第四章 非接触式IC卡技术
非接触式IC卡是射频识别技术与IC卡技术相结合的产物，它与接触式IC卡的最大区别是它没有机械触点，通过无线方式与读写设备进行通信，它成功解决了卡内无源和免接触这一难题。
4.1 射频识别技术
射频识别（英文：Radio Frequency IDentification，缩写：RFID）是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。射频识别技术是非接触式智能卡系统的基础，是在射频技术、通信技术和计算机术等现代信息技术发展的基础上于20世纪80年代中期问世的。与传统的条码或磁条识别技术比，射频识别技术具有非接触、作用距离远、精度高、信息的收集和处理快捷等一系的优点，在工业自动化、商品控制、交通运输控管等众多领域得到广泛的发展。
RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，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），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），解读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。一套完整的RFID系统， 是由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据， 送给应用程序做相应的处理。
射频识别技术是自动识别技术中的一种。自动识别技术(AutomatciEuqipmnet dInetifiaction，简称AEI)是目前国际上发展很快的一项新技术。该项技术的基本思是通过采用一些先进的技术手段，实现人们对各类物体或设备(人员、物品)在不同态(移动、静止或恶劣环境)下的自动识别和管理。
依据射频识别技术实现的射频卡系统，可按照以下5种方式分类: (1) 根据射频卡供电方式可分为有源卡系统及无源卡系统;
(2)根据射频卡工作方式的不同可分成三种:可读写卡(RW)、一次写入多次读
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出(WORM)和只读卡(RO)系统:
(3) 根据整个系统工作频率的不同可分为高频、中频及低频系统; (4)根据调制方式的不同可分为主动式和被动式系统;
(5)根据读取卡片数据的技术实现手段，可将其分为广播发射式、倍频式和反射调制式三大不同系统。
射频识别系统一般由两部分组成： 应答器：应答器应放在识别的物体上；
阅读器：阅读器可以是读或读/写装置，取决于所使用的结构和技术。 1、非接触IC卡工作过程为
(1) 读写器不断向周围发出一组固定频率的无线电磁波，非接触式IC卡的典型工作频率是13.56MHz。
(2) 非接触卡片内有一个LC串联谐振电路,当它进入读写终端的工作区域内,而且频率与读写终端发送的频率相同,这样,在电磁激励下，LC谐振电路产生共振。 (3) 共振使卡内的电容有了负荷，在电容的另一端，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存储，当所积累的电荷达到2V时此电容可作为电源为集成电路提供工作电压。
(4) CMOS集成电路中的有关控制逻辑电路对接收到的信号进行解码。 (5) 根据解码信息判断读写终端发来的命令要求，若是读取信息则控制逻辑电路从存储器中读取有关信息；若是修改信息则有关控制逻辑启动电压泵将2V工作电压提升到15V，以便对存储器（EEPROM）中内容进行重新写入编程。 (6) 当电容放电时，非接触卡内的发射电路就将从存储其中读取的数据信息及相关信息发送给读写终端。
(7) 读写终端对接收到的信息进行处理。 射频识别系统使用的频段可以分为低频和高频两类，当工作频率越高，它们之间的通讯速度就越快，系统的工作时间就越短。
2、射频技术在非接触式IC卡中的实现
非接触IC卡又称为射频IC卡，其关键技术是射频识别技术。要在IC卡中实现射频技术需要解决的技术难题如下:
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（1）安全机制问题：因为射频技术的特点,所以IC卡中得的数据在通信过程中被截取的可能性很大，所以需要防止保密信息的泄漏。作为安全性的解决办法之一，射频信号传输的是通过加密处理的数据，必须有同样的解密算法才能破解其中的信息，并且在实现通讯之前必须先进行读卡机具和卡的相互认证才可继续进行通讯。
(2)防冲突机制：如果在操作过程中同时出现多张卡，如何防止卡之间的数据干扰，保证读/写卡操作的正确完成。非接触卡在出现多卡进入读卡机具作用范围时，通过基于BIT冲突检测协议（Type A），或者则是字节、帧及命令（Type B）完成防冲突（Type A型和Type B型卡的区别在后面进行阐述）。
（3）通讯的调制解调方式：为了实现IC卡与终端之间的正确的通讯，必须为其数据的传输制定相应的协议，才能在IC卡和终端之间进行正确的交流。而作为将模拟信号转换为数字信号进行传送的调制解调方式对通讯的完成是非常的关键的，非接触式IC卡通过两种方式进行调制解调，这也是Type A和Type B型卡的区别之一。
