非接觸式智能卡在城市一卡通中關鍵技術

文章出處：http://hz-huyue.com 作者： 人氣： 發表時間：2012年02月21日

    非接觸卡最熱門的應用當屬城市公交系統，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卡在公交系統的應用大大推動了非接觸式IC卡的發展，成為各大IC卡廠商的必爭之地。

    但隨著城市一卡通系統的發展和成熟，一卡通系統不再僅限于公交系統內的使用，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，握奇數據最新推出的非接觸CPU卡成為整個會議的焦點。

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

    最近，經過長時間醞釀的NFC開始了正式的公開試用，握奇數據基于雙界面智能卡技術的SIMpass手機移動非接觸應用方案也展開了內部試用，非接觸智能卡發展已經步入快行道。

    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，逐漸發現了許多的弊端：卡在讀寫器上經常拔插造成的磨損導致接觸不良，從而引起數據傳輸錯誤，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，握奇數據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，還對傳統非接觸卡的應用開發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據結構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。因此握奇數據在非接觸卡集成入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展起來的一項新技術，它成功地將射頻識別技術和智能卡技術結合起來，解決了無源（卡中無電源）和免接觸這一難題，是電子器件領域的一大突破。

    非接觸系統一般由非接觸智能卡和讀寫器以及控制模塊組成。

    握奇數據推出的非接觸智能卡，是將芯片和天線完全封裝在卡片內部，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，接近式耦合設備）的數據傳輸采用的分別采用振幅鍵控(OOK)調制曼徹斯特編碼（Type A）和用相位鍵控(BPSK)調制的非歸零編碼（Type B）。

    讀寫器(Reader)，主要由無線收發模塊、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據。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）的數據傳輸采用的分別是100％ASK調制的改進的密勒編碼（Type A）和10％ASK調制的非歸零編碼（Type B）。

    系統按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據傳輸的。讀卡器將控制模塊（主機）要發送的信息，經編碼后加載在某一頻率的載波信號上經天線向外發送，進入讀卡器工作區域的非接觸智能卡接收此脈沖信號，卡內芯片中的有關電路對此信號進行調制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權限等進行判斷，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產生諧振，產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。數據交換與管理系統主要完成數據信息的存儲及管理、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生的各種故障。特別在一些條件惡劣、干擾很大的環境里，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數據干擾，在多卡“同時”進入讀寫范圍內時，讀寫設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據都加密；此外，卡中各個區域都有自己的操作密碼和訪問條件。

    Ø 適合于多種應用：握奇數據推出的非接觸智能卡的存貯結構特點使其能夠實現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、高速公路一般路、橋收費或等應用。每個應用均可設置不同的密碼和訪問條件，系統配置相當靈活多樣。

    非接觸式智能卡的一些關鍵技術

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

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

    2、低功耗技術：無論是按有源方式還是按無源方式設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。因此卡內芯片一般都采用非常苛刻的低功耗工藝和有關技術，如電路設計中采用“休眠模式”技術進行設計制造。

    3、封裝技術：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和專門設備。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的卡基材料也是非常重要的問題。而且如果再加上內成像、銀聯標的話，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成品率也是世界上廣泛研究的課題之一。

    4、安全技術除了卡的通訊安全技術外，還要以卡用芯片的物理安全技術和卡片制造的安全技術這二個方面再和前者構成其強大的安全體系。在卡片結構上，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（比如握奇數據的TimeCOS FLY）來說，在COS以及一些關鍵算法的設計時，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。