第3章-非接触式IC卡技术-课件.ppt
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1、第3章 非接触式IC卡技术 第3章 非接触式IC卡技术 3.1 实训实训4:非接触式:非接触式IC卡的访问操作与存储结构卡的访问操作与存储结构3.2 非接触式非接触式IC卡概述卡概述 3.3 非接触式非接触式IC卡的工作原理卡的工作原理 3.4 非接触式非接触式IC卡芯片技术卡芯片技术 3.5 非接触式非接触式IC卡接口设备内核技术卡接口设备内核技术3.6 实训实训5:非接触式:非接触式IC卡的读写控制卡的读写控制3.7 其他类非接触式其他类非接触式IC卡技术卡技术思考题思考题 第3章 非接触式IC卡技术 3.1 实训实训4:非接触式:非接触式IC卡的访问操作与存储结构卡的访问操作与存储结构
2、1.实训目的实训目的 (1)建立对非接触式IC卡的感性认识。(2)理解和掌握MIFARE 1卡(M1卡)的存储结构。(3)通过MIFARE非接触式IC卡开发系统的使用,了解MIFARE卡的基本操作方法。第3章 非接触式IC卡技术 2.实训设备与器件实训设备与器件 (1)实训设备:MIFARE系列非接触式IC卡开发板,586电脑,MIFARE系列非接触式IC卡开发系统演示软件。(2)实训器件:MIFARE 1卡。第3章 非接触式IC卡技术 3.实训步骤与要求实训步骤与要求 1)RF系列非接触式IC卡开发系统的安装 (1)按系统提示安装MIFARE系列非接触式IC卡开发系统演示软件MWRF。(2)
3、按标志连接MIFARE系列非接触式IC卡开发板的电源线及串口线,注意电源+5 V与地不可接反。第3章 非接触式IC卡技术 2)使用MIFARE系列接触式IC卡开发系统演示软件MWRF访问MIFARE 1卡 (1)按使用手册的说明操作演示软件,对MIFARE非接触式IC卡开发板的MCM进行建立连接/装载密码(Load Key)操作。实验用MIFARE 1卡所有扇区的初始密码被设置为FFFFFFH。在演示软件界面中选择密码集0,密码A,将扇区014的密码A设置为FFFFFFH,而将扇区15的密码A设置为000000H。启动密码下载,下载过程中红色指示灯点亮;下载完毕后红色指示灯熄灭。这一步骤与卡无
4、关。第3章 非接触式IC卡技术 (2)将MIFARE 1卡按任意方向置入MIFARE开发板天线有效工作范围内,对MIFARE 1卡的各扇区的块0、1、2进行读/写操作,操作界面如图3.1所示。在表3.1中记录读取的卡数据并分析其存储结构,标明各块的类型及卡的类型号、序列号、容量及各扇区的密码和访问权限。注意:不得随意修改各扇区块3的数据,特别是访问权限字节,以免造成扇区被锁死。第3章 非接触式IC卡技术 图3.1 RF系列非接触式IC卡开发系统演示软件MWRF操作界面 第3章 非接触式IC卡技术 表表3.1 MIFARE 1存储结构记录与数据分析表存储结构记录与数据分析表 扇 区 块 数 据
5、存储结构分析 0 块类型:类型号 TagType:序列号 SN:容量 Size:访问权限:1 块类型:访问权限:2 块类型:访问权限:0 3 块类型:密码 A:密码 B:访问权限:0 块类型:访问权限:1 块类型:访问权限:2 块类型:访问权限:114(任选其一)3 块类型:密码 A:密码 B:访问权限:0 块类型:访问权限:1 块类型:访问权限:2 块类型:访问权限:15 3 块类型:访问权限:第3章 非接触式IC卡技术 3)测试防冲突功能 (1)分别读出并记录两张MIFARE 1卡的序列号。(2)分别将这两张MIFARE 1卡的扇区0块1的数据修改为FFFFFFFFFFFFFFFFH。(3
