Smarty智能卡讀寫器技術概述

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：智能卡應用全書   人氣： 發表時間：2011年11月05日

智能卡的發展，引起越來越多的商家和消費者的注意。但是對于他們每天常用的微機應用程序，有一個難題——必須另外裝配一個讀寫器，來對智能卡進行解碼并識別信息。通常這類設備都帶有礙手礙腳的導線和接頭，以便連接到電腦上。而且，它們往往還要占用串口、并口或USB端口，這對于那些經常出差的客戶、在辦公室和在家都使用智能卡的客戶來說，是件很頭疼的事。如今這些問題有了簡易方便的解決方案：Smarty智能卡讀寫器。本文將介紹Smarty智能卡讀寫器有關的背景技術和開發應用知識。   
     
　　 一、概述   
　    
　　Smarty智能卡讀寫器形如一個3.5英寸軟盤，但它內部裝有自己的一套電子元件。用戶只須將IC卡插入Smarty便攜式IC卡讀寫器，然后再將Smarty讀寫器插入電腦的3.5英寸軟驅即可。軟驅和Smarty之間的通訊，是通過軟驅的讀寫頭和Smarty的特制的轉換器之間的磁力耦合實現的。Smarty內有一個磁場界面電路，它能仿效旋轉磁盤產生的磁場，同時也可以探測軟驅寫出的數據，并為其解碼。   
      
　　用3.5英寸軟驅作為電腦和智能卡之間的通信手段，具有如下優點：   
      
　　●普及性好：現在的大多數電腦都帶有3.5英寸軟驅，而這些軟驅平常很少使用。       
　　●易于標準化：每年3.5英寸軟盤的銷量多達50億片，安裝了3.5英寸軟驅的電腦也有3.5億多臺，它們都很好地遵循了一套嚴整的標準。     
　　●熟悉易用：所有的微機用戶都熟知如何在電腦上插、拔3.5英寸軟盤。    
　　●容易攜帶：SmartyIC卡讀寫器尺寸小，且無外接電線、接頭或外接電源，所以攜帶非常方便。（與3.5寸盤一樣大）   
      
　　其它由于電腦的智能卡數據讀寫設備（如串/并口讀卡器、PCMCIA讀卡器或內置總線型讀卡器），在上述幾個方面至少有一種或幾種明顯缺陷。   
      
　　需要考慮的技術問題，由于以下幾個原因，Smarty智能卡讀寫器技術可行性大大增強：   
      
　　●零件布局：通過使用ASIC技術（應用程序專用集成電路），所有必需的零件都安裝在尺寸限定的盡可能小的空間內。    
　　●工作電源：盡管Smarty智能卡讀寫器對卡的用電功率有一定限制，但請相信這不會妨礙任何常用種類的智能卡的使用。在正常的工作條件下，電池的壽命為1到3年。     
　　●可用性好：實踐表明，用戶從Smarty智能卡讀寫器插/拔智能卡，相對很容易。插/拔SmartyIC卡讀寫器的操作，與使用軟盤完全相同。       
　　●可靠性高：Smarty智能卡讀寫器的零件相對很少，只有一個運動部件；而且，它在電路上與PC機完全隔絕。這就從根本上決定了它比其它傳統的智能卡讀寫器更可靠。        
　　●容錯性強：智能卡被限制在Smarty讀寫器內，所以不能“彈出”或損壞軟驅。         
　　●性能卓越：用SmartyIC卡讀寫器支持波特率高達53.7K的卡與讀卡器間通訊時，能夠做到沒有延時。         
　　●產品安全：SmartyIC卡讀寫器通過了UL、CE、FCC等機構的測試，并且獲得許可。   
   
　　二、產品、背景知識和發展方向   
      
　　本文提供了一些關于SmartyIC卡讀寫器的技術性能和商業功用的信息，以便讀者客觀評價該產品。文章的主要講述了SmartyIC卡讀寫器的應用、產品的機械結構和電子結構，以及對其實用性和可靠性的評價。   
      
　　什么是SmartyIC卡讀寫器？   
      
　　Smarty便攜式IC卡讀寫器是一個整體的電子設備，外型和3.5英寸磁盤類似，但內部沒有任何磁性介質。Smarty便攜式IC卡讀寫器內裝有一個轉換器和一個電路，能仿效旋轉磁盤產生的磁場，并且收集數據“寫入”磁盤驅動器。因此，在標準的3.5寸軟驅中SmartyIC卡讀寫器，不需要對軟驅和電腦主機做任何調整。（當然，驅動程序還是要裝的。）   
      
