非接触式IC卡的工作原理与技术(ppt-97页)

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不同频段射频卡的特点SmartCard非接触式IC卡的国际标准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：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：B0B1B2B3B4B5H（缺省值）存取控制位：FF078069H（缺省值）SmartCardMifare1卡存取控制与数据区的关系Accessbits（存取控制位）：定义该扇区中4个块的访问条件，及定义数据块的类型（读写或值）Mifare1卡出厂初始化时，所有扇区块3的初始化值均为A0A1A2A3A4A5FF078069B0B1B2B3B4B5卡初始化后的存取控制条件为：密码A永不可读，校验密码A或密码B正确后可以修改；密码B在校验密码A或密码B正确后可读，可修改；数据块在校验密码A或密码B正确后可读，可修改。SmartCard小结：MIFARE1卡特点一EEPROM存储器结构提供多应用：1K字节EEPROM，16个扇区,4数据块/扇区，16字节/块。用户可以定义每一个存储器块的访问条件。每个扇区(每应用)拥有各自独立的密钥,支持带密钥层次的多应用。SmartCardMifare1卡的密码认证方式Mifare1卡的密码的认证采用了三次相互认证的方法，具有很高的安全性。（A）RB（E）（B）TOKENAB（C）（D）TOKENBA非接触式卡读写器Mifare1卡片SmartCard（A）环：Mifare1卡向读写器发送一个随机数据RB；（B）环：读写器收到RB后向Mifare1卡片发送一个令牌数据TOKENAB=用读写器中存放的密码加密后的RB+读写器发出的一个随机数据RA；（C）环：Mifare1卡片收到TOKENAB后，用卡