非接触IC卡技术及应用

互联网INTERNET的产生及其在全球范围内的飞速发展，使人类进入了信息盛世时代。IC（集成电路）智能卡正在并已经融入当今信息技术的主流。它以其高度的信息集成，高度的安全性，成为市场的宠物。其中非接触IC卡作为市场需求的产物，以其特有的优势，在IC卡行业已成为一个耀眼的亮点。尤其非接触式IC智能射频卡（内建MCU，ASIC等）技术的不断发展与完善，使非接触卡不但适用于环境恶劣的、要求读写速度快、使用方便的场合如加油站收费系统、高速路收费系统、公交收费系统等而且还能应用于储值卡等高安全要求的场合，为“一卡通”提供了一个新思路。作为国内较早从事非接触IC卡应用开发的公司，现就对非接触IC卡的认识及应用开发设计思想与大家进行交流，希望能对读者有些价值。

一、       非接触IC卡简介

非接触IC卡又称射频卡，是世界上近几年发展起来的一项新技术，同时也是射频识别技术和IC卡技术有机结合的产物。它解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子技术应用领域的一大突破。

非接触IC卡与条码卡、磁卡、接触式IC卡比较具有高安全性、高可靠性、使用方便快捷、可对多卡操作、更适于一卡通系统的优点。这主要是由其技术特点决定。非接触IC卡技术主要有以下的特点：

1、  安全机制

    支持较强的安全机制。具有多应用存储区。卡中的存储器（EEPROM或FLASH）可划分为多个应用区，不同应用区具有不同的管理密钥，用户可根据不同的应用设定不同的密码和访问条件，为真正一卡通的应用提供了技术上的准备。卡与读写机具之间可设有多次认证体系，可对通讯数据和存储数据进行加密，因此提高了卡本身的安全性，同时也提高整个应用系统的安全性。

2、  调制解调与编码解码技术

根据信号发送和接收方式的不同，ISO/IEC14443定义了TYPEA、TYPEB两种卡型。它们的不同主要在于载波的调制深度（如图1所示）及二进制数的编码方式（图2所示）。

从读写机具向卡传送信号时，二者是通过13.56Mhz的射频载波传送信号。TYPEA方案是同步、改进的Miller 编码方式，通过100% ASK传送；TYPEB 方案是异步、NRZ编码方式，通过用10% ASK 传送。

从卡向读写机具传送信号时，二者均通过调制载波传送信号。TYPEA 用847KHz的副载波传送Manchester 编码。TYPEB通过847KHz的副载波传送信号，由BPSK 进行调制。

根据二者的设计方案不同，可以看出，TYPEB 较TYPEA主要有以下优势：

——芯片具有更高的安全性。接收信号时，不会因能量损失而使芯片内部逻辑及软件工作停止。

——支持更高的通讯速率。TYPEA 最大的数据通讯速率为150Kbit/s-200Kbit/s,应用10% ASK技术的TYPEB 至少可支持400Kbit/s 的速率。

——外围电路设计简单。读写机具到卡及卡到读写机具的编码方式均采用NRZ方案，电路设计对称，设计时可使用简单的UARTS。

——抗干扰能力强。负载波采用BPSK调制技术，较TYPEA方案降低了6dB的信号燥声。

免接触通讯协议的使用，使读写机具在有效的范围内就可以对卡进行有效的读写操作，不必插拔卡，对卡没有方向要求，只要卡与读写机具之间没有屏蔽，读写机具能寻到其有效操作范围内的任意状态的卡（如装在皮包里的卡），这样不仅方便了操作，而且大大提高了操作速度。因为非接触IC卡与读写机具之间无机械接触，避免了由于接触读写而带来的各种故障，同时也避免了对卡片的磨损。另外，非接触IC卡芯片封在卡片内，而且面积小，所以不用担心芯片脱落、静电击穿、弯损等，提高了系统的可靠性。

    TYPE A 以 MIFARE 技术为代表，在市场上已有广泛应用。TYPEB 产品主要以Motorola、NEC、 ST等公司产品为代表，以其特有的优势正得到广泛的推广使用。

3、  防冲突机制

ISO/IEC 1444-3规定了TYPEA，TYPEB 的防冲突机制。二者防冲突机制的原理完全不同。前者是基于BIT冲突检测协议，后者则是通过字节、侦及命令完成防冲突。防冲突机制使非接触IC卡能进行并行操作，及在多张卡同时进入有效操作区后，可对其进行有条不紊的操作，这样就使选定卡片的数据不受其它卡数据干扰，携带有多种卡的用户可不必寻找正确的一张卡，只用算法编程，读写机具即可自动做到选取正确的一张卡进行后续操作。这样方便了操作，提高了应用的并行性，也提高了系统的速度。

由以上可以看出，非接触IC卡的技术特点决定了其在市场上的巨大的发展潜力。可以说在接触式IC卡的应用领域中，非接触IC卡无所不能，而在电子钱包应用、公交系统应用等要求安全性高、交易速度快的应用领域则具有绝对优势。