6、)将两张MIFARE 1卡同时放置在读写器天线有效工作范围内,读出扇区0块0的数据,找出被选中的卡(记为1#卡)的序列号,将扇区0块1的数据修改为0000000000000000H。(4)将被选中的卡撤离读写器天线的有效工作范围,读出下一张被选中的卡(记为2#卡)的序列号,并读出其扇区0块1的数据,在表3.2中记入数据1。(5)取走2#卡,重新读出1#卡的扇区0块1的数据,在表3.2中记入数据2。第3章 非接触式IC卡技术 表表3.2 防冲突测试记录表防冲突测试记录表 扇区 0 块 1 的数据 卡 号 序 列 号 原始数据 数据 1 数据 2 1#2#第3章 非接触式IC卡技术 4.实训总结与
7、分析实训总结与分析 (1)由步骤2的操作及表3.1的数据分析可以看到,MIFARE 1卡的存储容量为8 Kb(1 KB),并划分为16个扇区,每个扇区划分为4个数据存储块,每个数据块有16 B。每个扇区的块3存放着该扇区的密码和存取控制条件,即每个扇区可有不同的密码和多种密码管理方式。(2)每个扇区无论读/写都必须先通过密码认证。(3)每张卡具有惟一的卡片序列号,没有相同的两张MIFARE卡片。由上述分析可以看到,MIFARE卡具有极高的安全性,能够实现一卡多用。第3章 非接触式IC卡技术 (4)由步骤3的操作及表3.2的数据分析可以看到MIFARE卡片具备防冲突功能。当一张以上的卡同时处在读
8、写器天线的有效工作范围内(发生冲突)时,读写器可根据卡片的全球惟一的序列号选择其中一张卡并使之激活,能且仅能对这张卡进行下一步的操作;而其他卡不会同时被选中,不能进行下一步的操作。这样就避免了对重叠卡的误操作。由于采用了非接触式操作,有可能出现多张卡同时处在读写器天线的有效工作范围内的情况,称之为“冲突”,因此防冲突是各种非接触式IC卡首先要解决的问题之一。关于防冲突的详细介绍参见3.3节。第3章 非接触式IC卡技术 5.思考思考 与接触式IC卡门禁系统相比较,由MIFARE 1卡及其读写器构成的非接触式门禁系统有何优胜之处?采用MIFARE 1卡作为门钥匙时,应以卡中的哪个数据作为其惟一的身
9、份标志?第3章 非接触式IC卡技术 3.2 非接触式非接触式IC卡概述卡概述 3.2.1 非接触式非接触式IC卡系统的构成与特点卡系统的构成与特点 1非接触式非接触式IC卡系统的构成卡系统的构成 1)非接触式IC卡 非接触式IC卡(也称为“应答器”)是射频识别系统的电子数据载体,卡中嵌有耦合元件和微电子芯片,其结构如图3.2所示。在读写器的响应范围之外,非接触式IC卡处于无源状态。通常,非接触式IC卡没有自己的供电电源(电池),只是在读写器响应范围之内,卡才是有源的,卡所需要的能量以及时钟脉冲、数据,都是通过耦合单元的电磁耦合作用传输给卡的。第3章 非接触式IC卡技术 耦合元件外壳芯片图3.2
10、 非接触式IC卡的基本结构 第3章 非接触式IC卡技术 非接触式IC卡的外形尺寸符合国际标准ISO 7810对ID-1型卡的规定(85.72 mm54.03 mm0.76 mm),其制造工艺是在四层PVC薄膜(两层嵌入薄膜和两层覆盖薄膜)之间粘合一个非接触式IC卡模块及耦合元件而构成的,其中,耦合元件一般为电磁感应天线线圈,起电感耦合作用。将设计成线圈状的天线安放在承载薄膜的上面,且用适当的连接技术将其与芯片模块连接在一起。天线的制造主要采用以下四种方法:绕制工艺、布线工艺、丝网印刷工艺和蚀刻工艺。非接触式IC卡的薄膜结构如图3.3所示。第3章 非接触式IC卡技术 图3.3 非接触式IC卡的薄
11、膜结构 填充物覆盖薄膜冲压成形的薄膜连接技术非接触式IC卡芯片天线承载薄膜覆盖薄膜第3章 非接触式IC卡技术 2)非接触式IC卡读写器 典型的非接触式IC卡读写器(也称为“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3.4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)。第3章 非接触式IC卡技术 图3.4 非接触式IC卡系统的基本组成 第3章 非接触式IC卡技术 2非接触式非接触
