Smarty智能卡读写器技术概述

文章出处：http://www.singbon.com 作者：智能卡应用全书   人气： 发表时间：2011年11月05日

智能卡的发展，引起越来越多的商家和消费者的注意。但是对于他们每天常用的微机应用程序，有一个难题——必须另外装配一个读写器，来对智能卡进行解码并识别信息。通常这类设备都带有碍手碍脚的导线和接头，以便连接到电脑上。而且，它们往往还要占用串口、并口或USB端口，这对于那些经常出差的客户、在办公室和在家都使用智能卡的客户来说，是件很头疼的事。如今这些问题有了简易方便的解决方案：Smarty智能卡读写器。本文将介绍Smarty智能卡读写器有关的背景技术和开发应用知识。   
     
　　 一、概述   
　    
　　Smarty智能卡读写器形如一个3.5英寸软盘，但它内部装有自己的一套电子元件。用户只须将IC卡插入Smarty便携式IC卡读写器，然后再将Smarty读写器插入电脑的3.5英寸软驱即可。软驱和Smarty之间的通讯，是通过软驱的读写头和Smarty的特制的转换器之间的磁力耦合实现的。Smarty内有一个磁场界面电路，它能仿效旋转磁盘产生的磁场，同时也可以探测软驱写出的数据，并为其解码。   
      
　　用3.5英寸软驱作为电脑和智能卡之间的通信手段，具有如下优点：   
      
　　●普及性好：现在的大多数电脑都带有3.5英寸软驱，而这些软驱平常很少使用。       
　　●易于标准化：每年3.5英寸软盘的销量多达50亿片，安装了3.5英寸软驱的电脑也有3.5亿多台，它们都很好地遵循了一套严整的标准。     
　　●熟悉易用：所有的微机用户都熟知如何在电脑上插、拔3.5英寸软盘。    
　　●容易携带：SmartyIC卡读写器尺寸小，且无外接电线、接头或外接电源，所以携带非常方便。（与3.5寸盘一样大）   
      
　　其它由于电脑的智能卡数据读写设备（如串/并口读卡器、PCMCIA读卡器或内置总线型读卡器），在上述几个方面至少有一种或几种明显缺陷。   
      
　　需要考虑的技术问题，由于以下几个原因，Smarty智能卡读写器技术可行性大大增强：   
      
　　●零件布局：通过使用ASIC技术（应用程序专用集成电路），所有必需的零件都安装在尺寸限定的尽可能小的空间内。    
　　●工作电源：尽管Smarty智能卡读写器对卡的用电功率有一定限制，但请相信这不会妨碍任何常用种类的智能卡的使用。在正常的工作条件下，电池的寿命为1到3年。     
　　●可用性好：实践表明，用户从Smarty智能卡读写器插/拔智能卡，相对很容易。插/拔SmartyIC卡读写器的操作，与使用软盘完全相同。       
　　●可靠性高：Smarty智能卡读写器的零件相对很少，只有一个运动部件；而且，它在电路上与PC机完全隔绝。这就从根本上决定了它比其它传统的智能卡读写器更可靠。        
　　●容错性强：智能卡被限制在Smarty读写器内，所以不能“弹出”或损坏软驱。         
　　●性能卓越：用SmartyIC卡读写器支持波特率高达53.7K的卡与读卡器间通讯时，能够做到没有延时。         
　　●产品安全：SmartyIC卡读写器通过了UL、CE、FCC等机构的测试，并且获得许可。   
   
　　二、产品、背景知识和发展方向   
      
　　本文提供了一些关于SmartyIC卡读写器的技术性能和商业功用的信息，以便读者客观评价该产品。文章的主要讲述了SmartyIC卡读写器的应用、产品的机械结构和电子结构，以及对其实用性和可靠性的评价。   
      
　　什么是SmartyIC卡读写器？   
      
　　Smarty便携式IC卡读写器是一个整体的电子设备，外型和3.5英寸磁盘类似，但内部没有任何磁性介质。Smarty便携式IC卡读写器内装有一个转换器和一个电路，能仿效旋转磁盘产生的磁场，并且收集数据“写入”磁盘驱动器。因此，在标准的3.5寸软驱中SmartyIC卡读写器，不需要对软驱和电脑主机做任何调整。（当然，驱动程序还是要装的。）   
      
