非接触式IC卡(射频卡)详细说明及与其他卡类比较

　　摘要
本文从与磁卡和接触式IC卡的比较角度，重点介绍了非接触式IC卡（又称射频卡）技术，是近年来世界上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）问题、由于机械接触，低功耗和免接触的问题克服了接触式IC卡的存在，由于接触而容易造成磨损和各种故障。此外，非接触式IC卡的防监控和解密性能也超过了一般IC卡。无论是非接触式IC卡本身，还是非接触式IC卡读写设备（无卡座、全密封），它们都是防水、防油、防污染、防腐、防扭曲和防静电（包括静电击穿和静电损坏卡中的数据），具有高安全性、高可靠性、高速度、高适用性等性能，是现代电子技术领域的一大突破。
IC(集成电路)卡于1974年在法国诞生，当时有一张叫罗兰的卡片•莫雷诺(RolandMoreno)为了在便于携带和保存的存储媒体上存储一些个人信息，工程师提出了在塑料基板上嵌入集成电路芯片形成存储卡的想法，并制作了世界上第一张IC卡。然而，由于当时集成电路技术水平有限，市场没有形成迫切需求，这一想法没有立即实施。后来，随着集成电路技术的发展，芯片的集成、容量和安全性大大提高，特别是EEPROM技术的成熟，使IC卡的生产和应用成为现实。目前，以欧洲为中心的IC卡市场已发展成为全球市场。

　　IC卡的类型
IC卡由一个或多个集成电路芯片组成，并包装成人携带的卡片。根据内部包装的芯片类型和功能，IC卡可分为存储卡(Memorycard)和智能卡(smartcard)，存储卡和智能卡的区别在于存储卡芯片中不含微处理器(cpu)，只有存储数据信息的功能。存储卡分为非加密存储卡(一般存储卡)和加密存储卡(以下简称逻辑加密卡)。加密卡拥有内部建设相互认证的安全模块，是银行金融应用中安全与成本的完美结合。智能卡又称CPU卡、电脑卡、智能卡、智能卡，不仅具有与存储卡相同的数据存储功能，还具有与微机相同的逻辑处理、逻辑判断I/0控制，指令执行功能。智能卡既智能又便于携带，为现代信息处理带来了新的思维和手段。根据使用方法和信息交换方法，IC卡可分为接触式IC卡和非接触式IC卡(射频卡)。接触式IC卡通过物理接触将卡插入卡座，并与外界交换信息。塑料卡外使用的集成电路芯片是一个带有电路腿的接触片，其中大部分是镀金的。非接触式IC卡通过电磁波与外界交换信息。所有带有射频收发和相关电路的芯片和环形天线都埋在塑料基板中。读写时，读写设备向射频卡发送一组具有固定频率的电磁波。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，使电容器具有电荷。在电容器的另一端，有一个单向导通的电子泵。将电容器中的电荷发送到另一个电容器中存储。当累积电荷达到2V时，该电容器可以作为电源为其他电路提供工作电压，从而发射卡内数据或接收读写设备的数据。
IC卡主要有四类：1)存储卡；2)加密存储卡；3)CPU卡;4)射频卡。其读写属性、安全性、容量、成本和使用方便性如表1所示。

　　表1四类IC卡性能比较

除上述四种卡外，还有各种特殊卡，如付费卡等。目前，光卡已经出现，其优势已经引起了广泛的关注。

　　二、接触式IC卡
目前市场上使用最多的是接触式IC卡，与磁卡相比:1)其先进的硅片生产工艺完全可以保证卡的抗磁性、抗静电性和抗各种射线能力。而且由于硅片体积小，有环氧保护，有PCB板和基板保护。因此，抗机械和化学损伤的能力也很强；2）其容量远大于磁卡，可以达到数千字节（目前已达到2M位），EEPROM可以分区，可以有不同的访问级别，为不同的信息处理和一卡多用途提供了便利；3）其加密性远低于磁卡，首先反映在芯片的结构和读取方法上，由于容量大，可以随意选择存储器的读写区域，灵活性大。即使一般的非加密存储卡采用特定的技术，也具有很强的保密性。对于加密存储卡，存储区域的访问由逻辑电路控制。只有在检查每个密码正确后，才能进行读写操作。而且密码检查次数有规定，超过限制次数，卡会被锁定；4)其相关设备的成本也高于磁卡。此外，还规定了密码检查次数。如果次数超过限制，卡将被锁定；4）其相关设备的成本也高于磁卡。因此，市场上广泛使用的磁卡有被IC卡取代的趋势。虽然接触式IC卡作为一种成熟的高科技产品，为人们的工作和生活现代化增添了光彩，但也存在一些可靠性和操作速度慢的问题，如磁卡。
1)IC卡芯片接触与读写设备插座之间存在频繁的机械接触，容易造成两者的磨损和接触读写造成的各种故障。例如，由于粗糙、倾斜或插入不到位、插入非卡外物、灰尘、氧化、脱落或油污等原因导致接触不良；
2)由于集成电路芯片一侧暴露在卡片表面，容易导致芯片脱落、静电击穿、弯曲、扭曲损坏等问题；
3)卡触点产生的静电可能会损坏卡中的数据；
4)存在因环境腐蚀和储存使用不当导致卡触点损坏导致IC卡失效的问题；
5)由于插拔卡速度慢，需要很长时间才能完成一次操作，严重影响了地铁、公交、高速公路等需要快速响应的场合的应用。

