1.什么是智能卡
智能卡(smart card)又简称 IC 卡,国际标准化组织使用术语 ICC(Integrated Circuit Card) ,即“集成电路卡”来定义,指在一个符合 ISO ID1 定义的塑料卡片内封装了一个集成电路的器件。卡的外形尺寸亦遵循国际标准(ISO) ,可以封装为磁卡状,也可封装为标签、纽扣、钥匙、饰物等特殊形式,表面可印刷文字、图像等。
2.智能卡的分类
按照嵌入集成电路芯片的形式和卡与外界数据交换界面的不同 IC 卡大致可分为:
1)按照卡内嵌入芯片的不同可分为非加密存储器卡、逻辑加密卡和 CPU 卡三类。
非加密存储器卡:卡内的集成电路芯片主要是 EEPROM,具有数据存储功能,不具有数据处理功能和硬件加密功能。其功能简单,没有(或很少有)安全保护逻辑,但价格低廉,开发使用简便,存储容量增长迅猛,多用于某些内部信息不需保密或不允许保密的场合。
逻辑加密存储器卡:在非加密存储器卡的基础上增加了加密逻辑电路,加密逻辑电路通过校验密码方式来保护卡内的数据对于外部访问是否开放,但只是低层次的安全保护,无法防范恶意性的攻击。多用于有一定安全要求的场合,如保险卡、加油卡、借书卡、IC 电话卡等。
CPU 卡:也称加密微控制器卡,是严格意义上的智能卡,在 IC 卡家族中出现最晚,但最具生命力。CPU 卡的硬件构成包括微处理器 CPU、存储单元(包括随机存储器 RAM、程序存储器 ROM(或 FLASH) 、用户数据存储器 EEPROM) 、卡与读写终端通信的 I/O 接口及加密运算协处理器 CAU,在 ROM 中存放有芯片操作系统 COS(Chip Operation System) 。
CPU 卡具有很高的数据处理和计算能力及较大的存储容量, 因此应用的灵活性、适应性较强。并且,CPU 卡在硬件结构、操作系统、制作工艺上采取了多层次的安全措施,保证了其极强的安全防伪能力,它不仅可以验证卡和持卡人的合法性,而且可以鉴别读写终端。适用于一卡多用及对数据安全保密性特别敏感的场合,如金融信用卡、手机 SIM 卡等。
2)按照卡与外界数据交换界面的不同分类,有接触式 IC 卡和非接触式 IC 卡两种。也有兼备接触式和非接触式两种接口的双界面卡(组合卡) 。 在接触式 IC 卡上,IC 芯片有 8 个触点可与外界接触。非接触式 IC 卡集成电路不向外引出触点,因此它除了包含前述三种(存储器卡、逻辑加密卡、CPU 卡)IC卡的电路外,还带有射频收发电路、天线及其他相关电路,又称为感应式 IC 卡或射频卡。
目前,世界上仅有少数几家著名半导体芯片制造商能设计和生产 CPU 卡芯片,如美国的 Motorola、 Atmel, 韩国的三星, 德国的西门子, 法国的 Bull, 荷兰的 Philips等。 多数卡制造商均选择这几家芯片制造商的产品, 经封装并灌以自行开发的 COS,而成为拥有各自注册版权的 CPU 卡。
3. IC 卡读写器
为了使用卡片,还需要有与 IC 卡配合工作的接口设备 IFD(Interface device)或称为“读写设备/读写器” 。IFD 可以是一个由微处理器、键盘、显示器与 I/O 接口组成的独立设备,该接口设备通过 IC 卡上的 8 个触点或射频电路向 IC 卡提供电源并与 IC 卡相互交换信息。 IFD 也可以是一个简单的接口电路, IC 卡通过该电路与通用微机相连接。无论是磁卡还是 IC 卡,在卡上能存储的信息总是很有限的,因此大部分信息需要存放在接口设备或计算机中。
4.智能卡与 RFID 标签的发展与应用
1)接触式 IC 卡
从 1977 年,Motorola 公司推出第一代智能卡产品以来,智能卡及其所采用的技术迅猛发展。1979 年出现的第二代智能卡产品即在法国、瑞士、斯堪的那维亚用作银行卡。进入 20 世纪 90 年代后,在通信、健康和交通等方面,智能卡的应用开始蓬勃发展。目前,智能卡在以下领域得到了广泛的应用:金融服务、通信及信息服务、医疗保健、教育、旅游与娱乐、身份证、交通、付费电视等。
2)非接触式 IC 卡和 RFID 电子标签
