非接触式IC卡技术

-摘要

　本文从与磁卡、接触式ＩＣ卡比较的角度着力介绍了非接触式ＩＣ卡（又称射频卡）技术，这是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术、磁电技术、计算机技术和ＩＣ卡技术结合起来，解决了无源（卡中无电源）、低功耗和免接触这一难题，克服了接触式ＩＣ卡由于存在机械接触，容易造成磨损以及由于接触而产生各种故障的问题。而且非接触式IC卡表现出来的防监听、防解密性能也超出一般的ＩＣ卡，不论非接触式IC卡本身，还是非接触式IC卡读写设备（无卡座、全密封），均防水、防油、防污、防腐蚀、防扭曲、防静电（包括静电击穿、静电破坏卡中的数据），具有高安全、高可靠、高快捷、高适用等性能，是现代电子技术领域的一大突破。

IC（集成电路）卡于1974年诞生于法国，当时有位叫罗兰•莫雷诺（RolandMoreno）的工程师为了将一些个人信息存放在一个便于携带、保存的存贮媒体上，提出了将一个集成电路芯片嵌装于一块塑料基片上构成一张存贮卡的想法，并按此方法做了一张卡片，这就是世界上第一张IC卡。但是由于当时集成电路技术水平有限，市场也没有形成迫切的需要，这种想法并没有立即付诸实施，后来随着集成电路技术的发展，芯片的集成度、容量、安全性都得到了很大的提高，尤其是EEPROM技术的成熟，使得IC卡的生产、应用成为现实。目前，以欧洲为中心的IC卡市场已发展成为世界性的市场。

一、IC卡的类型
　　
    IC卡是由一个或多个集成电路芯片组成，并封装成人们携带的卡片。IC卡按其内部封装的芯片种类和功能可分为存贮卡（Memorycard）和智能卡（smartcard），存贮卡和智能卡的区别就在于存贮卡芯片内不含微处理器（cpu），只具有存贮数据信息的功能。存贮卡又分为非加密存贮卡（一般存贮卡）和加密存贮卡（简称逻辑加密卡）。加密卡有内建互相认证安全模块，是银行金融应用中在安全和成本上得到完美结合的卡。智能卡又名CPU卡、电脑卡、智慧卡、聪明卡，它不仅具有象存贮卡一样的数据存贮功能，也具有象微电脑一样的逻辑处理、逻辑判断、I/0控制、指令执行功能。智能卡既具有智能性又具有便于携带的特点，这就为现代信息处理带来了一种全新的思维和手段。IC卡按使用方法和信息交换方式又可分为接触式IC卡和非接触式IC卡（射频卡）。接触式IC卡是通过物理接触方式，将卡插入卡座后，与外界交换信息，所用集成电路芯片露在塑料卡外面的一面是一块含有电路腿的接触片，大部分都镀金。非接触式IC卡是通过电磁波与外界交换信息，带有射频收发及相关电路的芯片与环形天线全部埋在塑料基片中，在进行读写时，读写设备向射频卡发一组固定频率的电磁波，卡片内与读写设备发射频率相同的LC串联谐振电路，在电磁波的激励下产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内贮存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，从而完成将卡内数据发射出去或接收读写设备的数据。

    根据卡中所镶嵌的集成电路的不同，IC卡主要有四大类：1）存贮器卡；2）加密存贮卡；3）CPU卡；4）射频卡。它们的读写属性、安全性、容量、成本和使用的方便性等性能如表1所示。

表１四大类ＩＣ卡性能比较
*********|*****************卡型**********************************　
特　性****|*****存储卡**********加密存储卡*********ＣＰＵ卡*****射频卡
读写属性*****全部可读/写********可控制读/写**********读/写********读/写
安全性**********差****************好***************最好********最好
容量**********1K-64K***********1K-2K************2K-16K******2K-16K
开发成本********低***************较低***************高*********最高
设备成本********低****************低****************较低*******最高
卡成本**********低***************较高****************高********最高
使用方便性******一般**************一般***************一般*******最好
除上述四类卡之外，还有各种专用卡，如予付费卡等。目前，又出现了光卡，其优势已引起广泛的重视。

