智能化风暴-一卡通技术IC卡概述及分类

文章出处：http://www.nexussmartsolutions.com 作者：   人气： 发表时间：2011年09月17日

IC卡概述及分类 
1、IC卡定义 
IC卡是集成电路卡（Integrated Circuit Card）的简称，是镶嵌集成电路芯片的塑料卡片，其外形和尺寸都遵循国际标准（ISO）。芯片一般采用不易挥发性的存储器（ROM、EEPROM）、保护逻辑电路、甚至带微处理器CPU。带有CPU的IC卡才是真正的智能卡。 
2、IC卡的分类 
按照嵌入集成电路芯片的形式和芯片类型的不同IC卡大致可分为： 
非加密存储器卡：卡内的集成电路芯片主要是EEPROM，具有数据存储功能，不具有数据处理功能和硬件加密功能。 
逻辑加密存储器卡：在非加密存储器卡的基础上增加了加密逻辑电路，加密逻辑电路通过校验密码方式来保护卡内的数据对于外部访问是否开放，但只是低层次的安全保护，无法防范恶意性的攻击。 
CPU卡：也称智能卡，卡内的集成电路中带有微处理器CPU、存储单元（包括随机存储器RAM、程序存储器ROM（FLASH）、用户数据存储器EEPROM）以及芯片操作系统COS。装有COS的CPU卡相当于一台微型计算机，不仅具有数据存储功能，同时具有命令处理和数据安全保护等功能。 
第二节  IC卡国际标准 
1. 非接触ic卡简介 
目前世界范围内采用的是都是荷兰飞利浦公司mifare-i ic卡，是非接触式ic卡，又称射频卡，是世界最近几年ic卡行业发展的主要趋势，该技术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项重要突破。 
2. 非接触ic卡性能 
1) 可靠性高：非接触式ic卡与读写器之间不存在机械性接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障，例如，由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰尘或油污导致接触不良等原因造成的故障。此外，非接触式卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落，静电击穿、弯曲损坏等问题，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：由于非接触通讯，读写器在一定距离范围内就可以对卡片操作，所以不必插拔卡，非常方便用户使用。非接触式卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向扫过读写器表面，即可完成操作，这大大提高了每次使用的速度。 
3) 防冲突：非接触式卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此，读写器可以同时处理多张非接触式ic卡，这提高了应用的并行性，提高了系统工作速度。 
4) 多用性：非接触式卡存储结构特点使它一卡多用，能应用于不同的系统，用户可根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。 
5) 加密性能好：非接触式卡与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证ic卡的合法性，同时ic卡也检验读写器的合法性。非接触式卡在处理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，卡中多扇区都有自己的操作密码和访问条件。 
3. 非接触ic读写器结构 
图10-2 ic卡读卡器结构 
4. 读写器的主要技术指标： 
1) 射频载设频率：13.56mhz 
2) 射频卡读写操作有效范围：100mm 
3) 通讯接口：标准485接口/标准232接口 
4) 访问射频卡通讯速率：106k bit/s 
5) 输入/输出装置：读写器有扩展总线接口，适用于各种用户的功能开发和扩展，可对多张卡进行操作 
6) 安全性：三次相互认证（iso/iec dis9798-2）通讯过程中所有数据均加密,以防止信号截取传输密码，写保护 
7) 抗干扰性：对某张卡片进行处理时，其它卡可进入或离开射频区域 
8) 典型处理时间： 
 识别一张卡8ms(包括复位应答和防冲突) 
 读一个块2.5ms(不包括认证过程)、 4.5ms(包括认证过程) 
 写一个块+读控制12ms 
 典型交易过程＜100ms 
9) 高温卡工作温度：-15℃～+110℃ 
10) 环境湿度：10%～90% 
11) 卡片处息容量：8k bit 
5. 工作原理 
卡片的电气是部分由天线和控制部分cpu组成（用pvc封装），如下图。卡片的天线是只有几组绕线的线圈封装在卡片中，卡片内有一个高速（106kb波特率）的接口，16个控制单元读写器向卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个lc串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，lc谐振电路产生共振，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电容内储存，当所积累的电荷达到一定电压时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。 
图10-3 ic卡与读卡器 
6. 读写器与非接触式ic卡的通讯 
1) 复位应答：射频卡的通讯协议和通讯波特率是定义好的，通过这两项内容，读写器和卡片互相验证，当某张卡片进入读写器的操作范围时，读写器的特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否为合法射频卡，即验证卡片的卡型、类别。 
2) 防冲突闭合机制：当有多张卡片在读写器的操作范围内时，防冲突闭合电路首先把众多卡片中选择其中一张作为下一步处理的对象，而未选中的卡片则处于空闭模式，等待下一次被选择，该过程返回一个被选中的序列号。 
3) 选择卡片：选择被选中卡的序号，并同时返回卡的容量代码。 
4) 三次互相确认：选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次互相认证之后，就可以通过加密进行任何通讯（在选择下一个扇区时，则必须进行新扇区的密码校验）。 
5) 读写：确认之后，就可以执行下列操作：读一个块；写一个块；块中的内容作减法之后，结果存在数据寄存器中，块中的内容作加法之后，结果存在数据寄存器中；将数据寄存器中的内容写入块中；将块中的内容读到数据寄存器中；将卡置于暂停工作状态。 
7. ic卡发卡管理子系统 
首先根据住宅小区的管理制度，拍摄最具代表研究院形象的图片为背景，把ic卡卡号、徽标等资料统一精美地印刷在ic卡的正面，同时将ic卡使用注意事项印在背面。 