接触式 IC 卡的卡机之间的触点易受污染、腐蚀和磨损,而且卡片插拔的对准要求和所费时间又影响了使用的方便性和快捷性,甚至阻碍了其在某些领域的应用,于是从 20 世纪 90 年代中期开始,基于现代微电子技术和射频识别技术的多种非接触式 IC 卡应运而生。并逐渐成为智能卡应用中的主流,广泛应用于城市公共交通、高速公路自动收费、智能大厦、各种公共收费、智能小区物业管理、考勤门禁管理、校园和厂区一卡通以及会议签到等系统中。
射频识别 RFID(Radio freguency identification)技术的基本原理是利用无线射频信号的空间耦合(电磁感应或电磁传播)实现对被识别物体的自动识别。RFID 系统的基本工作方式是将 RFID 标签安装在被识别物体上(粘贴、嵌入、佩挂或植入等) ,当被识别物体进入 RFID 读写器的读写范围内(射频场)时,标签与读写器之间建立起联系,其过程一般由读写器启动,然后标签向读写器发送自身信息,例如标签编号和标签内存储的数据等,读写器接收信息并解码后,传送给计算机进行处理。RFID 系统一般由两部分组成,即 RFID 电子标签和读写器。电子标签和读写器内部都装有天线,电子标签所需的能量可以从读写器的射频场内取得(无源标签)或自带电源(有源标签) 。
非接触式 IC 卡即是电子标签的一种,此时的被识别物体是 IC 卡。 荷兰飞利浦半导体公司是在非接触式 IC 卡发展历程中影响最大的公司,1992年它的防冲突技术的发明和在 13.56MHz 的 RFID 系统中的首次应用是对无源式RFID 技术的重大突破。1994 年,其 Mifare 1 非接触逻辑加密卡芯片的问世和次年的成功商业应用,开创了非接触式 IC 卡发展和应用的新纪元。飞利浦公司的成功和绝对的市场占有额令世人瞩目,使其产品所采用的技术成为后来制定的非接触式 IC卡国际标准 ISO/IEC 14433 Type A 的基础。
与此同时, 其他公司相继推出了具有各自特点的产品, 例如 ST 半导体公司和以色列的 OTI 公司推出的遵循 ISO/IEC 14433 Type B 国际标准的非接触式 IC 卡芯片。 1995 年,日本 SONY 公司承接了香港的全球最大的城市公共交通 AFC 一卡通项目,从 1997 年投入使用以来,通过数年的成功运营,从最初只应用在巴士、铁路等公共交通工具上,后来陆续扩展至其他行业,包括商店、食肆、停车场等业务,也用作学校、办公室和住所的通行卡。充值的方法也由最初的充值机,扩展至商店付款处和以信用卡、 银行账户自动转账。 采用 13.56MHz 非接触式 CPU 卡形成的 “八达通”卡成为全球最早也最成功、普及最广的电子货币。 RFID 技术按工作频段不同可分为低频 LF、高频 HF、超高频 UHF、微波 MW。
不同频段下的 RFID 系统有不同的特点,在读写范围、读写速率和使用环境等方面也不同。
RFID 标签分为低频标签、高频标签、超高频标签、微波标签。
(1)低频标签
典型工作频率为 125 kHz 和 133kHz。低频标签一般为无源标签,其工作能量通过电感耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与读写器之间传送数据时,需位于读写器天线辐射的近场区内;阅读距离一般情况下小于 10cm。典型应用有动物识别、容器识别、电子钥匙等。
(2)高频标签
典型工作频率为 13.56MHz。该频段标签与低频标签工作原理完全相同,阅读距离一般小于 1m。 高频标签的数据传输速率快, 已广泛应用于电子车票、 居民身份证、电子钥匙、门禁卡等。
(3)超高频标签
典型工作频率为 433.92MHz、860 MHz ~960MHz。超高频标签分为有源标签和无源标签两类。超高频通过电磁波传递能量和交换信息。相应的射频识别系统阅读距离一般大于 10m,有源标签阅读距离可达百米。超高频射频标签主要用于物流、铁路车辆自动识别、托盘和货物标志等。
(4)微波标签
典型工作频率为 2.45GHz、5.8GHz。微波标签也分为有源标签和无源标签两类,其工作原理和阅读距离与超高频相同。主要用于公路车辆识别与自动收费、托盘和货箱识别等。