　　关于3.5寸软盘驱动器   
　　  
　　根据Dataquest公司市场调查报告，现在全世界有超过3亿个3.5英寸软盘驱动器。此外，据Mitsumi公司调查，1999年3.5寸软驱的产销量达1.2亿只，到2000年可能达到1.3亿多只。   
　　  
　　3.5寸软驱的尺寸参数是电脑的各种外设中标准最严格的，仅去年3.5寸盘的消费量就达到50亿片。以软驱为基础的读卡器的优点是很明显的：全世界有统一标准，从而能成为易于被用户掌握的、安全便携的读写工具。   
   
　　智能卡及其读卡器的选择   
      
　　智能卡顺其自然已成为了磁条式卡片的替代产品。人们预测，未来的几年中，智能卡在零售业和以客户为基础的银行业中将会大面积推广。不管怎样，这些系统中仍有很多是以PC机为基础的，因此卡与PC机之间的接口必不可少。现有的读卡器和计算机间的接口如下：   
      
　　●并口或串口电缆        
　　●PCMCIA（个人电脑存储卡国际协会）         
　　●内部的总线        
　　●USB（通用串行总线）   
　　  
　　所有这些方法，都易遭遇兼容性的问题。而且从理论上讲，只有PCMCIA连接还算容易，不需要专业人士来安装。但是，现在常用的大部分微机都没有PCMCIA扩展槽，而且改装费用很高（PCMCIA读卡器的价格也不菲），况且用起来并不方便。这种状况恐怕在近年内不会改观。   
　　  
　　能否有一种产品，在现有的大部分电脑和配备智能卡的商务活动或持卡消费者之间架起桥梁，对于许多电子银行系统的实施推广来说，是一个起码的前提条件。这一产品，将会使智能卡系统在消费、证券、商务的大面积推广成为可能。   
　　  
　　利用Smarty智能卡读写器作为智能卡－微机接口，这一设计思想是很有魅力的。这是因为Smarty智能卡读写器有如下优点：   
      
　　●在几乎所有的台式机或笔记本电脑上，安装都非常简单。        
　　●方便，换台电脑照常使用。         
　　●结构紧凑，易于携带。         
　　●采用客户熟悉的外观，不带缆线和接头。       
　　●操作方法很直观。       
　　●物有所值，总体成本低。   
      
　　需要考虑的因素   
　　  
　　要实施一个可行的智能卡读卡器方案，主要问题有：   
      
　　●可用性：用户往读写器里插/拔卡、在电脑上装/拆智能卡读写器的难易度。        
　　●可靠性：用做客户端设备时，智能卡读写器有足够高的可靠性。       
　　●使用性能：用做计算机和智能卡之间的通信手段时延时（如果有的话）长度。       
　　●满足的标准：遵循ISO7816标准的哪一部分；其产品技术是否兼容微软的PC/SC；其产品技术是否能掌握未来标准的主动权。   
      
　　三、机械性能要求及设计时需要考虑的问题   
      
　　智能卡   
　　  
　　Smarty智能卡读写器支持的智能卡，规格参数完全符合ISO7810和ISO7816定义的标准。名义上卡的厚度为0.8毫米，实际上0.9毫米也是可以的，因为还要有一定的尺寸误差。   
      
　　卡的接触方式   
　　  
　　卡的接触方式有两种：“普通模式”和“CP8模式”。触点的位置并不一致，但是离得很近，在同一块树脂片上。大多的触点生产厂家都增加触点的数量，以适应不同的模式。CP8模式由法国人创造并推广使用；此项技术主要出口斯堪迪那维亚地区国家。因此，Smarty智能卡读写器触点布局设计限制采用“普通模式”：允许有8个触点，只有6个是必需的。   
     
　　 插卡   
　　  
　　智能卡应该以“正常方式”插入——即：沿长边轴线方向看去，卡上的文字朝着用户是正立的。（有的卡上印有箭头，指明插入读卡器的方向。）   
　　  
　　打有凸字的智能卡（Embossedsmartcard）   
　　  
　　这些智能卡主要用于信贷交易。与其相关的ISO标准仅仅给出了凸字符的厚度（19±2thou），Smarty智能卡读写器完全满足这一规范。   
      
　　卡的定位   
　　  
　　在Smarty智能卡读写器的中心部分，空间极其有限，因此这里不允许有任何突起。此外，智能卡遮挡转换器也是不允许的。因此，在这狭小的盒状结构里，只能有一块地方可以放智能卡。应将智能卡放在Smarty智能卡读写器的下半部分，卡的背面朝着金属外壳。隔离片的作用是防止卡与金属罩接触发生短路。   
      