二、       非接触IC卡读写机具的设计思想

针对非接触IC卡的特点，对其读写机具的开发，我们主要从以下几方面进行设计。

1、  安全机制

除密码保护外，系统设有多种安全模式。读卡器中存有安全管理模块，有DES 、3-DES、RSA、IDEA、SHA、MD5等多种加/解密算法和压缩算法，进行数据的安全管理。也可根据用户要求实现专用的加密算法。   

在数据处理前读写机具与卡之间进行相互认证，对关键数据以密文方式进行存储和通讯，由读写机具解加密数据，使数据进行安全通讯和存储。

对于有值应用区，采用特殊的存储和验证格式，进一步保证对数据操作的安全、可靠。

2、  防冲突机制

依据ISO/IEC14443-3标准，进行防冲突设计，防止卡片之间的数据干扰，可以一次进行多卡操作（分时操作），提高应用的并行性，同时提高系统的速度。对于Type B 类卡,可以根据实际应用情况支持选择一次一卡操作模式和一次多卡操作模式。

3、  电源及电源功耗的设计

    非接触IC卡读写机具要对数字电路、模拟电路供电，主要采用隔离技术、滤波技术及DC/DC转换技术提高电源品质，完成电源转换。

对于便携式读写机具必须考虑电路功耗问题。主要通过以下手段降低功耗，提高带机时间：

——采用低功耗，高速单片机

——优化硬件设计，尽可能减少器件数量，并选用低功耗器件；

——尽量用软件进行编码、解码，保证速度和功耗的性能优化。

4、可靠性设计

系统从软、硬件方面进行充分设计，以确保系统工作的可靠性，除印制版布局中对电源线、地线以及信号线的合理设计，还包括以下几方面：

（1） 重视抗电磁干扰设计，确保数据传输准确；

（2） 加强电源管理环节，确保电源的稳定性；

（3）     加入复位保护电路，保证电源变化超过规定范围时，CPU处于复位状态，防止误操作对系统造成破坏；

（4）     设有电源监测电路，在电源幅度变化到一定范围时，软件执行现场保护，保存当前所有有关数据。备有电池切换和欠压指示电路，在电池电量不足时，提醒用户充电，以免进行重要操作（如写记录）时突然断电，影响系统数据的可靠性；

（5）     用FLASH 存储器存储读写信息，可避免突发掉电故障而丢失数据；

（6）设有软件WATCHDOG，若程序跑飞，可自动复位。

5、工作方式灵活

读写机具可脱机使用，也可联网操作。脱机操作时，通过读写机具上的键盘和显示，在得到授权的前提下（设有各级应用密码）可方便的对读写机具进行对时和功能设置及数据分类查询、汇总，对卡进行读写，信息查询等。联网操作，可对网上各读写机具统一对时，进行时实数据监控。

6、  操作便捷、直观

系统操作的人机交互界面直观，友好，功能齐全，按提示进行选项或直接输入相应命令即可设置分类查询，汇总，报表打印等功能。

7、开放式系统

    充分考虑系统功能的扩展和升级。读写机具面板上备有未定义功能键供用户选择定义；留有可扩展存储空间和功能扩展接口。软件实行模块化，分为通用软件和专用软件，具有强大的通用性和灵活性。根据不同的用户需求，只需修改相应的专用软件部分即可满足要求，使系统改版和升级非常灵活。

华旭公司开发人员在以上设计思想指导下，开发出了非接触IC卡通用读写机具及车载消费终端。

三、华旭公司非接触IC卡读写机具主要技术指标：

u       支持符合ISO/IEC 14443 标准的非接触IC卡，包括存储卡、逻辑加密卡、CPU卡

u       通信距离：10mm --- 20mm

u       射频工作频率：13.56MHz

u       卡与读写机具的通迅速率：106Kbps

u       读写机具与主机通讯：

    RS232C通信接口：4800bps—115200bps可选

    USB通信接口：1.5Mbps

u       通讯时间： <150ms

u       工作电流：<200mA；总功耗：<2.5W

u       显示：LCD、LED 显示可选

u       脱机能力：可联机、脱机工作

u       存储能力：脱机工作，可设4Mb 存储空间

工作环境：

u       电源：+12V直流稳压电源

u       5节5号电池，带机时间6小时

u       工作温度：-20 ~ 85°C

u       储存温度：-40 ~ 85°C

适用范围：

u       交通：公路收费、铁路通用卡、停车收费、月票、通行证、驾驶执照等

u       身份识别：身份证、门禁、工作证、公司卡、流动人口管理、会员证等

u       商业：电子钱包、信用卡、购物卡、会员卡等

u       旅游：贵宾卡、出租卡（汽车、相机、录象带等）、游乐卡等

u       其它：… … …

非接触IC卡正以其强大的生命力在IC卡应用市场上独领风骚，相信在业界同行的共同努力下，非接触卡技术及应用会得到更快更好的发展和完善，为中国金卡工程健康、快速的发展贡献力量。