“一卡通”的技术与应用

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

随着微电子技术的不断发展，特别是1μm以下的存储器芯片制造工艺的突破和成熟，使得整个IC卡技术呈现出越来越强大的生命力。 
1.1 简单、稳定的读写性能 
对于磁卡、条形卡、光卡来说，其信息在介质中的分布是平面型的。因此，以读写卡上信息时，卡机中的磁头和光电头都必须相对卡片进行往复运动。满足这一传动要求的机械结构无疑比较复杂，因而大大增加了卡机的故障率。另外，由于磁卡、条形卡或光卡并不是直接进行数据存取，而是需要通过磁电变换或光电变换，将磁信号或光信号转换成逻辑电平信号。因此信号转换部分将进一步增加了卡机电气部分的复杂性。 对于IC卡来说，其信息卡来说，其信息存储是基于半导体电路。信息在介质中的分布可理解为立体型的。使用中卡机与卡片直接接触，并保持两者相对静止，因而无需复杂的机械传动结构。另一方面IC卡片与卡机之间直接进行逻辑电平信号通信，无需进行信号类型变换。这使得卡机的机械结构和电路组成相对其他卡种的卡机大为简化，这将直接使机器成本下降，维护费用减少，机具的使用更加稳定可靠。 
1.2 数据存储的稳定性 
一般磁卡的信号存储时间约为1～2年，并需要不断重复刷新，以保持数据不会衰变。卡片的读写次数也限于数千次之内，更多的使用将不能保证数据的稳定性和可靠性。 目前用于IC卡的半导体存储器能够保证数据的保持时间在10年以上，甚至能达到100年之久。这使得卡片能在脱网的情况下使用，也能保证数据的真实性和可靠性。同时也减少了担心数据可能变化或丢失而进行刷新和备份工作。 另一方面，IC卡的存储单元可重复擦出写入次数一般达1万次，甚至达10万次以上。这不仅直接增加了卡片的重复使用能力，而且大大减少像磁卡那样的多次发卡所带来的发行成本。 
1.3 大容量的数据存储能力 
磁卡的数据能力一般最多只有300多位(光卡虽然存储量可以很大，但由于是只读型，因而其应用受到限制)。然而，目前的商品IC卡的存储容量：存储卡，可达4M位，逻辑加密卡，可达16M位，而对于带CPU型的智能卡，存储容量已达64K字节，且可以肯定，随着半导体技术的发展，其容量每年还将成位增长。这不仅使IC卡能够应用于存储照片、指纹、声波、视网纹等一些需要大容量信息的生物特征识别项目之中，还为“一卡多用”提供了更大的扩展余地。 
1.4 多种加密技术措施 
尽管磁卡、条码卡或光卡上的信息需要进行一定的转换才能识别，但它们面对复制伪造和恶意篡改的攻击却缺乏足够的抵御能力。 对于IC卡，可以采用多种加密技术措施： (1)硬件逻辑加密方式：即采用不可读取的半导体密码存储，使得密码比较操作只能在芯片内部自行完成。 (2)一般的软件逻辑加密方式：即采用特征字混合编码或采用明码加检测字校验的处理方法或直接采用密文编码，都可以比较方便地使卡片中存储的信息达到较好的加密性能。 (3)严密的软件加密方式：通过选择带CPU的智能型IC卡，利用卡片内CPU的运算能力和监控程序，将国际通用的各种加密算法(如DES、RSA等)应用于卡片的加密处理，使IC卡的安全性能达到相当高的水平。 
1.5 智能化的处理和鉴别能力 
光论是磁卡、光卡还是条码卡，都是无智能的被动操作方式的。而智能型IC卡，不仅能够主动向接口设备发出命令请求，鉴别接口设备的合法性，以及区分接口设备的功能和权限，而且具有自行运算和处理能力。 
1.6 各种兼容功能 
由于IC卡本身的基片外形是符合国际标准ID－1型尺寸，且卡基材料于磁卡一样，因此，在IC卡基片上附加上磁卡或增印条码，就可以满足磁卡应用和条码卡应用。 
1.7 良好的综合成本效益 
目前，IC卡的平均单片成本比磁卡约贵3～5倍。但全面分析IC卡系统的综合成本效益，不难看出其具有较强的竞争能力，这主要表现在： 