　　關于3.5寸軟盤驅動器   
　　  
　　根據Dataquest公司市場調查報告，現在全世界有超過3億個3.5英寸軟盤驅動器。此外，據Mitsumi公司調查，1999年3.5寸軟驅的產銷量達1.2億只，到2000年可能達到1.3億多只。   
　　  
　　3.5寸軟驅的尺寸參數是電腦的各種外設中標準最嚴格的，僅去年3.5寸盤的消費量就達到50億片。以軟驅為基礎的讀卡器的優點是很明顯的：全世界有統一標準，從而能成為易于被用戶掌握的、安全便攜的讀寫工具。   
   
　　智能卡及其讀卡器的選擇   
      
　　智能卡順其自然已成為了磁條式卡片的替代產品。人們預測，未來的幾年中，智能卡在零售業和以客戶為基礎的銀行業中將會大面積推廣。不管怎樣，這些系統中仍有很多是以PC機為基礎的，因此卡與PC機之間的接口必不可少。現有的讀卡器和計算機間的接口如下：   
      
　　●并口或串口電纜        
　　●PCMCIA（個人電腦存儲卡國際協會）         
　　●內部的總線        
　　●USB（通用串行總線）   
　　  
　　所有這些方法，都易遭遇兼容性的問題。而且從理論上講，只有PCMCIA連接還算容易，不需要專業人士來安裝。但是，現在常用的大部分微機都沒有PCMCIA擴展槽，而且改裝費用很高（PCMCIA讀卡器的價格也不菲），況且用起來并不方便。這種狀況恐怕在近年內不會改觀。   
　　  
　　能否有一種產品，在現有的大部分電腦和配備智能卡的商務活動或持卡消費者之間架起橋梁，對于許多電子銀行系統的實施推廣來說，是一個起碼的前提條件。這一產品，將會使智能卡系統在消費、證券、商務的大面積推廣成為可能。   
　　  
　　利用Smarty智能卡讀寫器作為智能卡－微機接口，這一設計思想是很有魅力的。這是因為Smarty智能卡讀寫器有如下優點：   
      
　　●在幾乎所有的臺式機或筆記本電腦上，安裝都非常簡單。        
　　●方便，換臺電腦照常使用。         
　　●結構緊湊，易于攜帶。         
　　●采用客戶熟悉的外觀，不帶纜線和接頭。       
　　●操作方法很直觀。       
　　●物有所值，總體成本低。   
      
　　需要考慮的因素   
　　  
　　要實施一個可行的智能卡讀卡器方案，主要問題有：   
      
　　●可用性：用戶往讀寫器里插/拔卡、在電腦上裝/拆智能卡讀寫器的難易度。        
　　●可靠性：用做客戶端設備時，智能卡讀寫器有足夠高的可靠性。       
　　●使用性能：用做計算機和智能卡之間的通信手段時延時（如果有的話）長度。       
　　●滿足的標準：遵循ISO7816標準的哪一部分；其產品技術是否兼容微軟的PC/SC；其產品技術是否能掌握未來標準的主動權。   
      
　　三、機械性能要求及設計時需要考慮的問題   
      
　　智能卡   
　　  
　　Smarty智能卡讀寫器支持的智能卡，規格參數完全符合ISO7810和ISO7816定義的標準。名義上卡的厚度為0.8毫米，實際上0.9毫米也是可以的，因為還要有一定的尺寸誤差。   
      
　　卡的接觸方式   
　　  
　　卡的接觸方式有兩種：“普通模式”和“CP8模式”。觸點的位置并不一致，但是離得很近，在同一塊樹脂片上。大多的觸點生產廠家都增加觸點的數量，以適應不同的模式。CP8模式由法國人創造并推廣使用；此項技術主要出口斯堪迪那維亞地區國家。因此，Smarty智能卡讀寫器觸點布局設計限制采用“普通模式”：允許有8個觸點，只有6個是必需的。   
     
　　 插卡   
　　  
　　智能卡應該以“正常方式”插入——即：沿長邊軸線方向看去，卡上的文字朝著用戶是正立的。（有的卡上印有箭頭，指明插入讀卡器的方向。）   
　　  
　　打有凸字的智能卡（Embossedsmartcard）   
　　  
　　這些智能卡主要用于信貸交易。與其相關的ISO標準僅僅給出了凸字符的厚度（19±2thou），Smarty智能卡讀寫器完全滿足這一規范。   
      
　　卡的定位   
　　  
　　在Smarty智能卡讀寫器的中心部分，空間極其有限，因此這里不允許有任何突起。此外，智能卡遮擋轉換器也是不允許的。因此，在這狹小的盒狀結構里，只能有一塊地方可以放智能卡。應將智能卡放在Smarty智能卡讀寫器的下半部分，卡的背面朝著金屬外殼。隔離片的作用是防止卡與金屬罩接觸發生短路。   
      
