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              本文原刊於 中無通訊 第92期 2020年7月版

       我們生活中需要用到各種各樣形形色色的智能卡，例如身份證、電話卡、銀行卡、門禁卡、公交卡、會員卡等等。那這些卡智能有沒有區別呢？它們採用的技術是相同的嗎？帶著這些疑問，讓我們一起去探究卡智能卡背後的技術世界。本文將會向大家介紹一些常見智能卡片所採用的技術，如IC卡、ID卡、CPU卡等。


         圖1 各種各樣的卡

     簡單來說，ID卡全稱為身份識別卡（Identification Card），芯片最為簡單，僅記錄有ID號，工作在125KHz的頻率，需要的天線電感值大概在幾百微亨。IC卡與ID卡相比，IC卡全稱集成電路卡（Integrated Circuit Card）增加了信息存儲功能，CPU卡則相當於一台微型計算機，在IC卡的基礎上，還具有加解密計算甚至是邏輯運算功能。IC卡和CPU卡天線一樣的，都是工作在13.56MHz，天線電感值大概在幾微亨。非接觸式ID卡、IC卡、CPU卡均採用射頻技術進行識別。

          圖2 IC卡基本原理圖

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一、射頻標簽
       射頻識別技術是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術，它是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現無接觸信息傳遞並通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。射頻識別技術是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象並獲取相關數據，識別工作無須人工干預。
       從概念上來講，射頻識別技術是使用讀寫器和粘貼於目標物上的射頻標簽，利用射頻信號將物品信息從射頻標簽傳給讀寫器。一般來說，射頻識別系統包括射頻標簽、讀寫器和數據管理系統三部分，是利用無線電波或微波能量進行非接觸雙向通信，實現目標識別和數據交換功能的自動識別系統。


                                                  圖3 射頻識別系統結構圖

       射頻標簽又稱電子標簽、應答器、數據載體，是 RFID 系統的真正的數據載體。一般情況下，射頻標簽由標簽天線和標簽專用芯片組成。每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上。標簽相當於條形碼技術中的條形碼符號，用來存儲需要識別和傳輸的信息。射頻標簽必須能夠自動或在外力的作用下，把存儲的信息主動發射出去。射頻標簽可以像紙一樣薄，可編程，射頻標簽內存儲的信息可按特殊的應用隨意進行讀取和改寫。射頻標簽中的內容被改寫的同時，也可以被鎖死保護起來。依據射頻標簽供電方式的不同，射頻標簽可以分為有源射頻標簽和無源射頻標簽。有源射頻標簽內裝有電池，無源射頻標簽內部沒有電池。有源射頻標簽的工作電源由內部電池供給，同時標簽電池的能量供應也部分轉化為射頻標簽與讀寫器通信所需要的能量。無源射頻標簽的能量由讀寫器發出的射頻信號提供，通信距離比有源的射頻標簽的通信距離近，但其結構簡單，成本低，壽命長，近年發展很快。
       在射頻識別系統工作過程中，空間傳輸通道中發生的過程可歸結為三種事件：數據交換是目的，時序是數據交換的實現方式，能量是時序得以實現的基礎。根據射頻識別系統的不同特點，射頻識別系統有多種分類方法，根據工作頻率劃分，有低頻、中頻、高頻；根據存儲器是否可寫，可分為只讀型和可讀寫型；根據讀卡器和應答器誰先發送信息，可分為 TTF 型和 RTF 型；另外根據應答器內是否內置電源可分為有源型和無源型。

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二、ID 卡
      ID 卡全稱為身份識別卡（Identification Card），原则上是一種不可寫入的感應卡，含固定的編號，主要有台灣 SYRIS 的 EM 格式、美國HIDMOTOROLA 等各類 ID 卡。卡內除了卡號外，無任何保密功能，其“卡號”是公開、裸露的。
系統由 ID 卡、和後台控制器組成。工作過程如下：
     1、ID 卡讀卡器將載波信號經天線向外發送，載波頻率為125Khz。
     2、ID 卡進入讀卡器的工作區域後，由讀卡器中電感線圈和電容組成的諧振回路接收讀卡器發射的載波信號，
          卡中芯片的射頻接口模塊由此信號產生出電源電壓、覆位信號及系統時鐘，使芯片“激活”；
     3、芯片讀取控制模塊將存儲器中的數據經調相編碼後調制在載波上，經卡內天線回送給讀卡器；
     4、讀卡器對接收到的卡回送信號進行解調、解碼後送至後台計算機；
     5、後台計算機根據卡號的合法性，針對不同應用做出相應的處理和控制。


