非接触式智能卡在城市一卡通中关键技术

文章出处：http://www.singbon.com 作者： 人气： 发表时间：2012年02月21日

    非接触卡最热门的应用当属城市公交系统，目前全球已有超过100个城市引入非接触式公交支付项目，非接触式IC卡在公交系统的应用大大推动了非接触式IC卡的发展，成为各大IC卡厂商的必争之地。

    但随着城市一卡通系统的发展和成熟，一卡通系统不再仅限于公交系统内的使用，对于非接触式IC卡，对其应用扩展性和安全性都有了更高的要求。非接触式智能卡以其高安全特性开始为人们所瞩目。今年4月份在昆明举行的全国公交IC卡供需见面会上，握奇数据最新推出的非接触CPU卡成为整个会议的焦点。

    握奇数据在非接触式智能卡方面的技术已经非常成熟，早先就已经研发并推出了TimeCOS/DI双界面卡，一张卡片，两种通讯方式：接触式和非接触式。在具备传统智能卡的优势外，还同时具备接触式卡和非接触式卡的优势，握奇数据这种双界面卡在市政公交系统中已经展开应用，典型案例有苏州城市一卡通、大连公交一卡通等。

    最近，经过长时间酝酿的NFC开始了正式的公开试用，握奇数据基于双界面智能卡技术的SIMpass手机移动非接触应用方案也展开了内部试用，非接触智能卡发展已经步入快行道。

    非接触式智能卡应运而生

    如今，接触式IC卡在人们的日常生活中得到了普遍的应用。在接触式IC卡的普及过程中，逐渐发现了许多的弊端：卡在读写器上经常拔插造成的磨损导致接触不良，从而引起数据传输错误，并且卡与读写器之间的磨损也大大缩短了卡和读写器的使用寿命；另外，接触式IC卡的通讯速率较低，再加上插拔卡的动作延误，造成每一笔交易需要较长时间的等待。为了解决这些问题，握奇数据推出了非接触式智能卡。

    越来越多的应用除了对非接触卡的接口提出了要求，还对传统非接触卡的应用开发提出了进一步的要求。原来非接触卡的指令比较简单，功能比较少。要完成一个复杂的操作如建立一个文件需要对非接触卡的数据结构十分了解而且要编写许多条指令。特别是非接触卡中存放的许多资料是比较敏感的，如金额之类，在对这些资料进行读写时，如果发生意外使操作中断，如何正确恢复资料是一个很头痛的问题，这需要很高软件技巧。所有这些大大阻碍了非接触卡的应用开发。因此握奇数据在非接触卡集成入CPU，通过COS软件来提供一个简单、强大的应用软件开发接口是一个很好的解决方法。

    非接触式智能卡的工作原理

    非接触式智能卡又称射频卡，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术和智能卡技术结合起来，解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。

    非接触系统一般由非接触智能卡和读写器以及控制模块组成。

    握奇数据推出的非接触智能卡，是将芯片和天线完全封装在卡片内部，此种卡的表面没有触点，通过电磁感应方式与读写器进行通信。对于符合ISO14443标准的非接触智能卡，向读写器（PCD，接近式耦合设备）的数据传输采用的分别采用振幅键控(OOK)调制曼彻斯特编码（Type A）和用相位键控(BPSK)调制的非归零编码（Type B）。

    读写器(Reader)，主要由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。读写器可将读写命令传送到非接触智能卡并分析其响应的数据。对于符合ISO14443标准的机具，向非接触智能卡片（PICC，接近式智能卡）的数据传输采用的分别是100％ASK调制的改进的密勒编码（Type A）和10％ASK调制的非归零编码（Type B）。

    系统按13.56MHz的工作频率以半双工方式在非接触智能卡与读写器之间进行双向数据传输的。读卡器将控制模块（主机）要发送的信息，经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送，进入读卡器工作区域的非接触智能卡接收此脉冲信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断，并做出响应。

    另一方面，读卡器的载波信号中还包含电源信号，该信号由非接触智能卡接收后，与本身的L/C产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作，从而给非接触智能卡提供了电源。数据交换与管理系统主要完成数据信息的存储及管理、对卡进行读写控制等。

