IC卡技術(shù)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、 IC卡技術(shù)及應(yīng)用 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 何 寧編 桂林電子科技大學(xué) 通信與信息工程系 2013年3月 前 言 IC卡是集成電路卡（integrated circuit card）的簡(jiǎn)稱，也叫IC智能卡，它是將一個(gè)集成電路芯片鑲嵌于塑料基片中，封裝成標(biāo)準(zhǔn)尺寸大小卡的形式而得名。在20世紀(jì)70年代就有IC卡產(chǎn)品問世，它是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品，主要用于金融、交通、醫(yī)療、身份證明等多個(gè)行業(yè)。IC卡芯片具有寫入數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力，卡中存儲(chǔ)器的內(nèi)容可根據(jù)需要有條件地供外部讀取，或供內(nèi)部信息處理和判定使用。根據(jù)卡中所鑲嵌的集成電路不同IC卡可分為存儲(chǔ)器卡、邏輯加密卡和CPU卡三種。按卡與外界數(shù)據(jù)傳送

2、形式不同，IC卡可劃分為接觸式和非接觸式兩種。IC卡具有以下特點(diǎn)：（1） 高穩(wěn)定性：數(shù)據(jù)在IC芯片中保存時(shí)間可達(dá)幾十年以上。（2） 高可靠性：數(shù)據(jù)讀寫次數(shù)可達(dá)10萬次以上。（3） 高安全性：卡中信息不易被讀出和改寫。（4） 低功耗：工作電壓在5V以下，瞬間工作電流為毫安級(jí)。（5） 數(shù)據(jù)讀寫速度快：卡與讀寫設(shè)備的數(shù)據(jù)交換時(shí)間小于1秒。實(shí)驗(yàn)一 接觸式IC卡讀寫及控制測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、熟悉接觸式IC卡的結(jié)構(gòu)和讀寫方式； 2、學(xué)習(xí)和掌握接觸式IC卡的基本讀寫操作功能及識(shí)別控制原理； 3、理解接觸式IC卡雙向數(shù)據(jù)的通信過程。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求 1、進(jìn)行卡中信息的查詢、修改等讀寫操作。 2、進(jìn)行身份識(shí)

3、別、交易及并口輸出控制外設(shè)操作。 3、進(jìn)行讀寫卡波形測(cè)試和芯片存儲(chǔ)器代碼測(cè)試。三、實(shí)驗(yàn)原理接觸式IC卡讀寫控制系統(tǒng)由讀寫器、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)輸出顯示電路三大部分構(gòu)成。 讀/寫卡器計(jì)算機(jī)數(shù)碼管USB接口并行接口 圖1 接觸式IC卡讀寫控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用讀卡器為USB接口，存儲(chǔ)芯片為西門子的SLE4442，存儲(chǔ)容量為2K位，芯片觸點(diǎn)為6個(gè)引腳，有電源端、地端、串行時(shí)鐘端、串行數(shù)據(jù)端（雙向）、復(fù)位端和1個(gè)空腳，它是串行的EEPROM。當(dāng)卡片加電工作時(shí)，用戶可通過給定的權(quán)限對(duì)卡中信息進(jìn)行讀寫操作，并可通過并行口對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行控制操作。單字節(jié)寫操作時(shí)，讀寫卡機(jī)發(fā)送一個(gè)器件地址，每個(gè)芯片都具有一個(gè)能被選中的器件地

4、址，讀寫卡機(jī)接收到芯片的一個(gè)確認(rèn)地址（低電平）后，緊跟著發(fā)送1字節(jié)的存儲(chǔ)單元地址值，接收到芯片一個(gè)確認(rèn)位（0），然后讀寫卡機(jī)再發(fā)送1字節(jié)的數(shù)據(jù)，接收到芯片的一個(gè)確認(rèn)位后再發(fā)送一個(gè)停止命令，這一過程結(jié)束后，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)將寫到芯片相應(yīng)地址的單元中，單字節(jié)寫操作時(shí)序如圖2。讀操作的過程類似于寫操作，只是器件地址的最后一位為1。圖2 單字節(jié)寫操作時(shí)序四、實(shí)驗(yàn)步驟l 功能測(cè)試1、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，將接觸式IC卡讀寫器連接到計(jì)算機(jī)的USB口。 2、將外設(shè)電路與計(jì)算機(jī)并行口（打印機(jī)接口）連接。 3、運(yùn)行實(shí)驗(yàn)程序，選擇接觸式IC卡實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將IC卡插入讀卡器中。 4、選擇查詢功能，對(duì)卡內(nèi)用戶信息進(jìn)行查詢。 5、選