em id卡，主要是采用瑞士em或台湾gk公司的4100、4102系列ic芯片 + 线圈 + 卡基封装而成。 
（1）4001感应式id厚卡：台湾4001 cob  
特征：普通型感应卡，厚薄适中，带有id号码，可放入钱包内携带，另有一个便携孔。是目前最经济 的射频ic卡片。 
芯片： 台湾4001 cob  
工作频率：125khz  
感应距离：2-20cm  
尺寸： 85.5x54x1.8mm  
封装工艺：手工粘贴 
号码：连号喷码 
典型应用：巡更系统、考勤系统、门禁系统、企业一卡通系统等射频识别领域  
（2）em 4100/4102感应式id标准卡：swatch group em4102 wafer （厚薄卡、厚薄卡） 
特征：普通型感应卡，薄卡，带有id号码，可放入钱包内携带可直接打印照片。 
芯片： swatch group em4102 wafer  
工作频率：125khz  
感应距离：2-20cm  
尺寸： 85.5x54x0.82mm 
封装材料：pvc、abs 
典型应用：巡更系统、考勤系统、门禁系统、企业一卡通系统等射频识别领域  
（3）swatch group em4102 wafer（异形卡） 
芯片： swatch group em4102 wafer  
工作频率：125khz  
感应距离：6-8cm  
尺寸： 34x24x3mm(a型) 34x24x3mm(b型) 40x30x4mm(c型) 50x32x4mm(d型) 48x40x7mm(e型)  
典型应用：巡更系统、考勤系统、门禁系统、企业一卡通系统等射频识别领域  
（4）8803感应式id厚卡 
芯片：台湾8803 wafer 
工作频率：125khz 
感应距离：2-20cm 
尺寸：85.5x54x1.05mm 
封装材料：pvc  
封装工艺：手工层压 

典型应用：考勤系统、门禁系统、企业一卡通系统等  
（5）µem rf/id chip 
h4102/p4150 c4083/p4069 v4222… 
（6）µem smart card chip 
gold-96 


tm (touch memory) 卡是美国dallas公司的专利产品，它采用单线协议通讯，通过瞬间碰触完成数据读写，既具有非接触式ic卡的易操作性，又具有接触式ic卡的廉价性，是当前性价比最优秀的ic卡之一。 
1、tm卡的基本原理  
tm卡外形类似于一个钮扣（button）电池，可镶嵌于卡片、钥匙扣等物体上。 
tm卡通过一个多功能器来实现将数据线、地址线、控制线和电源线减为一根线，实现单线通讯。当主机加电时，tm卡通过500,000ω和50ω阻抗之间的切换来响应主机，用信号被拉低的时长（长或短）来表示数字逻辑（长为1，短为0），由于阻换切换的幅度为10,000比1，因此，触点的接触电阻不会影响数字信号的辨识。 
2、tm卡的种类  
表1中列出了常用tm卡的主要种类及其特性参数。表1 tm卡一览表 
型号part no 说明description 登记号registration 
ds1990af3/f5 碰触式序号 8+48+8位 
ds1991l f5 多组碰触式钥匙3个加密区 8+48+8 位 
ds1992l f5 碰触式存储器 8+48+8 位 
ds1993l f5 碰触式存储器 8+48+8 位 
ds1994l f5 带时钟的碰触式存储器 8+48+8 位 
ds1995l f5 碰触式存储器 8+48+8 位 
ds1996l f5 碰触式存储器 8+48+8 位 
型号part no 组态organization 高速暂存scratchpad 族性码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 
从表中可以看出，除了ds1990a以外，其余tm卡都具有ram存储器，为了保持ram中的内容不丢失，卡中要安置长寿锂电池。 
另外，根据tm卡存储器的加密性，tm卡可分为加密tm卡和非加密tm卡。绝大部分tm卡都是非加密的，只有ds1991是加密的，并分为三个独立的加密区，每个加密区都有独立口令，因此，可以作为三个独立的用途。考虑到tm卡的特点，tm卡的加密方式与接触式加密ic卡不同，后者密码位数小，并有误码计算功能，前者密码多达64位，不设误码计数，如果因某种原因忘记密码，可按卡重新初始化后使用，但卡中原有信息将被自动擦除。 

