《精编》非接触式IC卡技术

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1、非接触式IC卡技术 电子与信息工程学院 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MIFARE1 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 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 R

2、adioFrequencyCard 简称RF卡 非接触式IC卡系统被称为射频识别系统 RFID RadioFrequencyIdentification 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卡的基本构成 非接触式IC卡 芯片 天线 卡基 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 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

3、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 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 EMID厚卡 EMID薄卡 PHILIPSMIFARE1卡 TI

4、 德州仪器 Tag it电子标签 手表卡与钥匙扣卡 不同频段射频卡的特点 非接触式IC卡的国际标准 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 ISO 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 HITAC

5、HI 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 ISO 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 目前13 56MHz的产品主要包括 ISO14443Ty

6、peA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 ATMELRF020ISO15693 电子标签 卡 PHILIPSI Code2 TITag it标签I CODE 电子标签 卡 PHILIPSI Code 上海贝岭BL75R02SONYFelica卡 香港八达通 深圳通中国二代身份证 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 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

7、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 非接触式IC卡与读写器接口电路 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15

8、V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 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 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

9、据库总站可调整定额额度 卡遗失可挂失 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 Mifare1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 4 s bit Mifare卡与读写器之间的信号 Mifare卡的信号调制方式 TypeA与TypeB调制程度的比较

10、TYPEA 100 ASK TYPEB 10 ASK 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 4 s 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 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 Mifare1卡片的存储结构 存储容量

11、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 420A7E00

12、H 校验码36H容量字节SIZE 88H卡类型号TagType 0400H 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 块功能详解 3 区尾块每个扇区的块3为区尾 SectorTrailer 块 KEYA 6B

13、 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 Mifare1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

14、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 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 Mifare1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 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

15、Mifare1卡片收到TOKENAB后 用卡中的密码对TOKENAB的加密的部分进行解密得到RB 并校验第一次由 A 环中Mifare1卡片发出去的随机数RB是否与 B 环中接收到的TOKENAB中的RB 相一致 若读写器与卡中的密码及加 解密算法一致 将会有RB RB 校验正确 否则将无法通过校验 D 环 如果 C 环校验是正确的 则Mifare1卡片用卡中存放的密码对RA加密后发送令牌TOKENBA给读写器 E 环 读写器收到令牌TOKENBA后 用读写器中存放的密码对令牌TOKENBA中的RA 随机数 进行解密得到RA 并校验第一次由 B 环中读写器发出去的随机数RA是否与 D 环中接收

16、到的TOKENBA中的RA 相一致 同样 若读写器与卡中的密码及加 解密算法一致 将会有RA RA 校验正确 否则将无法通过校验 A 环 Mifare1卡取随机数RB 1100 KEY1 1010 加密 解密算法 异或 发送RB给读写器 B 环 读写器取随机数RA 0011 KEY2 1010 加密 解密算法 异或 接收RB对RB加密 TOKENB RB异或KEY2 0110 发送TOKENB RA C 环 Mifare1卡片对TOKENB解密 RB TOKENB异或KEY1 1100 RB 校验正确 D 环 Mifare1卡片对RA加密TOKENA RA异或KEY1 1001 E 环 读写器收对TOKENA解密 RA TOKENA异或KEY2 0011 RA 校验正确 小结 MIFARE1卡特点二 高保密性 全球唯一SN 密钥及传输密码保护 各扇区密码独立且有三套 KEYSET0 1 2 二个 KEYA KEYB 密码 密码认证采用三次相互认证 存取控制位保护 用户可以定义每一个存储器块的访问条件RF信道数据加密 Mifare1非接触式IC卡功能组成 POWEROFF状态 IDLE状