12、式IC卡的特点卡的特点 (1)可靠性高、寿命长。由于读写之间无机械接触,避免了因接触读写而产生的各种故障;且非接触式IC卡及读写器表面均无裸露的触点,无须担心触点损坏或脱落、卡弯曲损害所致之卡片失效;卡和读写器均为全封闭防水、防尘结构,既避免静电、尘污对卡的影响,也可防止粗暴插卡、异物插入读写器插槽以及读写器“吃卡”等问题。这些都将大大提高卡及机具的可靠性和使用寿命。第3章 非接触式IC卡技术 (2)操作快捷便利。无接触通信使读写器在10 cm范围内就可以对卡片操作,无需插拔;且非接触式IC卡使用时无方向性,卡片可以任意方向掠过读写器表面完成操作,既方便又提高了使用速度。(3)动态处理。由于非
13、接触式IC卡与读写器之间通信时处于相对运动的状态,对电路的处理速度、可靠性等都提出了更高的要求,因此,对应用于安全性要求较高的场合,目前仍主要采用接触式CPU卡,非接触式CPU卡正处于发展中。(4)成本较高。显然,由于卡和读写器都需要将射频技术结合进去,因此必然会增加其成本。第3章 非接触式IC卡技术 3.2.2 非接触式非接触式IC卡的分类和国际标准卡的分类和国际标准 1非接触式非接触式IC卡的分类卡的分类 关于接触式IC卡的国际标准ISO/IEC 7816已相对成熟,但是关于非接触式IC卡的标准ISO/IEC 14443和ISO/IEC 15693尚未完成,因此,目前市面上多种类型的非接触
14、式IC卡并存。(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)。第3章 非接触式IC卡技术 表表3.3 非接触式非接触式IC卡分类卡分类 IC 卡 读写器 国际标准 读写距离 工 作 频 率 CICC CCD ISO/IEC 10536 密耦合(01 cm)030 MHz
15、PICC PCD ISO/IEC 14443 近耦合(710 cm)VICC VCD ISO/IEC 15693 疏耦合(1 m)135 kHz,6.75 MHz,13.56 MHz,27.125 MHz (2)根据非接触式IC卡操作时与读写器发射表面距离的不同可分为密耦合卡、近耦合卡和疏耦合卡,如表3.3所示。第3章 非接触式IC卡技术 表中,ICC为集成电路卡;CICC为Close-coupled ICC,即紧密(密耦合)卡;PICC为Proximity ICC,称为接近(近耦合)卡;VICC为Vicinity ICC,称为邻近(疏耦合)卡;CD为Coupling Device,是读写器中
16、发射电磁波的部分。此外,还有远距离系统,其作用距离是110 m,个别系统也有更远的距离。所有远距离系统都是在微波范围内用电磁波工作的,发送频率为5.8 GHz,也有些系统使用915 MHz(在欧洲是不允许的)、5.8 GHz和24.125 GHz。第3章 非接触式IC卡技术 (3)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。(4)按卡内芯片供电方式可分为卡内带电
17、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。(5)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。第3章 非接触式IC卡技术 表表3.4 非接触式非接触式IC卡系统概览卡系统概览 系统制造商 耦合,工作方式,能量/距离 存储器 安全逻辑 数据传送(读写器卡)数据传送(卡读写器)Atmel AT24RF08 125 kHz,电感耦合式,010 cm 1KB双 线 串 行EEPROM RF 写保护 A
18、SK10%Manchester编码,1953 b/s 负载调制 Miller 编码 7812 b/s Kaba,Legic 13.56 MHz,电感耦合式,050 cm EEPROM 22256 B 序列号;密码认证 ASK 负载调制,带负载波 OTI EYECON 13.56 MHz,电感耦合式,015 cm 16 KB 掩膜 ROM,8 KB EEPROM,125512 B RAM 8 b CPU;DES,RSA 13.56 MHz 106 kb/s 负载调制 106 kb/s 第3章 非接触式IC卡技术 续表续表系统制造商 耦合,工作方式,能量/距离 存储器 安全逻辑 数据传送(读写器卡
