智能卡世界
世界网络www.linkwan.com 创办人 林和安 发表于《中无通讯》第92期
我们生活中需要用到各种各样形形色色的智能卡，例如身份证、电话卡、银行卡、门禁卡、公交卡、会员卡等等。那这些卡智能有没有区别呢？它们採用的技术是相同的吗？带着这些疑问，让我们一起去探究智能卡背后的技术世界。本文将会向大家介绍一些常见智能卡片所採用的技术，如IC卡、ID卡、CPU卡等。
图1 各种各样的卡
简单来说，ID卡全称为身份识别卡（Identification Card），芯片最为简单，仅记录有ID号，工作在125KHz的频率，需要的天线电感值大概在几百微亨。IC卡与ID卡相比，IC卡全称集成电路卡（Integrated Circuit Card）增加了信息存储功能，CPU卡则相当于一台微型计算机，在IC卡的基础上，还具有加解密计算甚至是逻辑运算功能。IC卡和CPU卡天线一样的，都是工作在13.56MHz，天线电感值大概在几微亨。非接触式ID卡、IC卡、CPU卡均採用射频技术进行识别。
图2 IC卡基本原理图
一、射频标签
射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，它是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。
从概念上来讲，射频识别技术是使用读写器和粘贴于目标物上的射频标签，利用射频信号将物品信息从射频标签传给读写器。一般来说，射频识别系统包括射频标签、读写器和数据管理系统三部分，是利用无线电波或微波能量进行非接触双向通信，实现目标识别和数据交换功能的自动识别系统。
图3 射频识别系统结构图
射频标签又称电子标签、应答器、数据载体，是RFID系统的真正的数据载体。一般情况下，射频标签由标签天线和标签专用芯片组成。每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上。标签相当于条形码技术中的条形码符号，用来存储需要识别和传输的信息。射频标签必须能够自动或在外力的作用下，把存储的信息主动发射出去。射频标签可以像纸一样薄，可编程，射频标签内存储的信息可按特殊的应用随意进行读取和改写。射频标签中的内容被改写的同时，也可以被锁死保护起来。依据射频标签供电方式的不同，射频标签可以分为有源射频标签和无源射频标签。有源射频标签内装有电池，无源射频标签内部没有电池。有源射频标签的工作电源由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分转化为射频标签与读写器通信所需要的能量。无源射频标签的能量由读写器发出的射频信号提供。无源射频标签的通信距离比有源的射频标签的通信距离近，但其结构简单，成本低，寿命长，近年发展很快。
在射频识别系统工作过程中，空间传输通道中发生的过程可归结为三种事件：数据交换是目的，时序是数据交换的实现方式，能量是时序得以实现的基础。根据射频识别系统的不同特点，射频识别系统有多种分类方法，根据工作频率划分，有低频、中频、高频；根据存储器是否可写，可分为只读型和可读写型；根据读卡器和应答器谁先发送信息，可分为TTF型和RTF型；另外根据应答器内是否内置电源可分为有源型和无源型。
二、ID卡
ID卡全称为身份识别卡（Identification Card），原则上是一种不可写入的感应卡，含固定的编号，主要有台湾SYRIS的EM格式、美国HIDMOTOROLA等各类ID卡。卡内除了卡号外，无任何保密功能，其“卡号”是公开、裸露的。
系统由ID卡、和后台控制器组成。工作过程如下：1、ID卡读卡器将载波信号经天线向外发送，载波频率为125KHZ。2、ID卡进入读卡器的工作区域后，由读卡器中电感线圈和电容组成的谐振回路接收读卡器发射的载波信号，卡中芯片的射频接口模块由此信号产生出电源电压、复位信号及系统时钟，使芯片“激活”；3、芯片读取控制模块将存储器中的数据经调相编码后调制在载波上，经卡内天线回送给读卡器；4、读卡器对接收到的卡回送信号进行解调、解码后送至后台计算机；5、后台计算机根据卡号的合法性，针对不同应用做出相应的处理和控制。
图4 ID卡读卡器内部流程图
三、IC卡
IC卡(Integrated Circuit Card)，也称智能卡，它是将一个微电子芯片嵌入符合ISO 7816标准的卡基中，做成卡片形式。IC卡与读写器之间的通讯方式可以是接触式，也可以是非接触式。IC卡由于其固有的信息安全、便于携带、比较完善的标准化等优点，在身份认证、银行、电信、公共交通、车场管理等领域扮演着重要角色。
一般常见的IC卡採用射频技术与支持IC卡的读卡器进行通讯。非接触性IC卡本身是无源卡，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成:一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与本身的L/C产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、储存等，并返回信号给读写器,完成一次读写操作。读写器则一般由单片机，专用智能模块和天线组成，并配有与PC的通讯接口，打印口，I/O口等，以便应用于不同的领域。非接触式IC卡又称射频卡，成功地解决了无源（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。