二、接触式IC卡

    目前市场上使用最多的是接触式IC卡，它与磁卡比较：1）其先进的硅片制作工艺完全可以保证卡的抗磁性、抗静电及抗各种射线的能力，而且由于硅片的体积很小，里面有环氧液的保护，外面有PCB板及基片的保护。因此，抗机械、抗化学破坏的能力也很强；2）其容量远比磁卡大，可以作到几千字节（当前已达到2M位），而且EEPROM可以分区，并且可以有不同的访问级别，这就为不同的信息处理及一卡多用提供了方便；3）其加密性为磁卡远不及，首先体现在芯片的结构和读取方式上，由于容量大而且存贮器的读取和写入区域可以任意选择，因此，灵活性大，即使一般的非加密存贮器卡，采用特定的技术，也具备较强的保密性，对于加密存贮器卡，存贮区的访问受逻辑电路的控制，只有各密码核对无误后，才能进行读写操作。而且密码核对次数有规定，超过限制的次数，卡将被锁死；4）其相关设备的成本，也是磁卡的高。因此，目前市场上广泛使用的磁卡有被IC卡替代的趋势。尽管接触式IC卡作为一种成熟的高技术产品，已给人们工作、生活的现代化程度添加了光彩，但也存在某些同磁卡一样的可靠性和操作速度慢的问题。

1）使用时存在IC卡芯片触点与读写设备插座之间频繁的机械接触、容易造成二者的磨损与由于接触读写而产生的各种故障。例如，由于粗暴、倾斜或不到位插卡，非卡外物插入，以及灰尘、氧化、脱落物或油污导致接触不良等原因造成的故障；

2）由于集成电路芯片有一面在卡片表面裸露，容易造成芯片脱落、静电击穿、弯曲、扭曲损坏等问题；

3）卡片触点上产生的静电可能会破坏卡中的数据；
4）存在因环境腐蚀及保管使用不当，而造成卡触点损坏使IC卡失效的问题；
5）由于插拔卡的速度较慢，完成一次操作需要的时间比较长，这就严重影响应用在需要快速响应的场合，例如地铁、公交及高速公路的收费上。

三、非接触式IC卡

1．概述
  
    非接触式IC卡又称射频率卡，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。

    系统由控制器、读写器、IC卡组成。系统按13.56MHz的工作频率以半双工方式在读写器与IC卡之间双向传递数据。读写器将要发送的信号，编码后加载在频率为13.56MHz的载波信号上经天线向外发送,进入读写器工作区域的IC卡接收此脉冲信号,一方面卡内芯片中的射频接口模块由此信号获得电源电压、复位信号、时钟信号；同时卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断，若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后经卡内天线发送给读写器，读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至后台计算机处理。若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写EEPROM时所需的高压，以便对EEPROM中的内容进行改写。若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息与接触式IC卡相比较，非接触（感应）式IC卡具有以下优点：

*  操作方便、快捷由于采用非接触无线通讯，读写器对在感应范围内的卡就可以进行操作，免去了插拔卡，所以非常方便用户使用；而且非接触卡在使用时既没有正反面之分也没有方向性与角度限制，卡片可以随意方向掠过读写器表面，完成一次操作仅需0.1秒，这就大大提高了每次使用的速度。

*  抗干扰性高非接触式IC卡中有快速防冲突机制，能有效防止卡片之间出现数据干扰，在多卡同时进入读写范围内时，读写设备可一一对卡进行处理。这提高了应用的并行性，也无形中提高了系统工作的速度。

*  可靠性高非接触式IC卡与读写器之间没有机械接触，这就从根本上消除了由于接触读写而产生的各种故障；而且卡中的IC芯片和感应天线完全密封在标准的PVC中，这也进一步提高了应用的可靠性和卡的使用寿命。

