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1、IC卡技术及其应用,按卡内集成电路的不同分类 1）只读卡，卡中只有不能改写的ID号，故又称为ID卡。2）逻辑加密存储卡，卡中带有加密逻辑和EEPROM。3）CPU卡，卡中的芯片电路包含有CPU。片内操作系统COS安装在片内的ROM中，有的卡内还装有协处理器，用以提高数据安全性和读、写速度。,按卡与读写器之间通信使用的载波频段不同分类低频卡，主要有125kHz和134.2kHz两种。大多在短距离、低成本的系统中应用中频卡，主要为13.56MHz。用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统。高频卡，卡与读写器之间通信使用的频段为高频段,按作用距离的不同分类 密耦合卡，卡与读写器之间的有效作用距离为01
2、cm。近耦合卡，卡与读写器之间的有效作用距离为015cm。疏耦合卡，卡与读写器之间的有效作用距离为01m。远距离卡，卡与读写器之间的有效作用距离为110m，或更远。,按卡内芯片供电方式的不同分类 有源卡，有源是指IC卡内装有电池以提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适宜在恶劣环境下工作。无源卡，卡内无电池，它利用射频电磁波供电技术将接收到的射频电磁波能量转化为直流电源为卡内电路供电，其作用距离不如有源卡远，但寿命长且对工作环境要求不高。,非接触式IC卡的基本原理,非接触式IC卡与读写器的组成,非接触式IC卡的基本原理,非接触式IC卡的能量传递 一部分是供电基波，被卡接收
3、后，在卡内的LC电路中产生谐振，从而使电容充有电荷，在这个电容的另一端，接有一个二极管，它将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当电荷积累使电压达到2V时，此电容可作为电源另一部分则是组合数据信号，IC卡接收后解调出各命令和数据，进而按照命令要求接收或发送数据。,非接触式IC卡的基本原理,非接触式IC卡的通信 在ISO/IEC14443标准中，定义了两种射频调幅调制的信号类型TYPE A：一般用于逻辑加密存储卡TYPE B：一般用于CPU卡,ISO/IEC14443，无触点集成电路卡，近耦合卡。分为4部分：物理特性、射频功率与信号接口、初始化和防冲突、传送协议。,非接触式IC卡的基本原理,非接触
4、式IC卡的基本原理,读写器到IC卡的数据传输 读写器中的发送电磁波的部分电路被称为PCD（proximity coupling device）IC卡中接收电磁波的部分电路则称为PICC（proximity integrated circuit card）。,非接触式IC卡的基本原理,读写器发送的TYPE A和TYPE B波形读写器接收的TYPE A和TYPE B波形,ASK，100%改进的Miller编码，106kbit/s,ASK，10%NRZ-L，106kbit/s,负载调制副载波，fs=fc/16=847kHz副载波OOKManchester编码，106kbit/s,负载调制副载波，fs
5、=fc/16=847kHz副载波BPSKNRZ-L,106kbit/s,非接触式IC卡的基本原理,读写器到IC卡的数据传输 TYPE A发送波形为ASK100调制的变形的Miller编码。数据调制幅度大，易于识别，但中间会出现短时间无波形，导致瞬时不能为IC卡提供能量。要求IC卡有较大电源滤波电容，以保持供电稳定TYPE B发送波形为ASK10调制的NRZ（不归零）编码，中间没有会出现无波形时段，保证了IC卡的稳定供电。但数据信号变化幅度较小，抗干扰能力弱，数字信息不易识别,非接触式IC卡的基本原理,变形的Miller编码 当传送“1”时，波形呈现为先高后低而当传送“0”时，发送波形与上一个位
6、有关，当前一位是“0”则呈现为先低后高，当前一位是“1”则呈现一直是高,非接触式IC卡的基本原理,变形的Miller编码,非接触式IC卡的基本原理,IC卡到读写器的数据传输 TYPE A接收波形为10调制Manchester编码在9.44时间内，从有副载波（4个波头）转为无副载波（4个波头）为“1”；从无副载波（4个波头）转为有副载波（4个波头）为“0”。,非接触式IC卡的基本原理,IC卡到读写器的数据传输 TYPE B接收波形为10副载波BPSK调制（二相制相移键控）NZR-L编码即波形中仅含有两种相位的信号，某一种相位的信号（如0）可以代表“1”；则另一种相位的信号（180）代表“0”。在