　　机壳体及金属罩   
　　　  
　　Smarty智能卡读写器的外型尺寸符合1988年英国标准6958－第1部分的要求。（BS6958：Part1：1988）   
　　　  
　　新式的Smarty智能卡读写器采用了一个机械互锁系统。为了最大限度地使结构一体化，金属罩的边缘轮廓都被细化了。留给软驱磁头的那块区域，是一条长方形的缝隙。所有的零部件都是热固定到盒状机体内的。   
　　　  
　　这样的设计，使得组装工序大大加快；而且，机构的接合点沿着一条连续的线排列（即：沿着边缘排列），使得结构的一体化程度非常高。选做机壳体的材料，符合下列准则：   
      
　　●能保证非常好的平面度的热塑性塑料      
　　●模块的硬度令人满意      
　　●符合适当的标准（如：UL94V0，CE等）   
　　  
　　工作说明书里指定的机壳体铸造材料是：ABS（丙烯氰－丁二烯－苯乙烯），标准壁厚0.75毫米。设计的金属罩材料为302不锈钢，厚度是0.25毫米。   
      
　　隔离片   
　　  
　　对有限的空间和零部件的外型进行深入的分析表明，PCB（印刷电路板）应放在没有活动零件的一侧，那里紧靠金属罩的内侧。隔离片（通常是0.05毫米厚）贴着金属罩的内表面，位于电池仓上面。隔离片使用的材料是用金属模制的0.05毫米厚聚酯薄片，粘结在金属罩内。  

    四、机构设计   

     插卡  

　　Smarty智能卡读写器的插卡方法很独特。在Smarty智能卡读写器的一侧，有一个长方形的狭槽。插卡时，通常是一只手拿卡、另一只手握背面朝上的Smarty智能卡读写器；卡的正面对着用户，右边朝上。卡的左手边插入长方形的狭槽，然后推卡使其充分到位。卡推到位后松手，它就会“咔嚓”一下定位在Smarty智能卡读写器的卡槽内。在这一方位，即使读卡器剧烈震动也不会发生脱落。  

      拔卡  

　　要想取出卡片，只须一只手握住Smarty智能卡读写器，另一只手用拇指和食指捏卡片即可。Smarty智能卡读写器的一侧有一块长方形孔，以便食指能碰到卡的后面。  

      卡的弯曲程度  

　　按照O7810标准规定的智能卡弯曲检测方法，智能卡应当沿着长边轴线方向弯曲偏斜20毫米时，不会发生损坏。根据计算，通常插在Smarty智能卡读写器内的卡片的最大弯曲程度为：卡的中央偏斜0毫米。（换言之，这可以称其为0偏斜或100％顺从）  

      轴心盖板  

　　这一部件由一条0.15毫米厚不锈钢片制成，在轴心部分周围的4点用热固定法装配。盖板的作用是：防止软驱的电机心轴碰坏智能卡。  

      PCB（印刷电路板）  

　　Smarty智能卡读写器采用FR4印刷电路板，其允许的厚度为0.25毫米。智能卡的接触点被热固定在机壳体上，以便准确定位。印刷电路板固定在下面，这样能防止它对卡片产生干扰。  

      微型开关和凸轮  
 
　　微型开关是为了方便客户使用而设计的，因此要放在恰当的位置。开关的细小零件都包藏在机壳体内。开关有一部分是电池仓，上面带有焊点。开关可以安装在机体内的两个位置，旁边电池的触点放在焊点的下方，此触点由手工焊成。  

      电池仓、电池仓的门及接触点  

　　电池仓的名义尺寸，规定为厚度2.5毫米、直径20毫米。  

　　安放电池接触点，是为了优化电池固定点的几何布局（例如，电池可以由它周围的等距三点支撑：有两点固定在机壳体上，第三点是一个接触点）。两个接触点都可以用机械方法固定（如热固定），有一端允许自由弯曲。  

       转换器和桥形结构  

　　在设计转换器总成时，在保证“方孔”处于正确位置的前提下，尽量让这一部件的大部分放在靠近机壳体顶端的位置。设计机壳体时，不是将其推入一个槽内，而是尽量使用销和桩定位以便转换器安装定位。  