下页图为IC卡及其读写器硬件电路图。其中读写器由单片机、键盘、显示、监控电路等部分组成。X76F100为128×8位的保密串行FLASH E2PROM,其中读密码和写密码分别为64位。把芯片封装在一个卡片上，将卡片插入IC卡读写器的卡座中，读写器就可以对它进行读写，实现加密、查询、存款、取款等功能。
图5 IC卡读写器电路图
三、IC卡
IC卡(Integrated Circuit Card)，也称智能卡，它是将一个微电子芯片嵌入符合ISO 7816标准的卡基中，做成卡片形式。IC卡与读写器之间的通讯方式可以是接触式，也可以是非接触式。IC卡由于其固有的信息安全、便于携带、比较完善的标准化等优点，在身份认证、银行、电信、公共交通、车场管理等领域扮演着重要角色。
一般常见的IC卡採用射频技术与支持IC卡的读卡器进行通讯。非接触性IC卡本身是无源卡，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成:一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与本身的L/C产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、储存等，并返回信号给读写器,完成一次读写操作。读写器则一般由单片机，专用智能模块和天线组成，并配有与PC的通讯接口，打印口，I/O口等，以便应用于不同的领域。非接触式IC卡又称射频卡，成功地解决了无源（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。
以下一款为IC卡及其读写器硬件电路图。其中读写器由单片机、键盘、显示、监控电路等部分组成。X76F100为128×8位的保密串行FLASH E2PROM,其中读密码和写密码分别为64位。把芯片封装在一个卡片上，将卡片插入IC卡读写器的卡座中，读写器就可以对它进行读写，实现加密、查询、存款、取款等功能。
图5 IC卡读写器电路图
四、CPU卡
CPU是(Central Processing Unit)的缩写，CPU卡芯片内的集成电路中带有微处理器CPU、存储单元（包括随机存储器RAM、程序存储器ROM（FLASH）、用户数据存储器EEPROM）以及芯片操作系统COS。装有COS的CPU卡相当于一台微型计算机，不仅具有数据存储功能，同时具有命令处理和数据安全保护等功能。CPU卡可适用于金融、保险、交警、政府行业等多个领域，具有用户空间大、读取速度快、支持一卡多用等特点。CPU卡从外型上来说和普通IC卡，射频卡并无差异，但是性能上有巨大提升，安全性和普通IC卡比，提高很多，通常CPU卡内含有随机数发生器，硬件DES，3DES加密算法等，配合操作系统即片上OS，也称SoC，可以达到金融级别的安全等级。
COS的全称是Chip Operating System(片内操作系统)，由于不可避免地受到了智能卡内微处理器芯片的性能及内存容量的影响，因此，COS在很大程度上不同于我们通常所能见到的微机上的操作系统(例如DOS、UNIX等)。COS是一个专用系统而不是通用系统。即：一种COS一般都只能应用于特定的某种(或者是某些)智能卡，不同卡内的COS一般是不相同的。COS在本质上更加接近于监控程序、而不是一个通常所谓的真正意义上的操作系统，COS所需要解决的主要还是对外部的命令如何进行处理、响应的问题，这其中一般并不涉及到共享、并发的管理及处理。COS的主要功能是控制智能卡和外界的信息交换，管理智能卡内的存储器并在卡内部完成各种命令的处理。
五、IC卡制作流程
一张卡从制造出来到销毁的整个过程称为生命周期。IC卡的生命周期一般可分为：
1.芯片制造：IC卡厂家通过特定的制造工艺在硅片上整齐地排列上一个个电路。
2.模块封装：将许多各种芯片安装在已制造好的有8个触点的印刷电路板上。
3.卡片制造：将卡的操作系统等卡片控制系统掩模到模块中。
4.卡片封装：将掩模好的模块镶嵌到塑料基片中。
5.卡片初始化：设置卡片的基本参数。
6.安装发行密钥：将发行单位的密钥写到卡上。
7.卡片个人化：建立应用文件并写入持卡人基本资料。
8.卡片应用：持卡人用卡完成各种卡的功能。
六、超高频电子标籤
超高频电子标籤（EPC）, 它的工作频率在860MHz?960MHz之间，也可分为有源标籤与无源标籤两类。标籤与电磁耦合天线接收方式一样，由超高频阅读器天线辐射场为无源标籤提供射频电能量。阅读距离一般大于1米，典型情况为4米?6米，最大可达10米以上。阅读器天线一般均为定向天线，在一定范围内的射频标籤可被读/写。超高频标籤由于读取距离较远，传送数据速率快，可以实时知道每个标籤在任何时点的信息。被广泛应用于商品位置、铁路车辆自动识别、集装箱识别，还可用于公路车辆识别与自动收费系统中，识别灵敏度高、可多标籤读取，作用范围广。
图6：超高频读写卡器
七、结束语
经过以上的介绍，相信大家对常用的智能卡片有了一个大概的了解，各类卡片为我们带来了生活上的便利，相信随着科技的不断创新与进步，会出现更多种类的智能卡片，或者取代卡片的新生事物走进我们的生活！