7、此，采用8个波头表示一个位（bit）；起始点为高电平（定义为0）代表“1”；起始点为低电平（定义为180）代表“0”。,非接触式IC卡的基本原理,IC卡到读写器的数据传输 TYPE A的发送和接收采用帧同步方式，即一帧包含若干字节，字节之间有奇偶校验位，而每帧只有一个帧起始位和一个帧结束位TYPE B协议的发送和接收采用字节同步方式，即每个字节有1个起始位和1个结束位的同步方式。,非接触式IC卡的基本原理,非接触式IC卡的防冲突 由于非接触式IC卡与读写器之间的通信是非接触的，在同一时刻读写器天线有效范围以内可能存在多张非接触式IC卡。如果多张非接触式IC卡同时与读写器通信，则势必出现通信冲突
8、。为了避免出现冲突，ISO/IEC144433中给出了两种类型的防冲突协议TYPE A和TYPE B。,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A的初始化与防冲突 TYPE A的IC卡状态集 TYPE A命令集TYPE A的IC卡的状态变化 UID的构成与级联 IC卡的请求应答（answer to request，ATQA）IC卡的选择应答（select acknowledge，SAK）TYPE A读写器的初始化与防冲突,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A的IC卡状态集 POWER-OFF（掉电状态）状态描述：由于没有足够的载波能量，IC卡没有被复位工作，不能接收命令。退出条件：如果IC卡所处
9、场强大于Hmin（可参考ISO/IEC 144432），则IC卡在经过延时之后进入IDLE状态。,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A的IC卡状态集IDLE（闲置状态）状态描述：IC卡已经上电，能够解调信号，并能够识别有效的REQA/WUPA（WAKE UP）命令。退出条件：IC卡在收到有效的REQA/WUPA命令后发送ATQA（请求应答）并进入READY状态。,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A的IC卡状态集READY（准备状态）状态描述：在该状态下，实现位帧的防冲突算法或其他可行的防冲突算法。退出条件：当IC卡被选择后则进入ACTIVE状态。,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A的
10、IC卡状态集ACTIVE（激活状态）状态描述：读写器经过防冲突流程已经选择了单一的IC卡。退出条件：当IC卡收到有效的HLTA命令，则进入HALT状态。,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A的IC卡状态集HALT（暂停状态）状态描述：IC卡仅能响应WUPA命令。,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A命令集 REQA：TYPE A请求命令。WUPA：TYPE A唤醒命令。ANTICOLLISION：防冲突命令。SELECT：选择命令。HLTA：暂停命令。,非接触式IC卡的基本原理,TYPE A的IC卡的状态变化,非接触式IC卡的基本原理,非接触式IC卡的主要厂家PhilipsAtmel,Mi
11、fare 1非接触式IC卡,Mifare 1系列中，目前只有S50和S70两个型号 Mifare 1 型IC卡与读写器通信为半双工方式，卡内带有CRC协处理器。Mifare 1型IC卡上具有数据通信加密和双向认证密码系统。卡内还自带加值/减值算术运算电路，非常适合公交地铁等行业的收费系统。,Mifare 1非接触式IC卡,性能简介1）对于S50卡，具有8Kbit EEPROM存储容量，并划分为16个分区，每个分区划分为4个数据存储块，对于S70卡，则有32Kbit EEPROM存储容量，划分为32个分区。2）每个分区有独立的密码及访问控制。3）每张卡有唯一的32bit序列号。,Mifare 1
12、非接触式IC卡,性能简介4）具有防冲突功能，支持多卡操作。5）卡内无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通信逻辑电路。6）数据保存期为10年，可改写100 000次，读无限次。7）工作温度为-2085。,Mifare 1非接触式IC卡,性能简介8）工作频率为13.56MHz。9）通信速率为106kb/s。10）读写距离在10mm以内（与读写器有关）。11）静电保护达2kV。,Mifare 1非接触式IC卡,Mifare 1非接触式IC卡的组成,Mifare 1非接触式IC卡,射频接口部分接收到的13.56MHz的射频无线电基波将被送往整流滤波模块，经电压调节模块输出为IC卡供电同时还将被送至调制