19、)数据传送(卡读写器)Philips MIFARE light 13.56 MHz,电感耦合式,010 cm EEPROM 48 B 32 b 序列号;密码认证;加密;防冲突 13.56 MHz ASK 106 kb/s 负载调制,106 kb/s MIFARE 1 同上 1024 B 同上 同上 同上 MIFARE plus 同上 15 KB 掩膜 ROM,8 KB EEPROM,触点 32 b 序列号;密码认证;加密;防冲突 8 b CPU 同上 同上 MIFARE Pro 同上 20 KB 掩膜 ROM,256 B RAM,8 KB EEPROM,触点 8 b CPU;Tripple-D
20、ES 协处理器 同上 同上 I-Code 3.56 MHz,电感耦合式,01.5 m 348 b 1 b EAS 功能 64 b 序列号 防冲突 ISO 15693 ISO 15693 第3章 非接触式IC卡技术 续表续表Hitag 125 kHz,电感耦合式,010 cm EEPROM 256 B 32 b 序列号;加密 125 kHz ASK 4 kb/s 负载调制,Manchester 编码 SGS Thomson ST16RF42 13.56 MHz 电感耦合式 16 KB 掩膜 ROM,384B RAM,2 KB EEPROM,7816 接触式 不详 ASK 106 kb/s 负载调
21、制 Siemens SLE44R35 13.56 MHz,电感耦合式,010 cm 1024 B 32 b 序列号;密码认证;加密;防冲突 13.56 MHz ASK,106 kb/s 负载调制 106 kb/s Sony Felica 13.56 MHz,电感耦合式,010 cm 1 KB 密码认证;加密 修改的 ASK 250 kb/s 不详 Temic TK5550 125 kHz,电感耦合式,010 cm 33 B EEPROM 写锁定位 ASK,脉冲间隙编码 负载调制,FSK、PSK/Manchester 编 码,双相,最大 15 b/s Texas Instruments TIRI
22、S 134 kHz,电感耦合式,SEQ 170 B EEPROM 不详 不详 FSK134.2%,124.2 kHz 第3章 非接触式IC卡技术 2非接触式非接触式IC卡的国际标准卡的国际标准 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。第3章
23、 非接触式IC卡技术 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。第3章 非接触式IC卡技术
24、3.3 非接触式非接触式IC卡的工作原理卡的工作原理 相对于接触式IC卡,非接触式IC卡需要解决的问题主要有以下三个方面:(1)非接触式非接触式IC卡如何取得工作电压。卡如何取得工作电压。(2)读写器与读写器与IC卡之间如何交换信息。卡之间如何交换信息。(3)防冲突问题:多张卡同时进入读写器发射的能量区域(即发生冲突)时如何对卡逐一进行处理。第3章 非接触式IC卡技术 3.3.1 非接触式非接触式IC卡的信息与能量传递卡的信息与能量传递 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
25、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3.5所示)。第3章 非接触式IC卡技术 图3.5 非接触式IC卡与读写器接口的电路概况 第3章 非接触式IC卡技术 读写器和IC卡之间的工作关系如下:(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
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