非接触式IC卡技术

SmartCard非接触式IC卡技术电子与信息工程学院SmartCard提纲非接触式IC卡概述•系统构成/分类/国际标准非接触式IC卡工作原理•能量传递/信息传递/防冲突非接触式IC卡芯片技术•MIFARE1非接触式IC卡接口技术•MIFARE1SmartCard为什么要使用非接触式IC卡?在频繁操作的场合，如门禁、考勤、小额电子钱包（公交收费、食堂收费、高速公路收费、停车场收费）、身份认证等场合，接触式IC卡越来越明显的暴露出其弊端：•容易磨损•操作速度慢•使用不方便SmartCard什么是非接触式IC卡？ContactlessICC非接触式IC卡是在卡中敷设天线，利用天线的接收发射，与读写器的天线交换信号，实现一种无线通讯，非接触式IC卡又被称为射频卡（RFC——RadioFrequencyCard），简称RF卡，非接触式IC卡系统被称为射频识别系统（RFID——RadioFrequencyIdentification）。SmartCard非接触式IC卡系统构成非接触式IC卡：数据载体，应答器非接触式IC卡读写器：卡接口设备，阅读器，寻呼器非接触式IC卡读写器非接触式IC卡数据时序能量耦合元件（线圈、微波天线）SmartCard非接触式IC卡的基本构成非接触式IC卡：芯片+天线+卡基耦合元件外壳芯片SmartCardSmartCard非接触式IC卡读写器的构成高频模块（发送器和接收器）、控制单元耦合元件（天线）SmartCard非接触式IC卡的特点可靠性高、寿命长。非接触式IC卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。非接触式ID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，又提高了卡片使用的可靠性。操作快捷便利。动态处理。成本较高。SmartCard非接触式IC卡的分类按片内IC：存储卡、逻辑加密卡、CPU卡按工作距离：密耦合卡、近耦合和疏耦合卡按工作频率的高低：125kHz的低频卡（30kHz~300kHz），13.56MHz的高频或射频卡（3MHz~30MHz），915MHz、2.45GHz的超高频卡（300MHz~3GHz）、5.8GHz的微波卡（3GHz）。按卡内芯片供电方式：卡内带电池的有源卡和卡内无电池、由读写器以无线感应方式供电的无源卡按使用过程中的读写方式：只读卡（ID卡）和读写卡（带EEPROM）SmartCardEMID厚卡EMID薄卡PHILIPSMIFARE1卡TI（德州仪器）Tag-it电子标签手表卡与钥匙扣卡SmartCard特点频段工作频率数据传输速率读写距离读写区域低频125~134KHz慢适中(1m)较为均匀高频13.56MHz较快适中(1m)较为均匀超高频860~960MHz快远(10m)很难定义不同频段射频卡的特点SmartCard非接触式IC卡的国际标准标准组织阵营频段技术规范EPCglobal全球产品电子代码管理中心欧美企业沃尔玛、思科、敦豪快递、麦德龙和吉列等UHF(860-960MHz)电子产品代码(EPC)、电子标签规范和互操作性、识读器-电子标签通信协议、中间件软件系统接口等ISO/IEC国际标准组织/国际电工委员会全球非盈利工业标准组织多个频段识别卡与身份识别ISO/IEC14443自动识别ISO/IEC15693ISO/IEC18000UID泛在技术核心组织日本电子厂商、IT企业2.45GHz和13.56MHz电子标签超微芯片部分规格SmartCardIC卡读写器国际标准读写距离工作频率CICCCCDISO/IEC10536密耦合（0~1cm）0~30MHzPICCPCDISO/IEC14443近耦合（7~10cm）VICCVCDISO/IEC15693疏耦合（1m）135kHz,6.75MHz,13.56MHz,27.125MHz注释：ICC——集成电路卡CICC——Close-CoupledICC，紧密（密耦合）卡；PICC——ProximityICC，称为接近（近耦合）卡；VICC——VicinityICC，称为邻近（疏耦合）卡。CD——CouplingDevice，是读写器中发射电磁波的部分SmartCardISO/IEC14443国际标准现阶段ISO/IEC14443（草案）主要有两个体系并存：ISO/IEC14443-TypeA、ISO/IEC14443-TypeB。TypeA：以PHILIPS公司为代表，包括SIEMENS、HITACHI、GEMPLUS、G&D和Schlumberger等公司TypeB：以ST（意法半导体）、MOTOROLA、ATMEL、韩国SAMSUNG和日本的NEC等公司为代表。SmartCardISO/IEC18000国际标准18000-1：物理层18000-2：低于135KHz通信的空中接口的参数；18000-3：在13.56MHz通信的空中接口的参数；18000-4：在2.45GHz通信的空中接口的参数；18000-5：5.8GHz通信的空中接口的参数；18000-6：860-960MHz通信的空中接口的参数；18000-7：433MHz通信的空中接口的参数；SmartCard目前13.56MHz的产品主要包括：ISO14443TypeA卡——Mifare1S50卡、UltraLight卡LEGICTypeA卡、上海公交卡即华虹IC卡、复旦微电子TypeA卡ISO14443TypeB卡——ATMELRF020ISO15693（电子标签）卡——PHILIPSI-Code2、TITag-it标签I-CODE（电子标签）卡——PHILIPSI-Code、上海贝岭BL75R02SONYFelica卡——香港八达通、深圳通中国二代身份证SmartCard目前125KHz的产品主要包括：技术指标EM4100/4102标准卡4001感应式ID厚卡8803感应式ID厚卡芯片SwatchGroupEm4102Wafer台湾4001COB台湾8803Wafe工作频率125KHZ125KHZ125KHZ感应距离2-20cm2-20cm2-20cm尺寸85.5x54x0.82mm85.5x54x2mm85.5x54x1.05mm封装材料PVC、ABSPVC,ABSPVC封装工艺层压封装手工粘贴手工层压号码可选连号喷码典型应用考勤系统、门禁系统、企业一卡通系统等考勤系统、门禁系统、企业一卡通系统等考勤系统、门禁系统、企业一卡通系统等此外，还包括ATMEL的TEMIC卡系列、TI的低频标签、HITAG卡等。