13、/解调模块，得到其载波通信数据，经接口送至数字电路部分。对于从数字电路部分传来的数据，也是经调制解调模块使数据搭载于射频信号发射出。波形转换模块的作用是将正弦波转换为方波，使之成为标准的逻辑电平。,Mifare 1非接触式IC卡,数字电路部分复位应答防冲突选择应用认证与访问控制控制及算术运算单元RAM/ROM单元加密单元,Mifare 1非接触式IC卡,复位应答复位应答模块的作用就是根据运行状态给出复位应答信息。当一张IC卡处在读写器的天线的工作范围之内时，如果读写器向IC卡发出了请求命令后，IC卡的ATR将启动，并将IC卡中block 0 中的2B IC卡类型传送给读写器，建立IC卡与读写器
14、的第一步通信联络,Mifare 1非接触式IC卡,防冲突 安装于读写器上的非接触式IC卡接口集成电路可以配合IC卡上的防冲突功能模块，根据IC卡的序列号来选定某一张IC卡进行操作。被选中的IC卡将直接与读写器进行数据交换，未被选择的IC卡处于等待状态，随时准备与读写器进行通信。防冲突模块启动工作时，读写器将得到IC卡的序列号。序列号存储在IC卡的block 0中，包括4B序列号和1B序列号的校验字节（CRC码）,Mifare 1非接触式IC卡,选择应用用于IC卡的选择读写器将收到从被选中的IC卡传送出的容量字节（size：88H，存储于block 0）。当读写器收到这一字节后，就可以对IC卡进
15、行进一步的操作了，如进行密码验证等操作。,Mifare 1非接触式IC卡,认证与访问控制 在对IC卡进行读、写操作之前，必须对IC卡的密码进行认证。如果认证正确，则允许进行读、写操作。Mifare 1型IC卡共有16个分区，每个分区都可分别设置各自的密码，互不干涉。因此每个分区可独立地作为某一种应用。,Mifare 1非接触式IC卡,控制及算术运算单元 对IC卡中的各电路模块进行微操作控制，使各模块协调工作。完成对各收发数据的算术运算处理、加值/减值处理、CRC运算处理等。加密单元完成对数据的加密处理及密码保护。,Mifare 1非接触式IC卡,RAM/ROM单元配合控制及算术运算单元，将运算
16、的结果进行暂时存储，RAM中的数据在IC卡掉电后（IC卡离开读写器天线的有效工作范围内）将丢失。ROM中固化了IC卡运行所需要的必要的基本程序命令，由控制及算术运算单元取出去对每个单元进行微命令控制，使IC卡能与读写器进行数据通信。,Mifare 1非接触式IC卡,存储器部分 由EEPROM存储器及其接口电路组成EEPROM中的数据在IC卡失电后不会丢失Mifare 1型IC卡的EEPROM存储器容量为8192bit（1 KB）。共分为16个分区。,Mifare 1非接触式IC卡,Mifare 1型非接触式IC卡的密码认证,Mifare 1非接触式IC卡,Mifare 1型非接触式IC卡的密码
17、认证（A）环节：由IC卡向读写器发送一个随机数据RB。（B）环节：读写器收到RB后，向IC卡发送一个令牌数据TOKEN AB，其中包含了读写器发出的一个随机数据RA。（C）环节：IC卡收到 TOKEN AB后，对TOKEN AB的加密部分进行解密，并校验第一次由（A）环节中IC卡发出的随机数RB是否与（B）环节中接收到的TOKEN AB中的RB相一致。,Mifare 1非接触式IC卡,Mifare 1型非接触式IC卡的密码认证（D）环节：如果（C）环节校验结果正确，则IC卡向读写器发送令牌TOKEN BA给读写器。（E）环节：读写器收到令牌TOKEN BA后，将对令牌TOKEN BA中的RB（
18、随机数）进行解密；并校验由（B）环节中读写器发出的随机数RA是否与（D）环节中接收到的TOKEN BA中的RA相一致。,Mifare 1非接触式IC卡,Mifare 1 S50型非接触式IC卡的存储结构 存储容量为8192bit（即1KB）采用EEPROM作为存储介质，整个结构划分为16个分区，编为分区015每个分区有4个块（block）,即块0、块1、块2和块3。每块有16B，一个分区共有64B每个分区的块3（即第4块）是一个控制块，包含了该分区的密码A（6B）、访问控制（4B）、密码B（6B），其余三个块是一般的数据块。,Mifare 1非接触式IC卡,厂商代码块分区0的块0（即绝对地址0
19、块）是厂商代码，已固化，不可改写 第04字节为IC卡的序列号第5字节为序列号的CRC校验码第6字节为IC卡的容量“SIZE”字节第7、8字节为IC卡的类型编码字节其他字节由厂商自行定义。,Mifare 1非接触式IC卡,数据块 分区0包含1个厂商代码块（块0）和2个数据块（块1、块2），其他15个分区均包含3个数据块（块0、块1、块2），每个块有16B。通过对块3中的访问控制的设置，可以将数据块配置为读、写块或数值块。,Mifare 1非接触式IC卡,数据块读写块：作为一般的数据保存，可直接读、写整个块。数值块：作为数值块可以支持读、写、加值、减值、恢复、传送功能，特别适宜用作计数消费或小额消
