科技小论文--关于“非接触式IC卡”的研究报告

关于“非接触式IC卡”的研究报告黄洋小学 余红霞一、提出背景：IC(集成电路)卡于1974年诞生于法国，当时有位叫罗兰莫雷诺(Roland Moreno)的工程师为了将一些个人信息存放在一个便于携带、保存的存贮媒体上，提出了将一个集成电路芯片嵌装于一块塑料基片上构成一张存贮卡的想法，并按此方法做了一张卡片，这就是世界上第一张IC卡。但是由于当时集成电路技术水平有限，市场也没有形成迫切的需要，这种想法并没有立即付诸实施，后来随着集成电路技术的发展，芯片的集成度、容量、安全性都得到了很大的提高，尤其是EEPROM技术的成熟，使得IC卡的生产、应用成为现实。目前，以欧洲为中心的IC卡市场已发展成为世界性的市场。随着社会的高速发展，IC卡凭借其优越的性能，广泛应用于各个行业。生活中，为我们带来了诸多便捷，但同时也带来了许多麻烦，卡多、繁琐、易丢失，是大多数使用者最主要的烦恼。对于学生来说，校园门禁卡与食堂所使用的饭卡经常丢失，让许多学生苦不堪言。既然这样，如果能将各类IC卡整合在一起，以一种便于携带且不易丢失的形式出现在使用者手中，那么这些问题便迎刃而解了。联想到当下流行使用的智能手环，能不能将IC卡做成手环呢？这涉及到了一个全新的研究和使用领域非接触式IC卡。非接触式IC卡(又称射频卡)技术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、磁电技术、计算机技术和IC卡技术结合起来，解决了无源(卡中无电源)、低功耗和免接触这一难题，克服了接触式IC卡由于存在机械接触，容易造成磨损以及由于接触而产生各种故障的问题。总的来说，非接触(感应)式IC卡具有以下优越性能:、操作方便、快捷由于采用非接触无线通讯，读写器对在感应范围内的卡就可以进行操作，免去了插拔卡，所以非常方便用户使用;而且非接触卡在使用时既没有正反面之分也没有方向性与角度限制，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。、抗干扰性高非接触式IC卡中有快速防冲突机制，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。、可靠性高非接触式IC卡与读写器之间没有机械接触，这就从根本上消除了由于接触读写而产生的各种故障;而且卡中的IC芯片和感应天线完全密封在标准的PVC中，这也进一步提高了应用的可靠性和卡的使用寿命。、高安全性非接触式卡的序列号是唯一的，制造商在产品出厂前已将此序列号固化在芯片中，不可以更改;非接触式卡与读写器之间采用双向互认验证机制，即读写器要验证IC卡的合法性，IC卡也要验证读写器的合法性;非接触式IC卡在数据交换前要与读写器进行三次相互认证;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。、适合于多种应用非接触式IC卡的存贮结构特点使其可以做到一卡多用，能应用于不同的场合或系统，例如，企业或机关内部员工“一卡通”，可用作考勤、食堂就餐、电话管理、停车场、门禁等;校园“一卡通”，可用作学生证、借书证、消费卡、门禁“铜匙”等，此时用户可根据不同的应用设置不同的密码和访问条件。、适应于多种要求非接触式IC卡系统可根据环境与应用对象的不同而做到作用距离不同，如用于高速公路或一般路、桥收费，可选用作用距离为0.6m20m的系统，如用于电子钱包或公交收费，可选用作用距离仅几厘米的系统。系统配置相当灵活多样。二、构造及理论基础：（一）非接触式IC卡的基础构造非接触式IC卡又称射频卡通过无线电波与读写设备进行数据交换，不需要电气接触，主要用在读写频率高、环境恶劣得而场合，卡中的集成电路除了带加密逻辑、串行EEPROM、微处理器外，还带有射频收发及相关电路。一个典型的非接触式IC卡的构造如图所示，为了制造出非接触式IC卡需要五张PVC（Polyvinyl chloride，聚氯乙烯）薄膜：一张冲压成形的厚度为的承载薄膜，两张厚度为的保护薄膜，两张厚度为的覆盖薄膜。图典型非接触式IC卡的构造射频识别是无线电频率识别的简称, 即通过无线波进行识别。非接触卡采用射频识别技术, 将数据存储在电子数据载体之中, 电子数据载体简称应答器。