　　三、非接触式IC卡
1.概述
非接触式IC卡，又称射频卡，是近年来世界上发展起来的一项新技术。它成功地将射频识别技术与IC卡技术相结合，解决了无源（卡中无电源）和无接触的问题，是电子设备领域的一大突破。
该系统由控制器、读写器和IC卡组成。按照13.56MHz的工作频率，系统在读写器和IC卡之间双向传输数据。读写器将发送的信号通过天线加载到频率为13.56MHz的载波信号上，进入读写器工作区域的IC卡接收脉冲信号。一方面，卡芯片中的射频接口模块获得电源电压、复位信号和时钟信号；同时，卡芯片中的相关电路调整、解码和解密信号，然后判断命令请求、密码和权限，如果是读取命令，控制逻辑电路将从存储器中读取相关信息，加密、编码、调制后通过卡内天线发送给读写器，读写器将接收到的信号解调、解码、解密后发送到后台计算机。为了修改信息的编写命令，由控制逻辑引起的内部电荷泵提高工作电压，提供擦写EEPROM所需的高压，以重写EEPROM中的内容。为了修改信息的编写命令，由控制逻辑引起的内部电荷泵提高工作电压，提供擦拭EEPROM所需的高压，以重写EEPROM中的内容。如果判断相应的密码和权限不一致，则返回错误信息与接触IC卡相比，非接触（感应）IC卡具有以下优点：
* 操作方便快捷。由于使用非接触式无线通信，读写器可以在感应范围内操作卡，避免插拔卡，非常方便用户使用；此外，非接触卡在使用时既没有正面也没有负面，也没有方向和角度限制。卡片可以随意通过读写器表面，完成一次操作只需0.1秒，大大提高了每次使用的速度。
* 高抗干扰非接触IC卡具有快速的抗冲突机制，可以有效防止卡之间的数据干扰。当多张卡同时进入读写范围时，读写设备可以逐一处理。这提高了应用程序的并行性，实际上提高了系统的工作速度。
* 高可靠性非接触IC卡与读写器之间没有机械接触，从根本上消除了接触读写造成的各种故障；卡中的IC芯片和感应天线完全密封在标准PVC中，进一步提高了应用程序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固化在芯片中，不能更改；非接触式卡与读写器采用双向互认验证机制，即读写器验证IC卡的合法性，IC卡也验证读写器的合法性；非接触式IC卡在数据交换前与读写器进行三次相互认证；所有数据在通信过程中加密；此外，卡中的每个区域都有自己的操作密码和访问条件。
* 适用于各种应用非接触式IC卡的存储结构特征，可用于不同场合或系统，如企业或机构内部员工“一卡通”，可用作考勤、食堂用餐、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”此时，用户可以根据不同的应用程序设置不同的密码和访问条件。
* 适应各种要求的非接触式IC卡系统可根据不同的环境和应用对象实现不同的功能距离。如果用于高速公路或一般道路和桥梁收费，可选择0.6的功能距离m—20m系统，如用于电子钱包或公交收费，可选择距离仅几厘米的系统。系统配置相当灵活多样。

