IC卡供水系统的设计学士学位论文.docx

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IC卡供水系统的设计学士学位论文

第一章IC卡技术发展及应用

1.1IC卡发展概述

IC卡全称集成电路卡（IntegratedCircuitCard）英文名有“ICCard”，“SmartCard”等，它是将一个集成电路芯片镶嵌于说了塑料基片中封装成卡的形式。

国际标准化组织（ISO）在ISO7861标准中规定的IC卡是指在聚氯乙烯（PVC）或聚氯乙烯酸酯（PVCA）材料制成塑料卡内嵌入微处理器和存储器等IC芯片的数据卡。

IC卡是集成电路卡。

在卡上，封装有符合ISO标准的芯片，有6或8个触点和外部设备进行通信。

在IC卡上可以有彩色图案和说明性文字。

触点的位置如图1-1所示；IC卡基本内部结构如图1-2所示。

当IC卡插入IC卡读卡器后，各接点对应接通，IC卡上的超大规模集成电路就开始工作，IC卡以其较小的体积，先进的集成电路芯片技术、独特的功能和保密措施手到了广泛的欢迎；IC卡系统的最大特点是实现真正的脱机运行。

所谓脱机运行是指IC卡系统不以来PC机就可以正常工作，可以自动识别、判断、读写、记录、存储持卡人的信息；也可以将持卡人的信息传输给PC机。

IC卡存储量大，存储量可以从几十字节到几兆字节；IC卡使用方便，便于携带；IC卡有一系列加密措施，能有效地防止密码被盗窃或破坏；IC卡对网络实时性、敏感性要求较底；；IC卡的防磁、防静电、抗干扰等性能较好；IC卡使用寿命长。

IC卡特征及结构（以SLE4432和SLE4442为例）：

（1）256*8的EEPROM用户存储卡；

（2）32*1位保护存储器；

（3）按字节寻址；

（4）用户存储器中32字节的不可逆字节写保护；

（5）2线制通信协议；

（6）复位响应符合ISO标准7816-3；

（7）擦写和写的编程时间各为2.5ms；

（8）至少1万次写/擦除周期；

（9）数据保持可达10年；

（10）触点配置和串行接口符合ISO标准7816（同步传送）；

（11）SLE4442特征还具有在准确的24位可编程密码递交后，内部数据才能改变。

IC卡引脚配置。

1.2IC卡通信协议

IC卡通信协议是一种在接口期间IFD和IC卡芯片间的二线制通信协议，所有I/O上的数据改变在时钟CLK下降沿进行。

通信协议由四种方式组成；复位和复位响应；命令方式；输出数据方式；处理方式。

1.复位和复位响应

复位响应根据ISO标准7816-3执行，复位可在操作期间任何时候进行。

起始时，RST的高状态H设置至低状态L，地址计数器随时钟脉冲一起置0，第一数据位（LSB）输出至I/O，连续输入31个时钟脉冲，可读出第一个4个EEPROM地址中内容，地33个始终脉冲恢复I/O至状态H，波形如图所示。

在复位响应期间，任何开始和停止条件均被禁止。

2.命令方式

复位响应后，芯片等待命令。

每个命令由起始条件、一个3字节长命令和停止条件构成，波形如图所示。

图1-3

起始条件：

CLK处于高状态H期间，I/O上的下降沿。

停止条件：

CLK处于高状态H期间，I/O上的上升沿。

接收到命令后，有两种方式：

读数据的输出方式和写（或擦除）的处理方式。

3.输出数据方式

图1-4

在这种方式下，IC发送数据至IFD，波形如图所示，它表示输出数据时序图，在CLK上第一个下降沿后，I/O上第一位有效，最后一个数据位之后，需要一个额外的时钟脉冲，以设置I/O处于高状态，同时准备IC接收新的命令。