应答器的能量供应以及应答器与阅读器之间的数据交换不是通过电流的触点接通而是通过磁场或电磁场, 这方面采用了无线电和雷达技术。射频识别系统一般由以下两部分组成：应答器：应答器应放置在要识别的物体上；阅读器：阅读器可以是读或写/读装置, 取决于所用的结构和技术。典型的非接触式IC卡阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及与卡连接的耦合元件，如图2所示。由高频模块和耦合元件发送电磁场，以提供非接触式IC卡所需要的工作能量以及发送数据给卡，同时接收来自卡的数据。此外，大多数非接触式IC卡读写器都配有上传接口，以便将所获取的数据上传给另外的系统(个人计算机、机器人控制装置等)。图2 非接触式IC卡系统的基本组成（二）工作原理非接触式IC卡在卡的表面上无触点，IC卡与读写器之间通过无线方式(即发射和接收电磁波)进行通信，因此非接触式IC卡的使用依赖于射频识别(RFD)技术的发展，故又将非接触式IC卡称为射频卡(RFC)。典型的射频识别系统由应答器和寻呼器组成，非接触式IC卡的读写器就是寻呼器，而卡则是应答器。 非接触式IC卡和读写器均设有发射和接收射频用的线圈(天线)。由于卡内无电源，因此IC卡工作所需的电压和功率也是通过线圈发送的(如图3所示)。图3 非接触式IC卡与读写器接口的电路概况其工作流程大致如下：(1) 读写器发射激励信号(一组固定频率的电磁波)。 (2) IC卡进入读写器工作区内，被读写器信号激励。在电磁波的激励下，卡内的LC串联谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2 V时，此电容可以作为电源为其他电路提供工作电压，供卡内集成电路工作所需。(3)同时卡内的电路对接收到的信息进行分析，判断发自读写器的命令，如需在EEPROM中写入或修改内容，还需将2 V电压提升到15 V左右，以满足写入EEPROM的电压要求。(4)IC卡对读写器的命令进行处理后，发射应答信息给读写器。(5)读写器接收IC卡的应答信息。在实际应用中还需要其他硬件和软件的支持，例如：最简单的超高频RFID系统由标签(Tag)、RFID读写器(Reader)以及天线(Antenna)三部分组成，如图4。 其工作原理为：标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(Active Tag，有源标签或主动标签), 读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理 图4 简单的超高频RFID系统（三）相关技术及国际标准1.射频技术非接触式IC卡是当今世界先进的射频技术和IC卡技术相结合的产物，对射频卡的设计主要需解决:无源设计，需由读写器向射频卡发一组固定频率的电磁波，通过卡内电路产生芯片工作所需直流电压;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。 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IC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。 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。5.国际标准非接触式IC卡的国际标准包括ISO/IEC 10536、ISO/IEC 14443和ISO/IEC 15693，如表3.3所示。其中ISO/IEC10536-1/2/3已讨论通过，定为正式标准，而ISO/IEC 14443和ISO/IEC 15693尚为草案。由于目前使用的非接触式IC卡大多为PICC(近耦合卡)，因此近年来国际标准化组织多次举行国际会议以推进ISO/IEC 14443的正式实施。现阶段ISO/IEC 14443(草案)主要有两个体系并存：ISO/IEC 14443-TYPEA和ISO/IEC 14443-TYPEB。其中TYPE A以Philips公司为代表，包括Siemens、Hitachi、Gemplus、G&D和Schlumberger等公司，并已推出包括存储器卡、逻辑加密卡、CPU卡和组合卡在内的各种产品；TYPE B以ST(意法半导体)、Motorola、韩国Samsung和日本的NEC等公司为代表。