提高非接觸有值IC卡操作的可靠性研究

　　IC卡(Integrated Circuit Card)又稱(chēng)為“集成電路卡”，是將一個(gè)集成電路芯片鑲嵌于塑料基片中，封裝成卡的形式，其外形與覆蓋磁條的磁卡相似。IC卡作為一種安全、方便、快捷的支付工具和輕便、詳實(shí)的個(gè)人信息資料庫，在現代的社會(huì )中已受到廣大用戶(hù)的青睞。特別是非接觸射頻IC卡的出現，極大地方便了用戶(hù)的使用，克服了傳統的接觸式IC卡觸點(diǎn)容易磨損、使用不方便的缺點(diǎn)。但同時(shí)也帶來(lái)一些問(wèn)題，因為是非接觸式IC卡，有時(shí)用戶(hù)刷卡的速度過(guò)快，會(huì )導致IC卡讀卡器尚未完成對IC的操作，卡已經(jīng)離開(kāi)了天線(xiàn)區域，從而出現不可預知的后果，嚴重的話(huà)會(huì )使IC卡里的數據丟失，給用戶(hù)造成損失。出現這些問(wèn)題主要是由硬件和軟件兩方面的因素造成的。硬件方面，主要與天線(xiàn)和卡的個(gè)體差異有關(guān)。我們做過(guò)實(shí)驗，不同的卡即使在同一讀卡器上，它們的讀卡距離差別還是很大的;同樣，同一張卡在不同讀卡器上的讀卡距離的差別也很大。讀寫(xiě)距離的縮短，致使在一定的時(shí)間內沒(méi)完成卡的讀寫(xiě)，從而出現異常情況。軟件方面，可在盡量縮短卡的操作時(shí)間的同時(shí)采取一些彌補措施，以彌補先天的硬件不足，從而提高IC卡的可靠性操作，避免了一些不必 要的麻煩。

　　Philips公司是世界上最早研制非接觸式IC卡的公司，其產(chǎn)品系列有Mifare standard、Mifare Light、Mifare PLUS和Mifare PRO。以Mifare standard系列MF1 IC S50為例，按Philips公司的標準，該卡與讀寫(xiě)器天線(xiàn)之間完成一次數據交換的時(shí)間可小于0.1 s。但在實(shí)際中，由于種種原因交易的時(shí)間比這要長(cháng)些，而且處理不好的話(huà)，還會(huì )出現不可預料的后果。

　　1 非接觸IC卡天線(xiàn)組成

　　非接觸IC卡天線(xiàn)是影響讀卡性能的一個(gè)決定性因素，天線(xiàn)設計的好壞直接影響到讀卡系統的穩定性。如圖1所示，整個(gè)天線(xiàn)部分電路由EMC濾波電路、接收電路和天線(xiàn)線(xiàn)圈電路3部分組成。EMC濾波電路的作用是減弱由天線(xiàn)發(fā)射電路產(chǎn)生的高次諧波對外界的影響。接收電路由R1、R2、C3、C4組成。 R2、C4的作用是使接收腳RX上的直流電平與內部參考電壓輸出VMID保持一致；R1則用于調整接收腳RX上交流信號的幅度。虛線(xiàn)右方所示的電路即為所要設計的天線(xiàn)，包擴天線(xiàn)線(xiàn)圈和相關(guān)的諧振元器件。其中，Rext用于調節天線(xiàn)的品質(zhì)因素，而天線(xiàn)的中心頻率f及對外輸出阻抗Za則主要通過(guò)改變諧振電容 C1a、C1b、C2a、C2b的值來(lái)調整。所以外接電阻Rext和諧振電容器件參數的確定為天線(xiàn)線(xiàn)圈電路設計中不可缺少的一環(huán)。根據Philips公司關(guān)于非接觸式IC卡天線(xiàn)設計資料，天線(xiàn)調諧分為2個(gè)步驟: ①  調整天線(xiàn)的諧振頻率f和輸出阻抗Za到期望的13.56 MHz和500 Ω;②  對天線(xiàn)進(jìn)行調節，找到最大的讀卡距離。具體方法為將天線(xiàn)接入電路中，然后在系統工作的情況下，不斷調整C2的值并測試卡的讀寫(xiě)距離，直至找到最大讀卡距離時(shí)C2的值。找出最大讀卡距離的目的是為了使卡進(jìn)入天線(xiàn)輻射范圍的時(shí)間足夠長(cháng)，以圓滿(mǎn)地完成對卡的操作。