　　2.LEGIC和MIFARE技术
这两种技术是世界上两种具有代表性的感应卡技术。LEGIC是瑞士KABA公司提供的感应式IC卡读写技术，MIFARE是PHILIP公司提供的感应式IC卡读写技术。这两种技术均采用13.56MHZ的近距离非接触式IC卡通信频率标准，读写速度与读写距离相同；在通信安全方面，采用符合IS09798国际标准的三次互感验证技术，对卡和读写设备的合法性进行验证；DSA算法用于加密数据通信中的通信数据，以确保卡上的数据不被非法修改。但在安全性方面，LEGIC技术由开发公司向用户承诺，MIFARE技术由用户自行承担。
* MIFARE采用密码读写控制，即读写设备的监控程序需要掌握相应的系统密码，才能不同地操作IC卡中的数据(如读写、加值、扣值等)。).其优缺点是显而易见的。优点是可以为不同的数据和操作设置不同的密码，但安全性容易被破坏，因为密码包含在软件中，容易导致系统密码泄露或破解。与MIFARE不同，LEGIC采用授权读写控制，即读写设备必须先获得“设备授权卡”授权后，您可以阅读写本系统的IC卡，卡的初始化必须经上级授权卡授权，只能在专用授权中使用在权力设备上进行。因此，只要系统的各级授权卡、管理卡和特殊授权设备不被非法盗用，就不会破解密码。
* MIFARE读写模块与监控计算机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模块与监控计算机串行通信，读写过程由模块自动完成。LEGIC比LEGIC更容易集成，而MIFARE可以提供更灵活的控制。在抗干扰性方面，平行总线接口的抗干扰性较差，干扰后不易验证。串行接口的抗干扰性相对较好，干扰后的数据可以验证。在此，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输的，这也埋下了系统安全的隐患。
* 在防撞功能方面，MIFARE允许多卡同时进入读写范围，然后由读写设备逐一处理。如果用于公交收费，这个功能的设置似乎可以在客流量大的时候加快读卡检票的速度，但是容易造成读卡漏读，司机或者监票员不容易监管，容易引起纠纷。LEGIC采用防碰撞模式，只能同时读写一张卡。实践证明，该模式不仅保证了卡读写的可靠性，而且不易造成混乱，这种单卡操作模式完全满足了公交车运行的速度要求。
* 在制卡方面，LEGIC技术采用平面天线技术，制卡工艺简单，易于定位，成品卡不怕弯曲，适应性强，价格低。MIFARE技术使用一束细铜线作为天线，成品卡过度弯曲，经常折叠会折断，使卡损坏，适应性差。生产过程复杂，难以定位，价格高。
此外，LEGIC读写模块小于MIFARE的读写模块，LEGIC模块采用+5V单电源，MIFARE模块采用+5V和+12V双电源，因此LEGIC技术比MIFARE技术更有利于设备的小型化。

　　四、一些非接触式IC卡的关键技术

　　非接触式IC卡的工作特点反映了设计制造过程中存在的一些技术难点，主要体现在芯片制造和卡片包装上。
1.射频技术
非接触式IC卡是当今世界先进射频技术与IC卡技术相结合的产物，主要需要解决射频卡的设计：
*无源设计需要读写器向射频卡发送一组固定频率的电磁波，通过卡内电路产生芯片工作所需的直流电压；
*卡内需有专门设计的天线，并埋在卡内；
*必须保证良好的抗干扰性能，并且必须配备“防冲突”电路。

　　2.低功耗技术
无论是有源还是无源设计的非接触式IC卡，最基本的要求都需要降低功耗，以提高卡的使用寿命，扩大应用场合。可以说，降低功耗同样重要，确保一定的距离。因此，卡芯片一般采用非常苛刻的低功耗技术和相关技术，如电路设计“休眠模式”设计制造技术。

　　3.封装技术
由于非接触式IC卡需要埋设天线、芯片等特殊部件，需要特殊的包装技术和专用设备，以确保芯片电路在高温高压过程中的尺寸、厚度、灵活性和安全性。

　　4.安全技术
除卡的通信安全技术外，还应从卡芯片的物理安全技术和卡制造的安全技术两个方面与前者形成强大的安全系统。

　　5.非接触式IC卡的类型
可以说，按卡内集成电路种类繁多，可分为：
*存储卡中的集成电路具有加密逻辑和电可擦除的可编程，只读存储器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安装在ROM中，部分卡内芯片还集成了协处理器CAU，以提高安全性和工作速度。
*低频卡、卡和读写器之间的通信频段为低频段，如125KHZ。
*高频卡、卡、读写器之间的通信频段为高频段，如13.56MHZ、2.45GHZ等

　　根据工作距离的不同可分为：
*卡卡和读写器之间的近距离和有效距离是几十厘米。
*卡卡和读写器之间的有效距离是几米到几十米。

　　根据卡内芯片供电方式的不同，可分为：
*带电池的有源卡和卡。
*无源卡和卡内无电池，读写设备在工作时无线供电。

　　六、应用非接触式IC卡
正是由于非接触式IC卡的上述特点，它在某些领域具有无与伦比的优势。广泛应用于电子钱包、铁路、地铁、公交、渡轮、高速公路、一般路桥、食堂食品销售、门禁系统、考勤系统、身份证等领域。特别是在地铁、公交、路桥、渡轮等收费应用中，近期将占整张卡应用的50%以上。