20、费。,Mifare 1非接触式IC卡,控制块密钥A（第05字节，共6B）和密钥B（第1015字节，共6B，可选）：读密钥A或密钥B时只能读到0。访问控制（第69字节，共4B）：用于设置访问该分区4个存储块的条件，访问控制还可确定数据块的类型（读、写块或数值块）。,Mifare 1非接触式IC卡,Mifare 1型非接触式IC卡的存储器操作,Mifare 1非接触式IC卡,Mifare 1 S50型非接触式IC卡的访问控制 访问控制为4B，共32bit，分区中的每个块的访问条件是由密码和访问控制共同决定的，在访问控制中每个块都有相应的三个控制位，定义如下：块0：C10 C20 C30；块1：C1
21、1 C21 C31；块2：C12 C22 C32；块3：C13 C23 C33。对Cij，i为访问控制位序号，j为块号,Mifare 1非接触式IC卡,Mifare 1 S50型非接触式IC卡的访问控制访问控制位于每个分区的块3的字节69访问控制字如下：,Mifare 1非接触式IC卡,块03的控制位及其控制功能作用,Mifare 1非接触式IC卡,每个分区块3的访问控制功能表和每个分区存储数据块（块02）的访问控制功能表 参见书表5.25和表5.26 Mifare 1 S50非接触式IC卡出厂时每个分区的块3的字节69字节的默认设置为9FFH、07H、80H、69H,Mifare 1非接触式
22、IC卡,Mifare 1 S50型非接触式IC卡的命令 26H，REQIDL，只对未处于暂停状态的IC卡发送请求应答命令52H，REQALL，对全部IC卡发送请求应答命令93H，ANTICOLL1，防冲突60H，AUTHENT1A，验证A密钥,Mifare 1非接触式IC卡,Mifare 1 S50型非接触式IC卡的命令61H，AUTHENT1B，验证B密钥30H，READ，读块A0H，WRITE，写块C0H，DECREMENT，减值,Mifare 1非接触式IC卡,Mifare 1 S50型非接触式IC卡的命令C1H，INCREMENT，加值C2H，RESTORE，恢复B0H，TRANSFE
23、R，传送50H，HALT，暂停,非接触式IC卡的射频接口集成电路,非接触式IC卡射频接口电路的功能是实现IC卡读写器与IC卡的通信，进而对IC卡内的数据进行操作。非接触式IC卡采用射频无线通信，既要提供能量又要传送数据，因此，接口电路比较复杂。Philips公司于2000年给出了非接触式IC卡专用接口集成电路MF RC500。,非接触式IC卡的射频接口集成电路,表5.28为Philips公司的非接触式IC卡专用接口集成电路主要参数。,非接触式IC卡的射频接口集成电路,MFRC500主要功能和特点MF RC500符合ISO/IEC14443标准中TYPE A协议（以下简称为TYPE A）的规定。
24、集成了13.56MHz频率下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。用其内部的射频接口部分直接驱动近距离天线，作用范围可达100mm。,非接触式IC卡的射频接口集成电路,MFRC500主要功能和特点接收部分的解调电路可用于所有与TYPE A兼容的应答信号数字处理，实时接收TYPE A数据帧，并支持CRC校验码。此外它还支持快速加密算法，用于Mifare 系列产品的验证。MF RC500提供了串行接口和并行接口，可直接与任何8bit微处理器相连，为非接触式IC卡读写器的设计提供了极大的方便。,非接触式IC卡的射频接口集成电路,MFRC500主要功能和特点MFRC500主要特点：高集成度的模拟调制解
25、调电路天线输出带有驱动器，可以直接连接天线，外部使用元件少 操作距离可达100mm 支持Mifare 双界面卡 支持ISO/IEC14443 TYPE A协议 内部自带振荡电路，直接连接13.56MHz晶体振荡器，振荡频率自动监控 支持软件控制的Power Down节电模式,非接触式IC卡的射频接口集成电路,MFRC500主要功能和特点MFRC500主要特点：唯一的序列号 64bit发送和接收FIFO 缓冲区 一个可编程定时器，一个串行输出输入口，一个中断处理器 具有防冲突功能 具有加密功能，自带512bit的EEPROM保存加密数据 支持Mifare标准的加密算法 工作温度为-25+85 擦写次数为100 000 数据保存为10年,非接触式IC卡的射频接口集成电路,MFRC500主要功能和特点MF RC500主要电气参数如表5.29所示,非接触式IC卡的射频接口集成电路,MFRC500的封装和引脚MF RC500射频接口集成电路的封装形式为S032，引脚分布如图5.14所示。,非接触式IC卡的射频接口集成电路,MFRC500的封装和引脚MF RC500射频接口集成电路的引脚功能。,非接触式IC卡的射频接口集成电路,MFRC500的基本构成MF RC500射频接口 集成电路内部构成 示意如图5.15所示。,