智能卡是智能卡技术的核心，它的性能和成本对智能卡技术的推广和使用起着举足轻重的作用，为了提高智能卡的标准化和通用性，国际标准化组织对智能卡的接口和通讯协议作了详细规定，生产智能卡的厂家有siemens，atmel，gemplus，motorola，microchip等公司。 
智能卡属于半导体卡。半导体卡片采用微电子技术进行信息的存储、处理。按照其组成结构，智能卡可以分为一般存储卡、加密存储卡、cpu卡和超级智能卡： 
非加密存储器卡（memory card）  
其内嵌芯片相当于普通串行e2prom存储器，有些芯片还增加了特定区域的写保护功能，这类卡信息存储方便，使用简单，价格便宜，很多场合可替代磁卡，但由于其本身不具备信息保密功能，因此，只能用于保密性要求不高的应用场合。 
加密存储器卡（security card）  
加密存储器卡内嵌芯片在存储区外增加了控制逻辑，在访问存储区之前需要核对密码，只有密码正确，才能进行存取操作，这类信息保密性较好，使用与普通存储器卡相类似。 
cpu卡（smart card）  
cpu卡内嵌芯片相当于一个特殊类型的单片机，内部除了带有控制器，存储器，时序控制逻辑等外，还带有算法单元和操作系统，由于cpu卡有存储容量大，处理能力强，信息存储安全等特性。因此，广泛用于信息安全性要求特别高的场合。 
超级智能卡  
在卡上具有mpu和存储器并装有健盘、液晶显示器和电源，有的卡上还具有指纹识别装置等。 
按照数据读写方式，智能卡又可分为接触式ic卡和非接触式ic卡两类： 
接触式ic卡  
前者由读写设备的触点和卡片上的触点相接触，进行数据读写；国际标准iso7816系列对此类ic卡进行了规定。 
非接触式ic卡  
后者则与读写设备无电路接触，由非接触式的读写技术进行读写（例如，光或无线电技术）。其内嵌芯片除了存储单元。控制逻辑外，增加了射频收发电路。这类卡一般用在存取频繁，可靠性要求特别高的场合。国际标准iso10536系列阐述了对非接触式ic卡的有关规定。 
按照数据交换格式分类，智能卡可以分为串行和并行两种： 
串行ic卡  
智能卡和外界进行数据交换时，数据流按照串行方式输入输出。当前应用中大多数ic卡都属于串行ic卡类，串行ic卡接口简单，使用方便，国际标准化组织为之专门开发了相关标准。 
并行ic卡  
与串行ic卡相反，并行ic卡的数据交换以并行方式进行，由此可以带来两方面的好处，一是数据交换速度提高，二是在现有技术条件下存储容量可以显著增加。有关厂商再者方面作出了探索，并有产品投入使用，但由于没有形成相应的国际标准，大规模应用方面还存在一些问题。 
此外，有关厂商还设计制造了各种适合实际用途的智能卡，例如： 
预付费卡（prepayment card）  
预付费卡在出厂后，初始化前的特性与加密存储器卡相类似，只是容量较小，一旦经用户初始化后，其信息的读取与普通存储卡类似，其内嵌芯片相当于一个计数器，只是该计数器只能作减法，不能作加法，当计数为零时，芯片便作废，因此，是一次性的。这样卡是专门为预付费用途设计的。 
混合卡  
混合卡也存在多种形式，将ic芯片和磁卡同做在一张卡片上，将接触式和非接触式融为一体，一般都称为“混合卡”。 
另外，在1981年由美国一家公司提出光卡概念，从而丰富了卡片式数据存储方式。光卡（optical card）由半导体激光材料组成的，能够储存记录并再生大量信息。光卡纪录格式目前形成了两种格式：canon型和delta型。这两种形式均已被国际标准化组织接收为国际标准。光卡具有体积小，便于随身携带，数据安全可靠，容量大，抗干扰性强，不易更改，保密性好和相对价格便宜等优点。 
智能卡有些已作为标准产品提供，在以后章节中将详细介绍，有些需要用户定制，本书只作纲领性介绍。除此之外，一些公司正计划采用闪烁存储器（flash memory）技术制造智能卡，以进一步扩大容量，提高速度，降低成本和功耗，这将是智能卡技术的又一飞越。预计，随着新技术和新工艺的不断发展、进步，今后还会不断出现新的卡型。