非接觸式智能卡在城市一卡通中關(guān)鍵技術(shù)

文章出處：http://www.fang1.net 作者： 人氣： 發(fā)表時間：2012年02月21日

    非接觸卡最熱門的應用當屬城市公交系統(tǒng)，目前全球已有超過100個城市引入非接觸式公交支付項目，非接觸式IC卡在公交系統(tǒng)的應用大大推動了非接觸式IC卡的發(fā)展，成為各大IC卡廠商的必爭之地。

    但隨著城市一卡通系統(tǒng)的發(fā)展和成熟，一卡通系統(tǒng)不再僅限于公交系統(tǒng)內(nèi)的使用，對于非接觸式IC卡，對其應用擴展性和安全性都有了更高的要求。非接觸式智能卡以其高安全特性開始為人們所矚目。今年4月份在昆明舉行的全國公交IC卡供需見面會上，握奇數(shù)據(jù)最新推出的非接觸CPU卡成為整個會議的焦點。

    握奇數(shù)據(jù)在非接觸式智能卡方面的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，早先就已經(jīng)研發(fā)并推出了TimeCOS/DI雙界面卡，一張卡片，兩種通訊方式：接觸式和非接觸式。在具備傳統(tǒng)智能卡的優(yōu)勢外，還同時具備接觸式卡和非接觸式卡的優(yōu)勢，握奇數(shù)據(jù)這種雙界面卡在市政公交系統(tǒng)中已經(jīng)展開應用，典型案例有蘇州城市一卡通、大連公交一卡通等。

    最近，經(jīng)過長時間醞釀的NFC開始了正式的公開試用，握奇數(shù)據(jù)基于雙界面智能卡技術(shù)的SIMpass手機移動非接觸應用方案也展開了內(nèi)部試用，非接觸智能卡發(fā)展已經(jīng)步入快行道。

    非接觸式智能卡應運而生

    如今，接觸式IC卡在人們的日常生活中得到了普遍的應用。在接觸式IC卡的普及過程中，逐漸發(fā)現(xiàn)了許多的弊端：卡在讀寫器上經(jīng)常拔插造成的磨損導致接觸不良，從而引起數(shù)據(jù)傳輸錯誤，并且卡與讀寫器之間的磨損也大大縮短了卡和讀寫器的使用壽命；另外，接觸式IC卡的通訊速率較低，再加上插拔卡的動作延誤，造成每一筆交易需要較長時間的等待。為了解決這些問題，握奇數(shù)據(jù)推出了非接觸式智能卡。

    越來越多的應用除了對非接觸卡的接口提出了要求，還對傳統(tǒng)非接觸卡的應用開發(fā)提出了進一步的要求。原來非接觸卡的指令比較簡單，功能比較少。要完成一個復雜的操作如建立一個文件需要對非接觸卡的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)十分了解而且要編寫許多條指令。特別是非接觸卡中存放的許多資料是比較敏感的，如金額之類，在對這些資料進行讀寫時，如果發(fā)生意外使操作中斷，如何正確恢復資料是一個很頭痛的問題，這需要很高軟件技巧。所有這些大大阻礙了非接觸卡的應用開發(fā)。因此握奇數(shù)據(jù)在非接觸卡集成入CPU，通過COS軟件來提供一個簡單、強大的應用軟件開發(fā)接口是一個很好的解決方法。

    非接觸式智能卡的工作原理

    非接觸式智能卡又稱射頻卡，是世界上最近幾年發(fā)展起來的一項新技術(shù)，它成功地將射頻識別技術(shù)和智能卡技術(shù)結(jié)合起來，解決了無源（卡中無電源）和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。

    非接觸系統(tǒng)一般由非接觸智能卡和讀寫器以及控制模塊組成。

    握奇數(shù)據(jù)推出的非接觸智能卡，是將芯片和天線完全封裝在卡片內(nèi)部，此種卡的表面沒有觸點，通過電磁感應方式與讀寫器進行通信。對于符合ISO14443標準的非接觸智能卡，向讀寫器（PCD，接近式耦合設(shè)備）的數(shù)據(jù)傳輸采用的分別采用振幅鍵控(OOK)調(diào)制曼徹斯特編碼（Type A）和用相位鍵控(BPSK)調(diào)制的非歸零編碼（Type B）。

    讀寫器(Reader)，主要由無線收發(fā)模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成。讀寫器可將讀寫命令傳送到非接觸智能卡并分析其響應的數(shù)據(jù)。對于符合ISO14443標準的機具，向非接觸智能卡片（PICC，接近式智能卡）的數(shù)據(jù)傳輸采用的分別是100％ASK調(diào)制的改進的密勒編碼（Type A）和10％ASK調(diào)制的非歸零編碼（Type B）。

    系統(tǒng)按13.56MHz的工作頻率以半雙工方式在非接觸智能卡與讀寫器之間進行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹Ｗx卡器將控制模塊（主機）要發(fā)送的信息，經(jīng)編碼后加載在某一頻率的載波信號上經(jīng)天線向外發(fā)送，進入讀卡器工作區(qū)域的非接觸智能卡接收此脈沖信號，卡內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對此信號進行調(diào)制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權(quán)限等進行判斷，并做出響應。