也有其他大公司力图再建议其他类别，如日本Sony公司的Felica卡、以色列的OTI卡、瑞士的Legic卡等。（四）非接触式IC卡分类目前市面上多种类型的非接触式IC卡并存，大致可按照下面四个方法分类。(1)与接触式IC卡相类似，按卡内集成电路的不同可分为存储器卡(片内只含有EEPROM存储介质)，逻辑加密卡(内含加密逻辑和EEPROM，如Philips的MIFARE STAND/LIGHT、Siemens的SLE44R31/35)，CPU卡(内含CPU、EEPROM、RAM及固化于ROM中的片内操作系统COS，甚至用于密码运算的写处理器CAU，如OTI的EYECON)。 (2)按工作频率的高低分为125 kHz的低频卡(30300 kHz)，13.56 MHz的高频(或射频)卡(330 MHz)，915 MHz、2.45 GHz的超高频卡(300 MHz3 GHz)以及5.8 GHz的微波卡(大于3 GHz)。频率越高，通信速率越快，系统工作时间越短。(3)按卡内芯片供电方式可分为卡内带电池的有源卡和卡内无电池、由读写器以无线感应方式供电的无源卡。前者通信距离较远，但体积相对较大，目前实际应用较为广泛的为后者。(4)按使用过程中的读写方式分为只读卡和读写卡。只读卡只读不写，仅供(或主要供)对象识别用，多被封装为电子标签、钥匙扣(圈)甚至手表等形式，因此有的文献将这种卡通称为应答器。 三、研究的目的和意义：多类型的IC卡合并并整合到手环中，能够减少使用者在使用过程中的主要烦恼，让IC卡更为便捷地为我们的生活服务，同时能够减少塑料的生产使用，减缓环境污染问题，就社会现状来说，它顺应了当下便携式智能产品的发展潮流，符合当今大多数人对生活的需求。四、探究过程1、查阅资料，了解掌握IC卡的使用原理及其优越性。2、调查了解社会生活中IC卡的类型，使用效果。3、询问周边同学，了解IC卡使用过程中存在的问题。4、市场调查，了解类似产品的发展情况以及用户满意度，找出其优越性与不足之处。5、总结调查结果，提出创新观点。五、发展情况及使用效果目前市面上已有的与之相似的是一款名为“刷刷手环”的智能穿戴产品（如图5），其外观与手表相似，它将传统的智能穿戴的健康运动检测功能与日常生活便捷支付功能相结合，能在多种场合使用快捷支付功能并时刻检测用户健康数据。用户评价较高，但仍然存在非议，使用过程中主要存在以下两个问题：1、 表盘和表带可拆卸，导致表盘容易脱落。2、 不防摔，摔后数据易丢失。图5 “刷刷手环”六、调查结果分析IC卡的发展多倾向于智能化、便捷支付方面，对于门禁系统等无需支付的使用场合发展较少，此外该类产品大多面向社会，对于学生这一重要群体的考虑也相对较少。七、创新观点：1、 手环材料采用舒适度高，不易引发过敏反应的材料。2、 将支付功能与门禁系统等无需支付的功能相结合。3、 面向全体使用者，将学生使用的饭卡与门禁卡等有机整合。4、 手环做成不同类型以适应不同爱好的人（比如荧光、柔软材质、较硬的材质等）5、 适当改良，以增加IC卡使用的灵敏性。6、 扩大支付功能使用范围，在学生学习的不同阶段，不同城市均可使用。附：一、非接触式IC卡的分类类型使用场合特点使用方法射频加密卡 （RF、ID）大多数学校的饭卡、门禁卡卡片厚度较大使用时没有方向性，卡片可以在任意方向略过读卡器表面，即可完成操作射频储存卡 （RF、IC）早起使用的公交卡，部分学校的饭卡、热水卡在储存卡的基础上增加射频收发电路使用时没有方向性，卡片可以在任意方向略过读卡器表面，即可完成操作射频CPU卡 （RF、CPU）【有源卡】大城市的公交卡，金融IC卡，极少数学校的饭卡在CPU卡的基础上增加射频收发电路使用时没有方向性，卡片可以在任意方向略过读卡器表面，即可完成操作调查问卷1. 你了解饭卡的使用原理吗？不了解。2. 饭卡使用过程中有没有什么不便之处？不易携带，容易丢失，充值不便，太硬，容易被折碎3. 你的饭卡遗失过或者损坏过吗？如果遗失或损坏你会不会因为补办而心烦？心烦的原因是什么？有遗失过的情况，会因此感到心烦，原因是费时费财，担心卡中的钱被盗刷。4. 你觉得饭卡的优越性在哪里？饭卡的使用的过程中灵敏性如何？避免现金支付，方便快捷灵敏性良好。5.