    非接触式智能卡的诸多特色

    与接触式IC卡相比较，非接触式智能卡具有诸多优点：

    Ø 可靠性高、使用寿命长：卡片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。特别在一些条件恶劣、干扰很大的环境里，由于其完全封闭的封装形式，不仅可以防止由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰尘和油污等导致接触不良，而且具有防水汽、防静电、防震动和防电磁干扰的优良特性。 

    Ø 操作方便、快捷：由于采用非接触通信方法，读写器在某个距离范围内就可以对卡片操作，所以不必插拔卡，而且非接触智能卡使用时没有方向性，卡片可以随意方向掠过读写器表面，完成一次操作仅需0.1秒，这就大大提高了每次使用的速度。

    Ø 防止冲突、抗干扰性好，可同时处理多张卡：有防冲突机制，能有效防止卡片之间出现数据干扰，在多卡“同时”进入读写范围内时，读写设备可一一对卡进行处理。这提高了应用的并行性，也无形中提高了系统工作的速度。

    Ø 高安全性：非接触智能卡与读写器之间采用双向验证机制和三次相互确认；而且在通讯过程中所有的数据都加密；此外，卡中各个区域都有自己的操作密码和访问条件。

    Ø 适合于多种应用：握奇数据推出的非接触智能卡的存贮结构特点使其能够实现城市通卡的一卡多用需求；如：电子钱包/存折、公交、出租、轨道交通、园林景区、高速公路一般路、桥收费或等应用。每个应用均可设置不同的密码和访问条件，系统配置相当灵活多样。

    非接触式智能卡的一些关键技术

    非接触式智能卡的工作特点，反映在设计、安全与制造过程中存在的一些技术难点，主要集中表现在芯片的制造、安全体系的架构和卡片的封装方面。

    1、射频技术（线圈和天线设计）：非接触式智能卡是当今世界先进的射频技术和IC卡技术相结合的产物，卡内需有经特殊设计的天线，并埋装在卡内；必须保证有良好的抗干扰性能，而且还要设有“防冲突”电路。识别卡的距离远近主要取决于机具的天线设计和智能卡的线圈设计，所以作为表现出色的智能卡来说，天线设计也是关键技术之一。

    2、低功耗技术：无论是按有源方式还是按无源方式设计的非接触式智能卡，一个最基本的要求都需要降低功耗，以提高卡片的寿命和扩大应用场合，可以说降低功耗，同保证一定的距离是同等的重要。因此卡内芯片一般都采用非常苛刻的低功耗工艺和有关技术，如电路设计中采用“休眠模式”技术进行设计制造。

    3、封装技术：由于非接触式IC卡中需要埋装天线、芯片和其他特殊部件，为确保卡片的大小、厚度、柔韧性和高温高压工艺中芯片电路的安全性，需要特殊的封装技术和专门设备。由于目前的主要封装方式有ABS、PVC、PVC＋ABS、PET（PETG）等，但是有的容易断裂，有的太柔软，有的抗老化效果不好、有的对封装线圈有影响。所以找一款各方面都有上佳表现的卡基材料也是非常重要的问题。而且如果再加上内成像、银联标的话，整个制卡工序更加繁复，整个的成品率就不会很高，所以如何有效的提高非接触智能卡的生产成品率也是世界上广泛研究的课题之一。

    4、安全技术除了卡的通讯安全技术外，还要以卡用芯片的物理安全技术和卡片制造的安全技术这二个方面再和前者构成其强大的安全体系。在卡片结构上，射频模拟前端(RF AFE) 屏蔽了智能卡片上的电源、时钟、上电复位(POR)等信号与外界的联系，在一定程度上减少了攻击实施的点。对于如SPA（Simple Power Analysis）和DPA（Differential Power Analysis）的能量攻击的方法，对于高安全等级的非接触智能IC卡（比如握奇数据的TimeCOS FLY）来说，在COS以及一些关键算法的设计时，需采用随机时间移动、对一个指定的算法提供一种明确的计算方式、将中间变量分为两个或更多的变量等方法来抵御攻击。