    另一方面，讀卡器的載波信號中還包含電源信號，該信號由非接觸智能卡接收后，與本身的L/C產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生一個瞬間能量來供給芯片工作，從而給非接觸智能卡提供了電源。數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲及管理、對卡進行讀寫控制等。

    非接觸式智能卡的諸多特色

    與接觸式IC卡相比較，非接觸式智能卡具有諸多優(yōu)點：

    Ø 可靠性高、使用壽命長：卡片與讀寫器之間無機械接觸，避免了由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障。特別在一些條件惡劣、干擾很大的環(huán)境里，由于其完全封閉的封裝形式，不僅可以防止由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰塵和油污等導致接觸不良，而且具有防水汽、防靜電、防震動和防電磁干擾的優(yōu)良特性。 

    Ø 操作方便、快捷：由于采用非接觸通信方法，讀寫器在某個距離范圍內(nèi)就可以對卡片操作，所以不必插拔卡，而且非接觸智能卡使用時沒有方向性，卡片可以隨意方向掠過讀寫器表面，完成一次操作僅需0.1秒，這就大大提高了每次使用的速度。

    Ø 防止沖突、抗干擾性好，可同時處理多張卡：有防沖突機制，能有效防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，在多卡“同時”進入讀寫范圍內(nèi)時，讀寫設(shè)備可一一對卡進行處理。這提高了應用的并行性，也無形中提高了系統(tǒng)工作的速度。

    Ø 高安全性：非接觸智能卡與讀寫器之間采用雙向驗證機制和三次相互確認；而且在通訊過程中所有的數(shù)據(jù)都加密；此外，卡中各個區(qū)域都有自己的操作密碼和訪問條件。

    Ø 適合于多種應用：握奇數(shù)據(jù)推出的非接觸智能卡的存貯結(jié)構(gòu)特點使其能夠?qū)崿F(xiàn)城市通卡的一卡多用需求；如：電子錢包/存折、公交、出租、軌道交通、園林景區(qū)、高速公路一般路、橋收費或等應用。每個應用均可設(shè)置不同的密碼和訪問條件，系統(tǒng)配置相當靈活多樣。

    非接觸式智能卡的一些關(guān)鍵技術(shù)

    非接觸式智能卡的工作特點，反映在設(shè)計、安全與制造過程中存在的一些技術(shù)難點，主要集中表現(xiàn)在芯片的制造、安全體系的架構(gòu)和卡片的封裝方面。

    1、射頻技術(shù)（線圈和天線設(shè)計）：非接觸式智能卡是當今世界先進的射頻技術(shù)和IC卡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，卡內(nèi)需有經(jīng)特殊設(shè)計的天線，并埋裝在卡內(nèi)；必須保證有良好的抗干擾性能，而且還要設(shè)有“防沖突”電路。識別卡的距離遠近主要取決于機具的天線設(shè)計和智能卡的線圈設(shè)計，所以作為表現(xiàn)出色的智能卡來說，天線設(shè)計也是關(guān)鍵技術(shù)之一。

    2、低功耗技術(shù)：無論是按有源方式還是按無源方式設(shè)計的非接觸式智能卡，一個最基本的要求都需要降低功耗，以提高卡片的壽命和擴大應用場合，可以說降低功耗，同保證一定的距離是同等的重要。因此卡內(nèi)芯片一般都采用非常苛刻的低功耗工藝和有關(guān)技術(shù)，如電路設(shè)計中采用“休眠模式”技術(shù)進行設(shè)計制造。

    3、封裝技術(shù)：由于非接觸式IC卡中需要埋裝天線、芯片和其他特殊部件，為確?？ㄆ拇笮?、厚度、柔韌性和高溫高壓工藝中芯片電路的安全性，需要特殊的封裝技術(shù)和專門設(shè)備。由于目前的主要封裝方式有ABS、PVC、PVC＋ABS、PET（PETG）等，但是有的容易斷裂，有的太柔軟，有的抗老化效果不好、有的對封裝線圈有影響。所以找一款各方面都有上佳表現(xiàn)的卡基材料也是非常重要的問題。而且如果再加上內(nèi)成像、銀聯(lián)標的話，整個制卡工序更加繁復，整個的成品率就不會很高，所以如何有效的提高非接觸智能卡的生產(chǎn)成品率也是世界上廣泛研究的課題之一。

    4、安全技術(shù)除了卡的通訊安全技術(shù)外，還要以卡用芯片的物理安全技術(shù)和卡片制造的安全技術(shù)這二個方面再和前者構(gòu)成其強大的安全體系。在卡片結(jié)構(gòu)上，射頻模擬前端(RF AFE) 屏蔽了智能卡片上的電源、時鐘、上電復位(POR)等信號與外界的聯(lián)系，在一定程度上減少了攻擊實施的點。對于如SPA（Simple Power Analysis）和DPA（Differential Power Analysis）的能量攻擊的方法，對于高安全等級的非接觸智能IC卡（比如握奇數(shù)據(jù)的TimeCOS FLY）來說，在COS以及一些關(guān)鍵算法的設(shè)計時，需采用隨機時間移動、對一個指定的算法提供一種明確的計算方式、將中間變量分為兩個或更多的變量等方法來抵御攻擊。