　　機殼體及金屬罩   
　　　  
　　Smarty智能卡讀寫器的外型尺寸符合1988年英國標準6958－第1部分的要求。（BS6958：Part1：1988）   
　　　  
　　新式的Smarty智能卡讀寫器采用了一個機械互鎖系統。為了最大限度地使結構一體化，金屬罩的邊緣輪廓都被細化了。留給軟驅磁頭的那塊區域，是一條長方形的縫隙。所有的零部件都是熱固定到盒狀機體內的。   
　　　  
　　這樣的設計，使得組裝工序大大加快；而且，機構的接合點沿著一條連續的線排列（即：沿著邊緣排列），使得結構的一體化程度非常高。選做機殼體的材料，符合下列準則：   
      
　　●能保證非常好的平面度的熱塑性塑料      
　　●模塊的硬度令人滿意      
　　●符合適當的標準（如：UL94V0，CE等）   
　　  
　　工作說明書里指定的機殼體鑄造材料是：ABS（丙烯氰－丁二烯－苯乙烯），標準壁厚0.75毫米。設計的金屬罩材料為302不銹鋼，厚度是0.25毫米。   
      
　　隔離片   
　　  
　　對有限的空間和零部件的外型進行深入的分析表明，PCB（印刷電路板）應放在沒有活動零件的一側，那里緊靠金屬罩的內側。隔離片（通常是0.05毫米厚）貼著金屬罩的內表面，位于電池倉上面。隔離片使用的材料是用金屬模制的0.05毫米厚聚酯薄片，粘結在金屬罩內。  

    四、機構設計   

     插卡  

　　Smarty智能卡讀寫器的插卡方法很獨特。在Smarty智能卡讀寫器的一側，有一個長方形的狹槽。插卡時，通常是一只手拿卡、另一只手握背面朝上的Smarty智能卡讀寫器；卡的正面對著用戶，右邊朝上。卡的左手邊插入長方形的狹槽，然后推卡使其充分到位?？ㄍ频轿缓笏墒郑蜁斑青辍币幌露ㄎ辉赟marty智能卡讀寫器的卡槽內。在這一方位，即使讀卡器劇烈震動也不會發生脫落。  

      拔卡  

　　要想取出卡片，只須一只手握住Smarty智能卡讀寫器，另一只手用拇指和食指捏卡片即可。Smarty智能卡讀寫器的一側有一塊長方形孔，以便食指能碰到卡的后面。  

      卡的彎曲程度  

　　按照O7810標準規定的智能卡彎曲檢測方法，智能卡應當沿著長邊軸線方向彎曲偏斜20毫米時，不會發生損壞。根據計算，通常插在Smarty智能卡讀寫器內的卡片的最大彎曲程度為：卡的中央偏斜0毫米。（換言之，這可以稱其為0偏斜或100％順從）  

      軸心蓋板  

　　這一部件由一條0.15毫米厚不銹鋼片制成，在軸心部分周圍的4點用熱固定法裝配。蓋板的作用是：防止軟驅的電機心軸碰壞智能卡。  

      PCB（印刷電路板）  

　　Smarty智能卡讀寫器采用FR4印刷電路板，其允許的厚度為0.25毫米。智能卡的接觸點被熱固定在機殼體上，以便準確定位。印刷電路板固定在下面，這樣能防止它對卡片產生干擾。  

      微型開關和凸輪  
 
　　微型開關是為了方便客戶使用而設計的，因此要放在恰當的位置。開關的細小零件都包藏在機殼體內。開關有一部分是電池倉，上面帶有焊點。開關可以安裝在機體內的兩個位置，旁邊電池的觸點放在焊點的下方，此觸點由手工焊成。  

      電池倉、電池倉的門及接觸點  

　　電池倉的名義尺寸，規定為厚度2.5毫米、直徑20毫米。  

　　安放電池接觸點，是為了優化電池固定點的幾何布局（例如，電池可以由它周圍的等距三點支撐：有兩點固定在機殼體上，第三點是一個接觸點）。兩個接觸點都可以用機械方法固定（如熱固定），有一端允許自由彎曲。  

       轉換器和橋形結構  

　　在設計轉換器總成時，在保證“方孔”處于正確位置的前提下，盡量讓這一部件的大部分放在靠近機殼體頂端的位置。設計機殼體時，不是將其推入一個槽內，而是盡量使用銷和樁定位以便轉換器安裝定位。  