(1)接口设备简单，成本低廉(一般比磁卡设备的成本低50％)。同时，接口设备的维护和维修费用相应降低。 
(2)系统不需要庞大的实时网络作为支撑。不仅减少了用于网络设备和工程的投资，同时也减少了系统运行的维护费用和通信业务费用。 
(3)良好的系统安全性，减少了由于伪造和欺诈所造成的业务损失。 
(4)“一卡多用”减少了多部门发卡的发行成本，提高了卡片的应用效率。 
(5)稳定而长久的数据存储时间和反复多次的擦除/写入次数，增加了卡片的复用能力。
(6)卡片使用持久，减少多次发卡的发行成本和管理费用。 综上所述，IC卡这种新生产品与其他卡基产品相比，具有无可质疑的技术优势。随着技术的发展，这种优势还将进一步发展和扩大。因此在今后卡基产品应用中，用IC卡取代其他卡已成为今后发展的主要特点和必然趋势。 
2　IC卡应用系统中的硬件选择 
作为应用系统的硬件设备选择，要根据实际工程需要以及实施主体的经济能力来考虑其系统硬件配置。这主要涉及：
IC卡片的选择与数据结构设计；
IC卡读写机具的选择与设计；
系统数据的传输方式与网络结构的选择等。 
2.1 IC卡品种的选择 
对IC卡品种的选择主要需要考虑以下几个方面：
卡片类型、
存储模式、
存储容量、
安全性要求、
综合价格因素等。 
2.1.1 卡型的选择 
卡型的选择主要依据IC卡的使用环境要求和操作方式要求来选择。 
带接触电极的接触型IC卡和无接触电极的非接触型IC卡是两类主要的卡型。
对于要求快速通过和环境恶劣(如多尘、雨水、黑暗等等)的情况，一般可选择非接触型IC卡。如共公汽车收费、交通路桥收费、自动通行门禁控制等等。 
目前非接触型IC卡的有效距离；读数据可达1000mm。写数据距离一般为100～200mm。比较典型的是射频卡(RF Card)。它是一种无源的IC卡，其外形大小与接触型IC卡一样。
它是利用射频方式与接口设备进行通信。其有效距离与接口设备的接收/发送天线有关。
基本对应关系是作用距离与天线的面积成正比。 
非接触型IC卡的产品品种并不很多，表1是几种非接触型IC卡的一些性能。 
非接触型IC卡的平均交易时间约为0.2～0.6s。
值得注意的是：
非接触型IC卡所使用的频率目前国内外尚缺乏明确的标准规定，因而选择使用时必须注意标准发布动态。另外在使用中需要避免强磁场、强电场和其他高频发射源等外在设备对非接触型IC卡的干扰。同时也需要注意安装IC卡设备是否会对应用环境带来射频污染。由于非接触型IC卡芯片制造的专利和技术复杂等原因，目前世界上只有少数几家公司能够设计和生产。与IC卡片配套使用的发射/接收转换器(相当于读/写装置)也直接受专利保护。因此产品及系统配套设备的选择受到了相当的限制。由于相具和卡片大部分要依赖进口，因而价格也偏高。一个前端发射/接收转换器在约400～600美元，而一片非接触型IC卡的价格约为4～7美元一个非接触型IC卡读写装置约400～900美元。 
接触型IC卡的特点是 品种多，可选范围大，卡片和卡机的价格都大大低于非接触型的卡片和卡机的价格。 另外，接触型IC卡使用中无辐射干扰问题，安全保密性较好。因此，接触型IC卡的使用占用目前IC卡的应用的绝大多数。可以断言，出于对安全保密的要求以及净化经电磁环境的考虑，即令是非接触型IC卡，由于使用上的方便，也日益扩大其应用范围，但接触型IC卡从应用面和发行总量上看还处于主导地位。随着IC卡技术的发展，目前也有集非接触型和接触型IC卡芯片于一体的两用卡，它可以满足两种应用条件的要求，在专用的卡机上，可以完成卡内两种芯片的数据通信，也可实现用不同的方式完成数据上传、下载或转移。这种新型的多用卡单片成本还比较高，其配套的卡机价格也比较贵。 
2.1.2 IC卡数据存储与处理模式的选择 