　　圖1  天線(xiàn)模塊電路

　　2  非接觸IC的電子錢(qián)包功能

　　有值卡一般用于小額消費中，電子錢(qián)包就是典型的應用。電子錢(qián)包的操作包括讀(READ)、加(INCREMENT)、減 (DECREMENT)、傳送(TRANSFER)和恢復(RESTORE)等。電子錢(qián)包一般采用值段方式進(jìn)行存儲，廠(chǎng)家也提供值段操作函數幫助用戶(hù)方便地進(jìn)行開(kāi)發(fā)。值段也稱(chēng)為“值塊（Value Block）”,Value的長(cháng)度為4字節（包括符號位）。為了提高錯誤檢測和糾錯能力，在一個(gè)Value Block中每一個(gè)Value存入3次，如下所示：

　　在進(jìn)行任意計算之前，在芯片內部檢查3個(gè)Value的一致性。余下的4字節（A和）為8位任意地址(Address)字節，同一地址存入4次(A和)。

　　Value Block中的內容第一次由WRITE命令寫(xiě)入到所要求的地址中，以后可以用DECREAMENT/INCREMENT/RESTORE命令修改內容。數據的計算過(guò)程如圖2所示。計算結果暫存入DATA寄存器（即數據寄存器），然后用TRANSFER命令寫(xiě)入寄存器。

　　
圖2  Value計算示意圖

　　3  軟件的實(shí)現

　　MF1 IC S50有8 Kb EEPROM，分成16個(gè)區，每個(gè)區又分成4個(gè)塊(Block0~3),一個(gè)分組有16字節。為了方便用戶(hù)使用,Philips公司給出了值段操作函數 M500PiccValue（），使用該函數可以方便地進(jìn)行加(INCREMENT)、減(DECREMENT)、傳送(TRANSFER)、恢復 (RESTORE)等操作。但是該函數存在一定的缺陷，當返回值為“非MI_OK”時(shí)，會(huì )有兩種情況出現： ①  值操作未完成，值為原值不變；②  值操作已完成，值為正確計算結果。這將導致無(wú)法根據函數返回值來(lái)判斷值操作成功與否（只有返回值是MI_OK才能確定是正確的）。換句話(huà)說(shuō)，雖然為 MI_OK時(shí)能確定操作正確，但是由于為“非MI_OK”時(shí)可能完成操作，也可能未完成操作，因此如果這是返回重新進(jìn)行值操作，那么一直等到MI_OK，就會(huì )出現多操作的現象。比如要求刷一次卡扣1元，那它可能扣掉2元、3元，甚至更多。這當然不是所期望看到的。

    針對上述的情況，為了保證能正確地對卡進(jìn)行操作和保證數據不丟失，一般在一個(gè)區劃分2個(gè)數據塊作為電子錢(qián)包，采用值段格式進(jìn)行存儲，分別定義為主值塊（①塊)和備份值塊(②塊)，主值塊和備份塊相互備份。

　圖3  軟件操作流程

　　先將主值塊的值減去消費額得到的值存在備份值塊中(①塊→②塊，使用“減”和“傳送”操作），此時(shí)主值塊還沒(méi)改變；如果此操作為MI_OK,則繼續下面的操作將備份值塊的值送回主值塊(②塊→①塊)，使用恢復操作；如果操作為MI_OK,則此時(shí)①塊和②塊的值相等。每一步操作都判斷結果，失敗則重做。具體軟

件操作流程如圖3所示。

　　4  結論

　　電子錢(qián)包作為有值卡的一種，對其操作的穩定性是非常重要的。在硬件方面，盡量把讀卡器天線(xiàn)的讀卡范圍調到讀卡的最大距離，以保證卡和天線(xiàn)有充分的時(shí)間耦合，為卡創(chuàng )造一個(gè)良好的硬件條件。但是由于讀卡器的個(gè)體差異和個(gè)人刷卡習慣的不同，也會(huì )導致一些異?，F象。這時(shí)需要用軟件來(lái)彌補硬件上的不足。雙值塊操作雖然犧牲一些刷卡的時(shí)間，但是解決了單值塊操作出現的一些問(wèn)題，即使一個(gè)值塊出現了問(wèn)題，也能從另一個(gè)值塊把數據傳送過(guò)來(lái)，從而提高了系統的穩定性。另外，為了保證能夠在卡離開(kāi)天線(xiàn)之前完成對卡的操作，可以增加一些聲光提示作為輔助（比如操作順利完成后才進(jìn)行聲光提示）。這些細節也是必要的。該方法在室內已經(jīng)經(jīng)過(guò)嚴格測試，并投入運行階段，工作穩定。