　　電子元件采用手工焊接到印刷電路板上。一條長方形的橋狀結構扣在轉換器上面，以便提供非金屬表面隔開軟驅磁頭，保護轉換器。  

    五、電子器件、硬件及軟件  

      電源  

　　Smarty智能卡讀寫器采用2塊幣狀鋰電池（型號為CR2025）供電，兩塊電池一起使用的壽命為300mAH。  

      電子器件  

　　除了微型控制器和內存，Smarty智能卡讀寫器現在采用的電路由2套ASIC（特定用途集成電路）實現：一個是數字電路、一個是模擬電路。  

　　采用ASIC電路，除了保障了機構尺寸上的可行性之外，還有許多其它好處。其優點如下：  

    ●增加了可靠性，提高了生產率   
    ●改善了性能——因為通訊協議的速度提高了   
    ●延長了電池的使用壽命——因為電路的靜電耗和動電耗都降低了  
　　　  
    Smarty智能卡讀寫器內使用的磁信號接口電路（模擬ASIC電路），執行的是一種全速（250Kbit/sec，即：與1.44Mbytes的軟驅同步）MFM協議（改進調頻制，即數據在PC機軟盤上編碼采用的方法）。這使得在不影響成本和空間限制的前提下，ASIC內增加程序的復雜程度成為可能。不管怎么說，加快Smarty智能卡讀寫器與計算機之間的通信速度，實際上沒多大意義，因為這對整體性能提高的貢獻微乎其微。這是由于，大部分的操作速度都被智能卡通訊協議的速度限制住了。  

      電腦軟件  

　　Smarty智能卡讀寫器的計算機軟件由一個“C語言”鏈接庫（可用DOS，Windows,Windows95,Windows98或NT等系統支持）構成，其中包含許多函數，用以重新設置智能卡及從卡中收發數據；還包括一些執行ISO7816－3T=0和T=1通信協議的函數。  

    六、性能、適用性和可靠性  

      命令執行時間  

　　Smarty智能卡讀寫器的ISO智能卡接口，是以每塊255（T=1）、259（T=0）字節的方式在電腦和Smarty讀寫器之間轉換數據的。  

　　Smarty智能卡讀寫器給智能卡提供的變量時鐘頻率為1.25MHz、2.5MHz或5MHz。這樣的好處是：  

　　Smarty智能卡讀寫器與智能卡通訊的波特率可在3.4到53.7之間不等。當收到電腦的一塊數據包時，Smarty的硬件以此波特率把要求的字節數轉播給智能卡，然后等待智能卡的應答。探測到這個應答的尾部有兩種方法：要么是用可編程的字符間隔超時設定，要么是由計算機應用程序指定預期數據的長度。  

　　例如，典型的“校驗口令”命令就涉及到如何把20字節數據傳送給智能卡、并接收約為5字節的應答數據的問題。這就要耗費大約66毫秒在電腦和Smarty智能卡讀寫器之間傳輸數據，再耗費16毫秒在Smarty智能卡讀寫器和智能卡之間傳遞數據。此外，智能卡還要耗費幾毫秒來處理這些請求。因此，這樣的命令每秒鐘能處理5條左右。  

      電池壽命  

　　用各種各樣的智能卡對Smarty智能卡讀寫器硬件進行的大范圍的測試，以及對特定應用程序的分析，都正在現行標準的基礎上進行。例如：  

    ●智能卡在工作狀態下，工作電壓4.75伏特、電流為4毫安；“等待”狀態電流小于1毫安。   
    ●智能卡完成一條命令（數據輸入、計算機數據輸出）的工作時間，加上轉變到“等待”模式的時間，共計1/2秒。   
    ●每次交易含4條命令。（例如：校驗密碼、從卡片內存讀取數據、計算MAC或數字簽名、在卡片內存寫入數據）。  

　　在正常情況下，Smarty智能卡讀寫器的電池壽命足夠進行4000筆交易，也就是：如果每天進行五次交易，可用1～3年（另外還得看用的是什么卡）。運用Smarty智能卡讀寫器的省電特性，會大大延長電池壽命。這種情況下，使用的是電壓5伏的智能卡。使用電壓3伏的智能卡，則可延長電池的壽命。  

　　注：當關掉開關或處于等待狀態時，Smarty智能卡讀寫器和智能卡的耗電量非常低：小于4毫安。  

     電子部件的可靠性  

　　Smarty智能卡讀寫器的可靠性超過（設計、生產和質量保障等條件相同）一般的讀卡器，是因為它與電腦沒有電路連接，從而不會掉電或傳導靜電。由于它靠電池供電，所以不受外接電源可能帶來的電壓不穩、用電特性不一致的影響。  

      機械部件的可靠性  

　　Smarty智能卡讀寫器內與卡片的電路的連接點，是經得起任何常規讀卡器壓卡應力考驗的高質量部件。除了這些能彈性變形的觸點和凸輪式的開關，Smarty智能卡讀寫器內再沒有其它活動部件。智能卡的插入、保持和拔出機構相對于Smarty智能卡讀寫器機殼體完全是不動的。因此，它有著與生俱來的非常高的機械可靠性。