　　电子元件采用手工焊接到印刷电路板上。一条长方形的桥状结构扣在转换器上面，以便提供非金属表面隔开软驱磁头，保护转换器。  

    五、电子器件、硬件及软件  

      电源  

　　Smarty智能卡读写器采用2块币状锂电池（型号为CR2025）供电，两块电池一起使用的寿命为300mAH。  

      电子器件  

　　除了微型控制器和内存，Smarty智能卡读写器现在采用的电路由2套ASIC（特定用途集成电路）实现：一个是数字电路、一个是模拟电路。  

　　采用ASIC电路，除了保障了机构尺寸上的可行性之外，还有许多其它好处。其优点如下：  

    ●增加了可靠性，提高了生产率   
    ●改善了性能——因为通讯协议的速度提高了   
    ●延长了电池的使用寿命——因为电路的静电耗和动电耗都降低了  
　　　  
    Smarty智能卡读写器内使用的磁信号接口电路（模拟ASIC电路），执行的是一种全速（250Kbit/sec，即：与1.44Mbytes的软驱同步）MFM协议（改进调频制，即数据在PC机软盘上编码采用的方法）。这使得在不影响成本和空间限制的前提下，ASIC内增加程序的复杂程度成为可能。不管怎么说，加快Smarty智能卡读写器与计算机之间的通信速度，实际上没多大意义，因为这对整体性能提高的贡献微乎其微。这是由于，大部分的操作速度都被智能卡通讯协议的速度限制住了。  

      电脑软件  

　　Smarty智能卡读写器的计算机软件由一个“C语言”链接库（可用DOS，Windows,Windows95,Windows98或NT等系统支持）构成，其中包含许多函数，用以重新设置智能卡及从卡中收发数据；还包括一些执行ISO7816－3T=0和T=1通信协议的函数。  

    六、性能、适用性和可靠性  

      命令执行时间  

　　Smarty智能卡读写器的ISO智能卡接口，是以每块255（T=1）、259（T=0）字节的方式在电脑和Smarty读写器之间转换数据的。  

　　Smarty智能卡读写器给智能卡提供的变量时钟频率为1.25MHz、2.5MHz或5MHz。这样的好处是：  

　　Smarty智能卡读写器与智能卡通讯的波特率可在3.4到53.7之间不等。当收到电脑的一块数据包时，Smarty的硬件以此波特率把要求的字节数转播给智能卡，然后等待智能卡的应答。探测到这个应答的尾部有两种方法：要么是用可编程的字符间隔超时设定，要么是由计算机应用程序指定预期数据的长度。  

　　例如，典型的“校验口令”命令就涉及到如何把20字节数据传送给智能卡、并接收约为5字节的应答数据的问题。这就要耗费大约66毫秒在电脑和Smarty智能卡读写器之间传输数据，再耗费16毫秒在Smarty智能卡读写器和智能卡之间传递数据。此外，智能卡还要耗费几毫秒来处理这些请求。因此，这样的命令每秒钟能处理5条左右。  

      电池寿命  

　　用各种各样的智能卡对Smarty智能卡读写器硬件进行的大范围的测试，以及对特定应用程序的分析，都正在现行标准的基础上进行。例如：  

    ●智能卡在工作状态下，工作电压4.75伏特、电流为4毫安；“等待”状态电流小于1毫安。   
    ●智能卡完成一条命令（数据输入、计算机数据输出）的工作时间，加上转变到“等待”模式的时间，共计1/2秒。   
    ●每次交易含4条命令。（例如：校验密码、从卡片内存读取数据、计算MAC或数字签名、在卡片内存写入数据）。  

　　在正常情况下，Smarty智能卡读写器的电池寿命足够进行4000笔交易，也就是：如果每天进行五次交易，可用1～3年（另外还得看用的是什么卡）。运用Smarty智能卡读写器的省电特性，会大大延长电池寿命。这种情况下，使用的是电压5伏的智能卡。使用电压3伏的智能卡，则可延长电池的寿命。  

　　注：当关掉开关或处于等待状态时，Smarty智能卡读写器和智能卡的耗电量非常低：小于4毫安。  

     电子部件的可靠性  

　　Smarty智能卡读写器的可靠性超过（设计、生产和质量保障等条件相同）一般的读卡器，是因为它与电脑没有电路连接，从而不会掉电或传导静电。由于它靠电池供电，所以不受外接电源可能带来的电压不稳、用电特性不一致的影响。  

      机械部件的可靠性  

　　Smarty智能卡读写器内与卡片的电路的连接点，是经得起任何常规读卡器压卡应力考验的高质量部件。除了这些能弹性变形的触点和凸轮式的开关，Smarty智能卡读写器内再没有其它活动部件。智能卡的插入、保持和拔出机构相对于Smarty智能卡读写器机壳体完全是不动的。因此，它有着与生俱来的非常高的机械可靠性。