、強(qiáng)大的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)接口是一個(gè)很好的解決方法。

    非接觸式智能卡的工作原理

    非接觸式智能卡又稱射頻卡，是世界上最近幾年發(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)和智能卡技術(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)域的一大突破。

    非接觸系統(tǒng)一般由非接觸智能卡和讀寫(xiě)器以及控制模塊組成。

    握奇數(shù)據(jù)推出的非接觸智能卡，是將芯片和天線完全封裝在卡片內(nèi)部，此種卡的表面沒(méi)有觸點(diǎn)，通過(guò)電磁感應(yīng)方式與讀寫(xiě)器進(jìn)行通信。對(duì)于符合ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸智能卡，向讀寫(xiě)器（PCD，接近式耦合設(shè)備）的數(shù)據(jù)傳輸采用的分別采用振幅鍵控(OOK)調(diào)制曼徹斯特編碼（Type A）和用相位鍵控(BPSK)調(diào)制的非歸零編碼（Type B）。

    讀寫(xiě)器(Reader)，主要由無(wú)線收發(fā)模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成。讀寫(xiě)器可將讀寫(xiě)命令傳送到非接觸智能卡并分析其響應(yīng)的數(shù)據(jù)。對(duì)于符合ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)具，向非接觸智能卡片（PICC，接近式智能卡）的數(shù)據(jù)傳輸采用的分別是100％ASK調(diào)制的改進(jìn)的密勒編碼（Type A）和10％ASK調(diào)制的非歸零編碼（Type B）。

    系統(tǒng)按13.56MHz的工作頻率以半雙工方式在非接觸智能卡與讀寫(xiě)器之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。讀卡器將控制模塊（主機(jī)）要發(fā)送的信息，經(jīng)編碼后加載在某一頻率的載波信號(hào)上經(jīng)天線向外發(fā)送，進(jìn)入讀卡器工作區(qū)域的非接觸智能卡接收此脈沖信號(hào)，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，并做出響應(yīng)。

    另一方面，讀卡器的載波信號(hào)中還包含電源信號(hào)，該信號(hào)由非接觸智能卡接收后，與本身的L/C產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生一個(gè)瞬間能量來(lái)供給芯片工作，從而給非接觸智能卡提供了電源。數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)及管理、對(duì)卡進(jìn)行讀寫(xiě)控制等。

    非接觸式智能卡的諸多特色

    與接觸式IC卡相比較，非接觸式智能卡具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

    Ø 可靠性高、使用壽命長(zhǎng)：卡片與讀寫(xiě)器之間無(wú)機(jī)械接觸，避免了由于接觸讀寫(xiě)而產(chǎn)生的各種故障。特別在一些條件惡劣、干擾很大的環(huán)境里，由于其完全封閉的封裝形式，不僅可以防止由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰塵和油污等導(dǎo)致接觸不良，而且具有防水汽、防靜電、防震動(dòng)和防電磁干擾的優(yōu)良特性。 

    Ø 操作方便、快捷：由于采用非接觸通信方法，讀寫(xiě)器在某個(gè)距離范圍內(nèi)就可以對(duì)卡片操作，所以不必插拔卡，而且非接觸智能卡使用時(shí)沒(méi)有方向性，卡片可以隨意方向掠過(guò)讀寫(xiě)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。

    Ø 防止沖突、抗干擾性好，可同時(shí)處理多張卡：有防沖突機(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(xiě)范圍內(nèi)時(shí)，讀寫(xiě)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(wú)形中提高了系統(tǒng)工作的速度。

    Ø 高安全性：非接觸智能卡與讀寫(xiě)器之間采用雙向驗(yàn)證機(jī)制和三次相互確認(rèn)；而且在通訊過(guò)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(wèn)條件。

    Ø 適合于多種應(yīng)用：握奇數(shù)據(jù)推出的非接觸智能卡的存貯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其能夠?qū)崿F(xiàn)城市通卡的一卡多用需求；如：電子錢包/存折、公交、出租、軌道交通、園林景區(qū)、高速公路一般路、橋收費(fèi)或等應(yīng)用。每個(gè)應(yīng)用均可設(shè)置不同的密碼和訪問(wèn)條件，系統(tǒng)配置相當(dāng)靈活多樣。

    非接觸式智能卡的一些關(guān)鍵技術(shù)

    非接觸式智能卡的工作特點(diǎn)，反映在設(shè)計(jì)、安全與制造過(guò)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、安全體系的架構(gòu)和卡片的封裝方面。

    1、射頻技術(shù)（線圈和天線設(shè)計(jì)）：非接觸式智能卡是當(dāng)今世界先進(jìn)的射頻技術(shù)和IC卡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，卡內(nèi)需有經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的天線，并埋裝在卡內(nèi)；必須保證有良好的抗干擾性能，而且還要設(shè)有“防沖突”電路。識(shí)別卡的距離遠(yuǎn)近主要取決于機(jī)具的天線設(shè)計(jì)和智能卡的線圈設(shè)計(jì)，所以作為表現(xiàn)出色的智能卡來(lái)說(shuō)，天線設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵技術(shù)之一。

    2、低功耗技術(shù)：無(wú)論是按有源方式還是按無(wú)源方式設(shè)計(jì)的非接觸式智能卡，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(shuō)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?？量痰牡凸墓に嚭陀嘘P(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。

    3、封裝技術(shù)：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　⒑穸?、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。由于目前的主要封裝方式有ABS、PVC、PVC＋ABS、PET（PETG）等，但是有的容易斷裂，有的太柔軟，有的抗老化效果不好、有的對(duì)封裝線圈有影響。所以找一款各方面都有上佳表現(xiàn)的卡基材料也是非常重要的問(wèn)題。而且如果再加上內(nèi)成像、銀聯(lián)標(biāo)的話，整個(gè)制卡工序更加繁復(fù)，整個(gè)的成品率就不會(huì)很高，所以如何有效的提高非接觸智能卡的生產(chǎn)成品率也是世界上廣泛研究的課題之一。

    4、安全技術(shù)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。在卡片結(jié)構(gòu)上，射頻模擬前端(RF AFE) 屏蔽了智能卡片上的電源、時(shí)鐘、上電復(fù)位(POR)等信號(hào)與外界的聯(lián)系，在一定程度上減少了攻擊實(shí)施的點(diǎn)。對(duì)于如SPA（Simple Power Analysis）和DPA（Differential Power Analysis）的能量攻擊的方法，對(duì)于高安全等級(jí)的非接觸智能IC卡（比如握奇數(shù)據(jù)的TimeCOS FLY）來(lái)說(shuō)，在COS以及一些關(guān)鍵算法的設(shè)計(jì)時(shí)，需采用隨機(jī)時(shí)間移動(dòng)、對(duì)一個(gè)指定的算法提供一種明確的計(jì)算方式、將中間變量分為兩個(gè)或更多的變量等方法來(lái)抵御攻擊。