*   高安全性非接触式卡的序列号是唯一的，制造商在产品出厂前已将此序列号固化在芯片中，不可以更改；非接触式卡与读写器之间采用双向互认验证机制，即读写器要验证IC卡的合法性，IC卡也要验证读写器的合法性；非接触式IC卡在数据交换前要与读写器进行三次相互认证；而且在通讯过程中所有的数据都加密；此外，卡中各个区域都有自己的操作密码和访问条件。

*   适合于多种应用非接触式IC卡的存贮结构特点使其可以做到一卡多用，能应用于不同的场合或系统，例如，企业或机关内部员工“一卡通”，可用作考勤、食堂就餐、电话管理、停车场、门禁等；校园“一卡通”，可用作学生证、借书证、消费卡、门禁“铜匙”等，此时用户可根据不同的应用设置不同的密码和访问条件。

*   适应于多种要求非接触式IC卡系统可根据环境与应用对象的不同而做到作用距离不同，如用于高速公路或一般路、桥收费，可选用作用距离为0.6m—20m的系统，如用于电子钱包或公交收费，可选用作用距离仅几厘米的系统。系统配置相当灵活多样。

2．LEGIC技术与MIFARE技术

    这两种技术都是目前国际上具有代表性的两大感应卡技术。LEGIC是由瑞士KABA公司提供的感应式IC卡读写技术，MIFARE是由PHILIP公司提供的感应式IC卡读写技术。这两种技术都采用13.56MHZ的近距离非接触式IC卡通讯频率标准，其读写速度和读写距离是相同的；在通讯安全上均采用符合IS09798国际标准的三次互感校验技术，以对卡和读写设备的合法性进行相互校验；在数据通讯上均采用DSA算法对通讯数据进行加密，以确保卡上的数据不被非法的修改。但在安全性保障上，LEGIC技术是由开发公司向用户承诺负责的，而MIFARE技术是由用户自行承担的。

*  MIFARE采用密码读写控制方式，即读写设备的监控程序要掌握相应的系统密码才能对IC卡内的数据进行不同操作（如读、写、加值、扣值等），其优缺点是显然的，优点是可对不同数据和不同的操作设置不同的密码，但安全性极易被破坏，因为密码含在软件里，容易造成系统密码泄露或遭到破解。LEGIC不同于MIFARE，它采用授权读写控制方式，即读写设备必须先获得“设备授权卡”的授权后才能读写本系统的IC卡，而卡的初始化又必须经过上级授权卡的授权，并且只可以在专用的授权设备上进行。因此该授权方式不存在密码的被破解，只要保证系统各级授权卡、管理卡和专用授权设备不被非法盗用，即可保证系统的绝对安全性。

*  MIFARE读写模块与监控计算机之间采用符合单片机外部总线标准的并行标准，读写过程可由监控程序逐步控制。LEGIC模块与监控计算机之间采用串行通讯方式，读写进程由模块自动完成。两种接口方式相比、LEGIC更便于集成，而MIFARE则可提供更为灵活的控制方式。在抗干扰性能方面，并行总线接口方式的抗干扰性较差，而且受干扰后不易校验，相对来说串行接口方式抗干扰性较好，而且受干扰后的数据可校验出来。在此，还特别值得指出的是，由于MIFARE采用外部总线接口，读写数据和系统密码都是通过总线传递的，这也埋下了系统安全性的隐患。

*  在防冲撞功能上，MIFARE允许多卡同时进入读写范围，再由读写设备逐一处理，如用在公交收费上，这一功能的设置似乎在客流量大时可加快读卡检票的速度，但容易造成漏读卡的情况，驾驶员或监票员也不易监管，极易造成纷争。LEGIC采用同一时间内只能读写一张卡的防冲撞模式，经实践证明该模式非但保证了卡读写的可靠性，不易造成混乱，而且这种单卡操作方式完全适应公交营运的速度要求。

*  在卡的制作上，LEGIC技术采用平面天线技术，制卡工艺简单，容易国产化，成品卡不怕弯曲，适应性强，价格低。而MIFARE技术用一束束的细铜丝做天线，成品卡过份弯曲和经常摇折会折断，使卡损坏，故适应性差。而且制作工艺复杂，难以国产化，价格高。