计数型IC卡：优点在于卡片成本相对于其他类型的IC卡而言其价格较低，而且这种对卡机的要求较低。适合于一次性消费，还可利用卡片表面的精美印刷和广告宣传来提高卡片本身的收藏价值和其他附加价值，从而可尽一步减少IC卡和系统的成本，节约投资。 
存储卡或逻辑加密存储卡：适用于累计文档记录或需要大范围印刷修改的应用。特别是：品种多，易于选择到性能价格比高的卡片，控制操作简单，对卡机的要求和开发系统的要求较低。可多次重复使用。 
带CPU的IC卡：适用于多级文件管理或高保密度要求的应用。
2.1.3 IC卡容量的选择 
较常用的带CPU型IC卡的存储器容量为： 
ROM存储器的容量一般在4k～16k字节间； 
RAM存储器的容量一般在128～512个字节之间；
EEPROM存储器的容量一般在1k～8k字节之间。 
一般来说EEPROM存储器的容量的大小变化对卡片价格高低的影响较大。 
另外应该注意的是：在选择卡片存储容量时，要尽可能对所需要存储的信息进行优化筛选，采用各种编码方式或代码压缩技术来处理卡上记录。这既可节省卡片的存储空间，又可以增加卡片内容的保密性，从而使芯片的性能价格比更高。 
2.1.4　IC卡的安全性要求和选择 
如果存储在IC卡芯片中的数据或文档资料属于公开性的应用，不必提心他人的篡改或复制，一般选用存储卡。这不仅因为价格便宜，而且卡片容量从1k～4MB字位的各种容量规格品种一应俱全。另外操作简单，使系统的要求也相应降低。
如果IC卡内存储的信息非常重要，需要进行人身识别，而且还需要识别读写接口的合法性，不仅对卡片内部的文件和记录需要进行分区分层的控制管理，还要对各分区或各应用层的文件进行各种访问和操作的授权的密码控制等等，则应选择带CPU型的IC卡。 
2.1.5 卡片价格的综合因素 
从整体上来看，影响IC卡价格的主要因素有以下几个方面： 
(1)1μm以下的大工业半导体制造工艺技术的突破和稳定生产能力的发展。
(2)实际IC卡芯片应用市场的需求对生产规模的限制。 
(3)法国Innovatron集团的专利费用。 
目前存储型IC卡的价格约0.8～1.6美元左右。逻辑加密型计数卡的价格约0.6～0.9美元，逻辑加密型存储卡的价格约1.0～2.5美元，带CPU型的IC卡的价格约3.5～8.0美元，非接触型IC卡的单片价格约4.5～6.5美元。 
实际应用中，影响IC卡价格的因素还包括：卡片种类、卡片容量、订货数量、交货时间、表面印刷要求及运输费用。
2.2 IC卡读写机具的选择 
IC卡的读写机具从总体来说可分为两大类：
专用型IC卡读写机具和通用性IC卡读写机具。 
专用型IC卡读写机具：针对某种具体应用，本身具有完成IC卡和应用系统间数据读写交换、计算指示、交易计算、操作控制执行机构等方面完整功能的IC卡机具成为专用IC卡读写机具或专用终端设备。
通用性IC卡读写相具：
一般具有完成与IC卡之间的数据读写交换功能。它不仅限于某种具体应用领域，通常设计成标准计算机外设的形式，即采用符合计算机工业标准的RS－2320接口为其通信输入输出通道或采用AT－BUS(插板)结构为数据的输入输出接口。这类IC卡读写机具有一般直接与微机相连接，构成以微机为控制中心IC卡应用系统。 
通用性IC卡读写机具中，根据安装方法的不同又可分为两种形式：
内置式和外置式。 
(1)内置式：
利用微机的RS－2320接口与机具主板连接来完成数据交换的。机具的外形结构常常设计成标准3″软盘驱动器的外形结构，并利用微机机箱上的外设位置安装在机箱的前方面板上。机具采用微机的机内电源。机具以串行方式与微机通信。 
(2)外置式：