SmartCard非接触式IC卡工作原理要解决的三大问题：（1）非接触卡如何取得工作电压。（2）读写器与IC卡之间如何交换信息。（3）防冲突问题：多张卡同时进入读写器发射的能量区域（即发生冲突）时如何对卡逐一进行处理。SmartCard非接触式IC卡与读写器接口电路电压调节解调器读写器PCD卡PICCCLOCKVDDGND数据输出数据输入卡内嵌天线读写器天线SmartCard（1）读写器发射激励信号（一组固定频率的电磁波），数字信息调制在该射频信号上。（2）IC卡进入读写器工作区内，被读写器信号激励。在电磁波的激励下，卡内的LC串联谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，当所积累的电荷达到2V时，此电容可以作为电源为其他电路提供工作电压，供卡内集成电路工作所需。（谐振、整流、滤波、稳压）。（3）同时卡内的电路对接收到的谐振信号进行解调，还原数字信息，对信息进行分析处理，判断发自读写器的命令，如需在EEPROM中写入或修改内容，还需将2V电压提升到15V左右，以满足写入EEPROM的电压要求。（4）IC卡对读写器的命令进行处理后，发射应答信息（将应答信息调制到射频信号上）给读写器。（5）读写器接收IC卡的射频信号并进行解调还原出应答信息。SmartCard初始化与防冲突（AntiCollion）如果有2张或2张以上的IC卡进入读写器的工作范围，称之为冲突（或碰撞Collion），此时就需要解决如何对多张IC卡逐一处理的问题——防冲突AntiCollion。防冲突方案：位帧防冲突（BitAntiCollision）动态时隙-ALOHA法（Slotted-ALOHA法）SmartCard项目引入——IC卡公交收费机定额收费操作方便快捷可显示余额非法卡或余额不足报警可将当班收款额上传总站数据库总站可调整定额额度。卡遗失可挂失。SmartCard项目设计之一——卡型选择接触式逻辑加密卡——SLE4406非接触式ID卡——EM的4001卡非接触式逻辑加密卡——PHILIPS的Mifare卡操作不方便没有加密逻辑，不安全容易实现定额收费，操作方便快捷，安全性高，通用性强SmartCardMifare1非接触式IC卡基本性能指标：卡内器件：无线智能卡芯片MifareMF1ICS50+天线线圈标准：遵从ISO/IEC14443TypeA标准工作频率：13.56MHz数据传送速率：106kbit/s（9.4μs/bit）SmartCardMifare卡与读写器之间的信号SmartCardMifare卡的信号调制方式TypeA与TypeB调制程度的比较TYPEA：100%ASKTYPEB：10%ASKSmartCard从读写器到卡的调制与编码载波:fc=13.56MHz数据传输速率：13.56MHz/128=106kbit/s（9.4μs/bit）调制方式：TYPEA用100%ASK，TYPEB用10%ASK，编码方式：TYPEA用改进的MILLER编码，TYPEB用NRZ编码（不归零制数位编码）SmartCard从卡到读写器的调制与编码副载波:fc/16=847.5kHz数据传输速率：106kbit/s调制方式：副载波调制编码方式：TYPEA用MANCHESTER-ASK，TYPEB用BPSK-NRZ(二进制相移键控数位编码)SmartCardMifare1卡片的存储结构存储容量：1024×8位字长（即1KB），存储介质：EEPROM分为16个扇区（扇区0~15）每个扇区有4个块（Block）块0、块1、块2和块3。每个块有16个字节。一个扇区共有16Byte×4=64Byte块0(厂商标志)块1块2块3块0块1块2块3(密码A+存取控制+密码B)块0块1块2块3(密码A+存取控制+密码B)扇区0扇区1........扇区15SmartCard块功能详解1）厂商块地址：扇区0块0内容：IC卡厂商标志。其中：第0~4个字节为卡序列号SN，第5个字节为序列号的校验码；第6个字节为卡容量字节“SIZE”；第7，8个字节为卡类型号Tagtype；特性：基于保密性和系统的安全性，这一块在IC卡厂商编程之后被置为写保护，因此该块不能再复用为应用数据块。例：420A7E00368804004481740630373937H序列号SN：420A7E00H+校验码36H容量字节SIZE：88H卡类型号TagType：0400HSmartCard块功能详解2）数据块每扇区3个数据块（扇区0只有2个），每块16字节。可由区尾块中的存取控制位（accessbits）配置为：读写块：用作一般的数据保存，可用读/写命令直接读/写整个块值块：用作数值块，可以进行初始化值、加值、减值、读值的运算，相应配用的命令为INC/DEC/RESTORE/TRANSFER命令。通常数据块中的数据都是需要保密的数据，对这些数据的读/写/加值/减值均需：符合该块存取条件的要求+通过该扇区的密码认证。SmartCard块功能详解3）区尾块每个扇区的块3为区尾（SectorTrailer）块：KEYA（6B）+Accessbits（4B）+KEYB（6B）例：A0A1A2A3A4A5FF078069B0B1B2B3B4B5密钥A：A0A1A2A3A4A5H（缺省值）密钥B：B0B1B2B3B4B