在这种方式，任何起始和停止条件均被禁止。

4.处理方式

IC卡必须连续接收时钟，直至到CLK下降沿之后切换至低状态L的I/O被设置成高状态H，任何开始和停止条件在此方式期间均被禁止。

1.3IC卡的命令方式

（1）命令格式

每个命令由3个字节组成：

字节1为控制字（位B7一B0）；字节2为地址（位A7～A0）；字节3为数据（位D7～D0）。

命令开始时首先传送控制字节LSB。

SLE4432和SLE4442提供4个命令，见表1—1SLE4432还提供表1—1SLE4442命令。

（2）命令描述

（1）该主存储器命令

此命令在任何情况下都可以读出主存储器的内容，从给定字节地址（N）至存储器结束。

命令发出后，IFD必须提供足够的时钟脉冲，时钟个数为M＝（256—N）*8+1

（2）读保护存储器命令

此命令可在任何时候读保护存储器。

在连续输入32个时钟脉冲后，将保护位传递到一个时钟脉冲，再输入一个时钟脉冲，I/O切换至高状态H个去。

表S5E4432和SLE4442命令表

字节1

控制字节

字节2

地址字节

字节3

数据字节

操作

B7B6B5B4B3B2B1B0

A7~A0

D7~D0

00110000

地址

无效

读输出的地址用户存储器结束

00111000

地址

输出数据

编程输入对应的用户存储器

00110100

无效

无效

读保护存储器

00111100

地址

无效

写保护存储器的保护位

字节1

控制字节

字节2

地址字节

字节3

数据字节

操作

B7B6B5B4B3B2B1B0

A7~A0

D7~D0

00110001

地址

无效

读保密存储器

00111001

地址

输入数据

写＼编程输入地址

对应的保密存储器

00110011

地址

输入数据

比较可编程密码PSC字节

（3）读保密存储器命令将保护位传递到输出。

与该保护存储器命令一样，此该保密存储器命令该山4个字节保密存储器内容,在输出数据方式期间时钟脉冲个数为32个，I/O经另外一个时钟脉冲切换至高状态H中去。

如果可编程密码PSC校验不成功，参考字书节的输出就被禁止，I/O仍保持低状态。

（4）更新主存储器命令

此命令利用传送的数据字节，编程寻址的EEPROM字；这取决于新旧数据，在处理方式期间将产生下列序列：

．擦除和写（5ms），对应M＝255个时钟脉冲：

．写，不用擦除（2．5ms），对应m＝124个时钟脉冲；

．擦除，不写（2．5ms），对应M＝124个时钟脉冲。

更新主存储器时序图如图1—3所

（5）更新保密存储器命令

只有在成功地进行PSC验证之后，此命令才执行，反之，只有错识计数器（地址0）的各位可以从1至0。

执行时间和要

求的时钟脉冲与更新主存储器描述的一样。

（6）写保护存储器命令

写保护存储器命令将己编程在EEPROM内的数据与刚送入的数据进行比较，检验正确后，写保护位，使此数据信息不能再改变。

假如数据比较不符合，写保护位将被禁，此命令的执行时间利要求的时间脉冲可参照更新主存储器命令。

（7）可编程密码PSC用法（只SLE4442使用）

没有可编程密码四PSC比较，SLE4442所有存储器，除了保密存储器外，只能读出。

对保密存储器的读存取只能操作错误计数器EC的3位，这3位可写，其他数据的输出将被禁止，即I/O保持“O”状态。

保密字节可在比较步骤结束和校验通过后读出，此比较过程由4个步骤组成：

写错误计数器EC（至少一位），地址0；比较PSC字节1；比较PSC字书2，地址2：

比较PSC字节3，地址3。

每个码比较之后，I/O在跟随条件（处理方式）之后的第2个时钟脉冲，切换至高状态，错误计数器接着能被刷新，密码字节内的码允许改变。

下面对写错误计数器及密码比较作一介绍。

①写错误计数器

错误计数器由bit0～bit2的3位构成。

在密码比较前、错误计数器必须至少写一位。

密码比较结果将在错误计数器中反映。

三次密码递交出错，IC卡将被阻塞，即卡中的EEPROM只能读出，再也不能修改。

②密码比较

写完一次错误计数器之后，根据上面提到的次序，以不同的命令格式送入3个密码字节，此3字节比较操作的成功结果将通过刷新错误计数器来识别，只要施加上操作电压，此时可对所有存储器进行写存取。