    此外，在读写模块的外型尺寸上LEGIC读写模块小于MIFARE的读写模块，并且LEGIC模块采用+5V单电源供电，MIFARE模块采用+5V和+12V双电源供电，因此LEGIC技术比MIFARE技术更利于设备的小型化。

3．LEGIC安全性综述

     综上所述，LEGIC非接触式IC卡系统为用户提供了一套完整的安全体系，所有存取控制包括非接触式IC卡的读写权限的核准，都由读写模块中的固化程序完成，不受应用软件的控制，应用程序中就无须保存系统的读写密码，因此即使破解应用程序也不会破坏系统的安全性。此外，由于模块的授权和卡的初始化均由授权卡来控制，因此即使获知系统的授权密码，而没有相应的授权卡，也无法读写该系统的卡或制造伪卡。

    因此，本公司拆巨资（近百万美元）从瑞士KABA公司购买了LEGIC非接触式IC卡唯一在中国的制造和销售权。

四、非接触式IC卡的一些关键技术

    非接触式IC卡的工作特点，反映在设计与制造过程中存在的一些技术难点，主要集中表现在芯片的制造和卡片的封装方面。目前，深圳市清华茂物信息技术公司已可大规模、高品质地进行LEGIC卡片制作。

1．射频技术

   非接触式IC卡是当今世界先进的射频技术和IC卡技术相结合的产物，对射频卡的设计主要需解决：

*无源设计，需由读写器向射频卡发一组固定频率的电磁波，通过卡内电路产生芯片工作所需直流电压；
*卡内需有经特殊设计的天线，并埋装在卡内；
*必须保证有良好的抗干扰性能，而且还要设有“防冲突”电路。

2．低功耗技术
  
   无论是按有源方式还是按无源方式设计的非接触式IC卡，一个最基本的要求都需要降低功耗，以提高卡片的寿命和扩大应用场合，可以说降低功耗，同保证一定的距离是同等的重要。因此卡内芯片一般都采用非常苛刻的低功耗工艺和有关技术，如电路设计中采用“休眠模式”技术进行设计制造。

3．封装技术

   由于非接触式IC卡中需要埋装天线、芯片和其他特殊部件，为确保卡片的大小、厚度、柔韧性和高温高压工艺中芯片电路的安全性，需要特殊的封装技术和专门设备。

4．安全技术

   除了卡的通讯安全技术外，还要以卡用芯片的物理安全技术和卡片制造的安全技术这二个方面再和前者构成其强大的安全体系。

五、非接触式IC卡的种类

    可以说种类繁多，如按卡内集成电路的不同可分为：
*存贮器卡卡中集成电路具有加密逻辑和电可擦除的可编程只读存贮器EEPROM。
*CPU卡卡中的芯片电路包括MPU（中央处理器）、EEPROM、RAM、ROM等，片内操作系统COS装在ROM中，有的卡内芯片还集成有协处理器CAU，以提高安全性和工作速度。
*低频卡卡与读写器间通信使用的频段为低频段，如125KHZ。
*高频卡卡与读写器间通信使用的频段为高频段，如13.56MHZ、2.45GHZ等
如按工作距离的不同可分为：
*近距离卡卡与读写器之间的有效作用距离为几十厘米。
*远距离卡卡与读写器之间的有效作用距离为几米到几十米。
如按卡内芯片供电方式的不同可分为：
*有源卡卡内带电池。
*无源卡卡内无电池，工作时由读写设备通过无线方式供电。

六、非接触式IC卡的应用
   
    正是由于非接触式IC卡的上述特点，使它在某些领域具有接触式IC卡无法比拟的优越性，被广泛应用于电子钱包、铁路、地铁、公交、轮渡、高速公路、一般路桥收费、食堂售饭收费、门禁系统、考勤系统、身份证等领域。特别是在地铁、公交、路桥、轮渡等收费应用中，近期将占到整个卡应用的50%以上。