利用微机机箱背后的RS－2320接口与机具连接。读写机独立的摆放在微机机箱外的桌面或机箱上。这种机具一般采用单独专用的交流电源或直流电源供电。 通用性IC卡读写机具的优点是结构简单、价格低廉、适用面广。他依托微机的强大功能组成各种实际的应用系统或与网络系统配合，已完成前端的数据采集和数据交换。 对于读写机具的选择，主要是根据实际应用的要求，确定机具的输入和输出功能。其中最主要的部分包括：键盘功能、显示功能、插卡的卡座形式、数据传送和通信方式以及其它的辅助功能(打印输出、报警输出等)。 对于选择卡片的另一个重要条件是，卡机能够识别使用的IC卡种类。目前，大多数厂家生产的机具都只能支持读写一种或某个系统的IC卡片。这是主要障碍，因此，在选择机具时，一定要注意与所选用的IC卡相配套。 
2.3 IC卡卡座形式的选择 
在机具的设计和实际应用操作要求等方面对卡座的选择主要应考虑如下几个因素： 
(1)根据卡机的外形限制和电器性能要求，选择卡座的外形的使用寿命次数。 
(2)根据机具有使用中插拔IC卡的使用频度，选择卡座的使用寿命次数。 
(3)考虑卡座在操作过程中对卡片磨损所引起的卡片性能和外观的影响程度，选择卡座的触头形式。 
(4)考虑应用系统中持卡人操作行为(服务员操作或持卡人自行操作)对系统安全可能造成的影响，选择是否需要自动弹出控制或其他辅助操作功能。 
(5)考虑卡片到位信号位“常开型”还是“常闭型”，以便更好地配合机具的电路设计和数据的采集与控制。 
世界各大接插件生产厂家相继开发出多种适合多种用途的IC卡座系列的产品。一般可按接触结构形式、IC卡的进出操作方式、卡座电极引线方式和IC卡的到位检测方式来分类。 
(1)接触点结构分类：滑动触点方式、滚动接触方式、探针接触方式、下压接触方式。 
(2)按卡片进出操作方式分类：插—拔式、插入—推入弹出式、推入—电动控制弹出式。 
(3)按卡座的电极引线方式、电缆引出方式和PCB直插装焊方式分类。 
(4)按卡座的“卡到位”检测方式分为常开式和常闭式。 
2.4 网络接口的选择 
这里的网络结构指IC卡读写机具本身支持的网络连接功能。
在实际应用系统中，IC卡终端设备之间的数据汇总和数据传送也常采用网络通信方式。在许多专用IC卡读写机具中本身就安装了网络接口。综合各种机具的设计和实际系统使用的情况，目前IC卡读写机具本身具有网络接口一般为RS－232接口或标准RS－485接口，可支持构成小范围总线结构或星行结构的局域网络。 对于具有准RS－232接口或标准RS－232接口的IC卡读写机具与微机一起通过一块多用户接口控制扩展板，在多用户软件的支持下，可以构成一个小范围的星行结构的网络系统。供微机使用的多用户控制扩展板，一般具有八路或十六路串口扩展能力。在实际的通信过程中，星形结构实现了点对点的通信连接。通信距离是RS－232接口存在的一个问题。目前可采用的解决方案是直接加结长线驱动器来增加接口的驱动能力。 对于具有标准RS－485接口的IC卡读写机与微机一起通过一块RS－485专用控制扩展板，在相应驱动软件的支持下，就可以构成一个总线结构的网络系统。供微机使用的RS－485控制板一般具有单口或双口的接口。每一个单口可以挂结32个终端。如果是双口输出，则可带两个总线，即总共可以挂接64个终端。在总线方式中，各终端设备都是并联挂接在总线上，因此在信息传送时，呈广播方式。即当一个设备向总线上发送信息时，所有总线上的设备均有机会得到信息。但真正得到信息的设备只能是设备地址码与被传送的信息所指定的地址相吻合的那台设备。用RS－485控制板的直接驱动距离一般可达1.2km。 综上所述，想使“一卡通”系统达到最佳的使用效果，就要选用相应的IC卡类型、读写机具、卡座等。更重要的组建一个通畅可靠的通信网络，其根本是选用什么标准的通信媒质。 
3　结束语 
智能化的IC卡是当今世界日新月异发展的信息化社会中一颗耀眼的新星，它是对市场、商品、货币及交易方式的变革，它将影响和改变人们的传统观念和消费习惯。今后我们用一张经过授的智能卡便可享受车辆进出、停车管理、门禁管理、娱乐消费等物业服务和安全保障，从而提高了物业管理的水平，营造出一个充满和谐有序、安详的智能化氛围。未来将是“一卡在手，走遍天下”。