在错误发生情况下，只要错误计数器仍有效，整个过程可重复。

IC卡一经使用，其密码也可像EEPROM中的任何其他信息一样允许进行改变。

可编程密码PSC校验步骤如

图1—4所示。

图1-6

1.4IC卡的种类及功能特点

IC卡根据卡中所镶嵌的集成电路的不同可以分成三类：

（1）储存器卡

卡中的集成电路为可编程只读存储器EEPROM。

它不能处理信息，只能像磁卡一样存储信息，只是存储容量比磁卡更大而已。

因此它存在着与磁卡一样的安全缺陷，只适用于没有任何安全保障的应用。

（2）逻辑加密卡

卡中的集成电路具有加密逻辑和EEPROM，它保持了存储卡的价格优胜。

一般应用作电话卡、城市交通领域等储值消费。

（3）CPU

卡中的集成电路包括中央处理器CPU、EEPROM、随机存储器RAM以及固化在只读存储器ROM中的片内操作系统COS（ChipOpeatingSystem），因此不仅能够存储信息还能对数据进行复杂的运算，从而可以实现数据的加密，有效地防止卡片伪造、数据截取，安全性有了显著提高。

目前广泛应用于各种金融交易和其他安全性要求较高的场合如水电气收费。

IC卡根据与外界数据传送的形式来分为三种：

（1）接触式的IC卡

接触式的IC卡通过机械触点从读写器获取能量和交换数据；目前在社会上常见的是接触式IC卡。

它具有存储量大（以兆为单位），保密功能强（有多重密码设置和认证功能），可实现一卡多用。

但是，这类卡的读写操作速度较慢，操作也不方便，每次读写时必须把卡正确地插入到读写器的口槽才能完成数据交换，这样，在公交、考勤等需要频繁读写卡的场合就很不方便，而且读写器的触点和卡片上IC卡的触脚暴露在外,容易损坏和搞脏而造成接触不良。

（2）非接触式IC卡

非接触式IC卡通过线圈射频感应从读写器获取能量和交换数据，所以又称射频卡。

非接触式IC卡是根据射频电磁感应原理产生的。

它的读写操作只需将卡片放在读写器附近一定的距离之内就能实现数据交换，无需任何接触，使用中非常方便、快捷，不易损坏。

因此，在公交、门禁、校园、企事业等人事管理、娱乐场所等方面有广泛的应用前景。

目前我国引进的射频IC卡主要有PHILIPS公司的Mifare和ATMEL公司的Temic卡。

（3）光卡

光卡（OpticalCard）技术是计算机光盘存储技术的孪生兄弟，出现于20世纪80年代中期。

光卡的记录介质是由半导体激光材料组成，基板材料采用聚碳酸酩（用与高速喷气式飞机窗口的有机材料）组成。

该材料在耐用性方面是目前普通IC卡所采用的聚氯乙烯（PVC）的100倍。

光卡的大小与IC卡一样（长85.6mm、宽54mm、厚0.76mm）。

光卡是能够储存并再生信息的大容量卡式煤体，是利用半导体激光照射来记录和提取信息。

光卡的特点是：

（1）容量大，能存储4.2MB的信息；能保存文字、数据资料、照片、图片、图象资料；

（2）安全性好，不怕强电、强磁干扰；

（3）可靠性好，拥有独特的信息保密手段，可以做到一卡一码，该码无法用常规方法读取；

（4）读写信息快，数据读取速度26KB/s，数据写入速度10KB/s；

（5）具有很强的兼容性，光卡系统可以现行的计算机各种各样的程序兼容；

（6）用专利技术制造，可以防备伪造，且运用了多种加密技术；

（7）使用简便；

1.5IC卡的选用

美国国会于1996年认定光卡记录的信息具有法律效应，选定光卡作为绿卡工程选用卡，而在我国，仅在医疗保健上有所应用，并不普及，所以舍弃光卡而不用。

IC技术发展到现在已经成为一项相当成熟的技术，相当多的技术细节已经别国际标准化组织（ISO）和国际电子技术委员会（IE