5、擇修改功能，輸入密碼后，對(duì)卡內(nèi)用戶信息記錄進(jìn)行修改。 6、選擇交易功能，輸入密碼后，從鍵盤對(duì)交易數(shù)據(jù)進(jìn)行操作（如充值金額、消費(fèi)金額）。 7、選擇控制功能，輸入密碼后，將鍵盤內(nèi)容（十六進(jìn)制數(shù)）從并行口輸出到數(shù)碼管顯示。 8、按“ESC”鍵，使十六進(jìn)制數(shù)自動(dòng)輸出到數(shù)碼管循環(huán)顯示。l 波形測(cè)試 1、用數(shù)字萬用表測(cè)試讀寫卡機(jī)的電源供電電壓，并觀測(cè)讀寫卡機(jī)如何給芯片供電。 2、用示波器測(cè)試SCL、SDA、和RST引腳的工作波形。 3、觀察分析芯片存儲(chǔ)器單元代碼的存放情況。五、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 計(jì)算機(jī) 一臺(tái) 接觸式IC卡讀卡器 一臺(tái) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器 一臺(tái) 并口實(shí)驗(yàn)電路板 一塊 萬用表 一塊六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、整理實(shí)驗(yàn)

6、數(shù)據(jù)，分析說明信息代碼在芯片存儲(chǔ)器中的存放過程，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。2、說明IC卡的插入/退出識(shí)別和上下電的控制過程。 實(shí)驗(yàn)二 非接觸式IC卡讀寫及控制測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、熟悉非接觸式IC卡的結(jié)構(gòu)和讀寫方式； 2、學(xué)習(xí)和掌握非接觸式IC卡的基本讀寫操作功能及識(shí)別控制原理； 3、理解非接觸式IC卡雙向數(shù)據(jù)的通信過程。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求 1、進(jìn)行卡中和計(jì)算機(jī)中信息進(jìn)行查詢、修改等讀寫操作。 2、進(jìn)行身份識(shí)別、交易及并口輸出控制外設(shè)操作。 3、進(jìn)行讀寫卡波形測(cè)試。三、實(shí)驗(yàn)原理非接觸式IC卡讀寫控制系統(tǒng)由讀寫器、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)輸出顯示電路三大部分構(gòu)成。 、 讀/寫卡器計(jì)算機(jī) LEDUSB接口并行接口 圖1

7、非接觸式IC卡讀寫控制系統(tǒng)非接觸IC卡也稱射頻卡或RF卡，它是通過電磁波感應(yīng)原理，在讀寫頭和IC卡之間交換數(shù)據(jù)，射頻IC卡與無線電通信在原理上和功能上不完全一樣。通常射頻卡的通信距離都很小，只有幾厘米至幾十厘米，非接觸式IC卡內(nèi)設(shè)置有天線線圈，其卡片厚度要比接觸式IC卡厚些。由作為固定設(shè)備的讀卡頭產(chǎn)生125KHz的電磁場(chǎng)，當(dāng)非接觸IC卡靠近電磁場(chǎng)時(shí)，它的線圈從電磁場(chǎng)中吸收能量，當(dāng)能量聚集到足夠時(shí)，卡中的微電路使其工作，微電路工作時(shí)，它并不發(fā)射數(shù)據(jù)，而是利用微電路工作時(shí)會(huì)消耗電磁能量，使電磁信號(hào)發(fā)生變化，由讀卡頭本身檢測(cè)電磁場(chǎng)的變化，該電磁場(chǎng)的變化即為對(duì)應(yīng)卡中的數(shù)據(jù)。非接觸式IC卡的存儲(chǔ)區(qū)域與接

8、觸式IC卡的不同，它是將整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)劃分為多個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)包含4個(gè)塊，每個(gè)塊有16個(gè)字節(jié)，其中每個(gè)扇區(qū)的第3塊是用于存放密鑰的，IC卡存儲(chǔ)區(qū)的信息存儲(chǔ)分配情況參考附錄1。本實(shí)驗(yàn)使用的讀卡器類型為MUR100，IC卡型號(hào)為MF1S50。四、實(shí)驗(yàn)步驟 1、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，并進(jìn)入非接觸式IC卡實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 2、選擇卡操作，根據(jù)提示菜單對(duì)卡寫入相關(guān)數(shù)據(jù)信息。 3、對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的其它功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并按下列要求總結(jié)分析：l 描述系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的功能l 分析計(jì)算IC卡扇區(qū)從第02扇區(qū)開始的存放記錄條數(shù) 4、用示波器測(cè)試FM1702N非接觸式讀卡芯片的TX、RX和天線端在讀卡操作過程中的波形參數(shù)。五、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 計(jì)算機(jī)