（4）电源及电源功耗的设计：射频IC卡的工作能源是通过射频收发电路由空间电磁波提供的。电磁波能量的大小决定了卡上IC的功耗，也决定了IC芯片的功能。所以其在功耗参数上则要求尽量的小，这样射频信号的能量才能满足IC卡的工作要求。要克服这个问题只有从两个方面来解决，首先是在芯片的制作材料上进行技术革新，降低芯片的功耗。另一个方法就是提高射频能量，从射频欧中获取足够的电能保证卡上IC卡片正常工作。
4.2非接触式IC卡射频技术发展
非接触式IC卡在目前的应用中，由于本身射频技术和卡芯片 技术的限制，卡片需要较低的功耗。从而导致无法在卡片上实现CPU的嵌入，所以非接触式IC卡多为ASIC卡，ASIC的加密采用的是逻辑电路加密的方法，其灵活和可靠性都不是很高。所以，这直接导致了非接触卡在金融系统和电子商务应用上的限制。所以在以后的发展中，射频卡的发展方向则是基于在其中实现CPU，以达到扩展其应用领域的目的。
前面曾经提到过，由于射频卡的能量供给都是由射频信号提供的，所以射频功率的大小决定了射频卡的功耗。而卡片上集成CPU需要占用更多的功耗，于是，
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解决能量供给的问题就是射频技术发展所需要解决的问题。提高射频信号的功率，以提供足够的能量保障卡芯片和CPU的正常工作，这也是解决接触式IC卡和非接触式IC卡兼容问题的最为经济和现实的途径。
目前市场上最常见的非接触式IC卡是非接触式逻辑加密卡，这类IC卡凭借其良好的性能和较高的性价比得到了广大用户的青睐，并已被广泛应用于公交、医疗、校园一卡通，门禁等领域。由于非接触式逻辑加密卡芯片采用的是流密码技术，密钥长度也不是很长（比较典型的密码长度是Mifare的48 bit），因此逻辑加密卡芯片普遍存在着一定的安全隐患，有被黑客破解的可能。在金融、身份识别、电子护照等对安全要求比较高的领域目前更倾向于使用内嵌微处理器的非接触式CPU卡芯片。
CPU卡芯片内部都有双重安全机制，第一重是芯片本身集成的加密算法模块，芯片设计公司通常都会将经实践检验最安全的几种加密算法集成入芯片，目前比较常见的安全算法有RSA，3-DES等。国内芯片设计公司还会引入国密算法（SSF33，SCB2，SM2，SM3等）来加强芯片的安全性。国密算法是不对外公开的，因此国密算法一般比其他公开算法的加密算法具有更高的安全性。第二重保护则是CPU卡芯片特有的COS（Card Operation System）系统，COS可以为芯片设立多个相互独立的密码，密钥以目录为单位存放，每个目录下的密钥相互之间独立，并且有防火墙功能（不同目录下密钥不会互相影响）。同时COS内部还设立密码最大重试次数以防止恶意攻击。由此可见，非接触式CPU卡比非接触式逻辑加密卡具有更高的安全性。
第五章系统硬件设计与实现
5.1 显示模块
本系统的人机接口部分采用LCD显示，LCD型号为12864，带中文字库的128X64是一种具有2线或3线串行、4位/8位并行的多种接口方式，内部包括国标一级、二级简体的中文字库的点阵图形显示模块；它的分辨率为128×64, 内部置有128个16*8点ASCII字符集和8192个16*16点汉字。该模块方便、简单的操作指令与灵活的接口方式令，可以构成全中文人与机交互的图形界面。显著特点之一为低电压低功耗。选用由该模块构成的显示方案和同类型的图形点显示模块相比较，无论显示程序或者硬件电路结构都要简洁很多，而且此模块的成本略低。字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM实现的。根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示CGROM（中文字库）、CGRAM（自定义字形）和HCGROM（ASCII
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码字库）的内容。三种不同的字符/字体选择代码范围：0000H?0006H（分别为0000,0002,0004,0006共4种）显示自定义的字体，02H?7FH显示半宽ASCII字符，A1A0H?F7FFH显示8192种GB2312中文字符字形。字符显示在液晶显示模块RAM地址为80H?9FH。字符显示的RAM的地址和字符显示区域32是一对一的关系[11]。
LCD与单片机的连结图如图3.1所示。
图3.1 LCD显示电路
5.2 MF-RC500读写模块
5.2.1 MF-RC500介绍
PHILIPS公司的MF-RC500是用在13.56MHz的非接触式通信中且高集成读卡IC系列的其中之一。该读卡IC系列运用先进的调制与解调的概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MF-RC500支持IS014443A的所有层，其功能框图如下:
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