                                                                       圖4 ID卡讀卡器內部流程圖

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三、IC 卡
      IC卡 (Integrated Circuit Card)，也稱智能卡，它是將一個微電子芯片嵌入符合 ISO 7816標準的卡基中，做成卡片形式。IC卡與讀寫器之間的通訊方式可以是接觸式，也可以是非接觸式。IC卡由於其固有的信息安全、便於攜帶、比較完善的標準化等優點，在身份認證、銀行、電信、公共交通、車場管理等領域扮演著重要角色。
      一般常見的 IC卡採用射頻技術與支持 IC卡的讀卡器進行通訊。非接觸性 IC卡本身是無源卡，當讀寫器對卡進行讀寫操作時，讀寫器發出的信號由兩部分疊加組成:一部分是電源信號，該信號由卡接收後，與本身的 L/C 產生一個瞬間能量來供給芯片工作。另一部分則是指令和數據信號，指揮芯片完成數據的讀取、修改、儲存等，並返回信號給讀寫器, 完成一次讀寫操作。讀寫器則一般由單片機，專用智能模塊和天線組成，並配有與 PC 的通訊接口，打印口，I/O 口等，以便應用於不同的領域。非接觸式 IC卡又稱射頻卡，成功地解決了無源（卡中無電源）和免接觸這一難題，是電子器件領域的一大突破。
       以下一款為 IC卡及其讀寫器硬件電路圖。其中讀寫器由單片機、鍵盤、顯示、監控電路等部分組成。X76F100 為128×8位的保密串行 FLASH E2PROM, 其中讀密碼和寫密碼分別為64位。把芯片封裝在一個卡片上，將卡片插入 IC卡讀寫器的卡座中，讀寫器就可以對它進行讀寫，實現加密、查詢、存款、取款等功能。

圖5 IC卡讀寫器電路圖

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四、CPU卡
CPU是(Central Processing Unit)的缩写，CPU卡芯片內的集成電路中帶有微處理器CPU、存儲單元（包括隨機存儲器RAM、程序存儲器ROM（FLASH）、用戶數據存儲器EEPROM）以及芯片操作系統COS。裝有COS的CPU卡相當於一台微型計算機，不僅具有數據存儲功能，同時具有命令處理和數據安全保護等功能。CPU卡可適用於金融、保險、交警、政府行業等多個領域，具有用戶空間大、讀取速度快、支持一卡多用等特點。CPU卡從外型上來說和普通IC卡，射頻卡並無差異，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卡內含有隨機數發生器，硬件DES，3DES加密算法等，配合操作系統即片上OS，也稱SoC，可以達到金融級別的安全等級。
COS的全稱是Chip Operating System(片內操作系統)，由於不可避免地受到了智能卡內微處理器芯片的性能及內存容量的影響，因此，COS在很大程度上不同於我們通常所能見到的微機上的操作系統(例如DOS、UNIX等)。COS是一個專用系統而不是通用系統。即：一種COS一般都只能應用於特定的某種(或者是某些)智能卡，不同卡內的COS一般是不相同的。COS在本質上更加接近於監控程序、而不是一個通常所謂的真正意義上的操作系統，COS所需要解決的主要還是對外部的命令如何進行處理、響應的問題，這其中一般並不涉及到共享、並發的管理及處理。COS的主要功能是控制智能卡和外界的信息交換，管理智能卡內的存儲器並在卡內部完成各種命令的處理。

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五、IC卡制作流程

一張卡從制造出來到銷毀的整個過程稱為生命周期。IC卡的生命周期一般可分為：

1.芯片制造：IC卡廠家通過特定的制造工藝在矽片上整齊地排列上一個個電路。

2.模塊封裝：將許多各種芯片安裝在已制造好的有8個觸點的印刷電路板上。

3.卡片制造：將卡的操作系統等卡片控制系統掩模到模塊中。

4.卡片封裝：將掩模好的模塊鑲嵌到塑料基片中。

5.卡片初始化：設置卡片的基本參數。

6.安裝發行密鑰：將發行單位的密鑰寫到卡上。

7.卡片個人化：建立應用文件並寫入持卡人基本資料。

8.卡片應用：持卡人用卡完成各種卡的功能。

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六、超高頻電子標籤
超高頻電子標籤（EPC）, 它的工作頻率在860MHz〜960MHz之間，也可分為有源標籤與無源標籤兩類。標籤與電磁耦合天線接收方式一樣，由超高頻閱讀器天線輻射場為無源標籤提供射頻電能量。閱讀距離一般大於1米，典型情況為4米〜6米，最大可達10米以上。閱讀器天線一般均為定向天線，在一定範圍內的射頻標籤可被讀/寫。超高頻標籤由於讀取距離較遠，傳送數據速率快，可以實時知道每個標籤在任何時點的信息。被廣泛應用於商品位置、鐵路車輛自動識別、集裝箱識別，還可用於公路車輛識別與自動收費系統中，識別靈敏度高、可多標籤讀取，作用範圍廣。


圖6 超高频讀寫卡器

七、結束語
經過以上的介紹，相信大家對常用的智能卡片有了一個大概的了解，各類卡片為我們帶來了生活上的便利，相信隨著科技的不斷創新與進步，會出現更多種類的智能卡片，或者取代卡片的新生事物走進我們的生活！