9、 一臺(tái) 非接觸式IC卡讀卡器 一臺(tái) 示波器 一臺(tái) 并口實(shí)驗(yàn)電路板 六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1、整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)過程，說明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能。 2、對(duì)比非接觸式IC卡與接觸式IC卡工作特點(diǎn)。附錄1：IC卡存儲(chǔ)區(qū)分配表實(shí)驗(yàn)三： RFID電路設(shè)計(jì)與測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解射頻識(shí)別頻率劃分標(biāo)準(zhǔn)。 2、理解射頻識(shí)別系統(tǒng)工作原理。3、理解耦合天線電感和頻率變化與電子標(biāo)簽識(shí)別距離的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、按給定指標(biāo)參數(shù)設(shè)計(jì)一射頻信號(hào)識(shí)別電路，并進(jìn)行測(cè)試。2、測(cè)試耦合天線電感變化時(shí)，電子標(biāo)簽與發(fā)射天線的耦合距離關(guān)系。3、測(cè)試振蕩頻率變化時(shí)，電子標(biāo)簽與發(fā)射天線的耦合距離關(guān)系。三、實(shí)驗(yàn)原理射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是一種新型

10、自動(dòng)識(shí)別技術(shù),具有可靠性高、保密性強(qiáng)、方便快捷等特點(diǎn)，它利用無線射頻方式，通過電磁感應(yīng)、無線電波或微波能量,在讀寫基站和應(yīng)答目標(biāo)之間進(jìn)行非接觸雙向通信 ,以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換的目的，這項(xiàng)技術(shù)簡(jiǎn)稱為“電子標(biāo)簽”。 射頻識(shí)別系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽(射頻標(biāo)簽)和閱讀器組成,電子標(biāo)簽內(nèi)存有一定格式的電子數(shù)據(jù),常以此作為待識(shí)別目標(biāo)的標(biāo)識(shí)性信息。應(yīng)用中將電子標(biāo)簽附著在待識(shí)別目標(biāo)上,作為待識(shí)別目標(biāo)的電子標(biāo)記，閱讀器與電子標(biāo)簽可按約定的通信協(xié)議互傳信息，RFID標(biāo)簽主要分為無源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽兩類。RFID系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示。 RFID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用的電子標(biāo)簽為無源標(biāo)簽，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器發(fā)射的電磁場(chǎng)區(qū)域

11、時(shí)，標(biāo)簽（應(yīng)答器）的接收天線將接收電磁能量轉(zhuǎn)換直流給e5550供電，芯片工作后，再由標(biāo)簽上的天線把電子數(shù)據(jù)發(fā)送回閱讀器進(jìn)行解碼，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)電子簽數(shù)據(jù)的讀取。RFID廣泛應(yīng)用于如門禁、交通、旅游、倉儲(chǔ)等多種目標(biāo)的識(shí)別，它是短距離、微功率無線電系統(tǒng)，在10厘米到20米距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。RFID系統(tǒng)使用的主要頻率有125KHz、6.78MHz、13.56MHz、27.125MHz、40.68MHz、433.92MHz、869.0MHz、915.0MHz、2.45GHz、5.8GHz以及24.125GHz。 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的中心工作頻率為125KHz（長(zhǎng)波長(zhǎng)），發(fā)射線圈的電感與電容構(gòu)成諧振回路，

12、諧振頻率可由公式，此諧振回路也是閱讀器芯片U2270的負(fù)載阻抗，它決定載波信號(hào)耦合效率。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求1、標(biāo)簽工作頻率為125KHz，諧振回路電容為1500P，可調(diào)電阻為500，2、根據(jù)已知參數(shù)，計(jì)算L值，制作幾個(gè)不同電感量的諧振線圈，分別接入電路中。3、適當(dāng)調(diào)整W1使LED恰好不發(fā)光（調(diào)整接收靈敏度），調(diào)整W2使載波頻率為125KHz。4、用萬用表測(cè)量壓控端電壓值，用示波器測(cè)試天線載波波形和頻率參數(shù)。5、將電子標(biāo)簽靠近耦合天線，用示波器測(cè)量數(shù)據(jù)輸出端接收波形和頻率參數(shù)。6、上下移動(dòng)電子標(biāo)簽在某一位置，使LED恰好穩(wěn)定點(diǎn)亮，測(cè)量此時(shí)電子標(biāo)簽與閱讀器耦合天線的最大距離。7、換接不同電感量的閱讀器耦合天線，按上述同樣方法，上下移動(dòng)電子標(biāo)簽，測(cè)定電子標(biāo)簽與閱讀器耦合天線的最大距離（LED穩(wěn)定點(diǎn)亮）。8、從以上實(shí)驗(yàn)中選擇一耦合匹配較好的線圈接入電路，適當(dāng)調(diào)整W1使LED恰好不發(fā)光，再調(diào)整W2改變壓控端電壓，用示波器測(cè)試天線載波頻率，同時(shí)測(cè)試每一個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓控電壓值和電子標(biāo)簽與耦合天線的距離（LED穩(wěn)定點(diǎn)亮），頻率范圍從110KHz200