提高非接觸有值IC卡操作的可靠性研究
文章出處：http://5052h112.com 作者：潘紹明 潘仕彬 人氣： 發表時間：2011年09月22日
引言
IC卡(Integrated Circuit Card)又稱為“集成電路卡”，是將一個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、詳實的個人信息資料庫，在現代的社會中已受到廣大用戶的青睞。特別是非接觸射頻IC卡的出現，極大地方便了用戶的使用，克服了傳統的接觸式IC卡觸點容易磨損、使用不方便的缺點。但同時也帶來一些問題，因為是非接觸式IC卡，有時用戶刷卡的速度過快，會導致IC卡讀卡器尚未完成對IC的操作，卡已經離開了天線區域，從而出現不可預知的后果，嚴重的話會使IC卡里的數據丟失，給用戶造成損失。出現這些問題主要是由硬件和軟件兩方面的因素造成的。硬件方面，主要與天線和卡的個體差異有關。我們做過實驗，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。讀寫距離的縮短，致使在一定的時間內沒完成卡的讀寫，從而出現異常情況。軟件方面，可在盡量縮短卡的操作時間的同時采取一些彌補措施，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，該卡與讀寫器天線之間完成一次數據交換的時間可小于0.1 s。但在實際中，由于種種原因交易的時間比這要長些，而且處理不好的話，還會出現不可預料的后果。
1 非接觸IC卡天線組成
非接觸IC卡天線是影響讀卡性能的一個決定性因素，天線設計的好壞直接影響到讀卡系統的穩定性。如圖1所示，整個天線部分電路由EMC濾波電路、接收電路和天線線圈電路3部分組成。EMC濾波電路的作用是減弱由天線發射電路產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。虛線右方所示的電路即為所要設計的天線，包擴天線線圈和相關的諧振元器件。其中，Rext用于調節天線的品質因素，而天線的中心頻率f及對外輸出阻抗Za則主要通過改變諧振電容 C1a、C1b、C2a、C2b的值來調整。所以外接電阻Rext和諧振電容器件參數的確定為天線線圈電路設計中不可缺少的一環。根據Philips公司關于非接觸式IC卡天線設計資料，天線調諧分為2個步驟: ① 調整天線的諧振頻率f和輸出阻抗Za到期望的13.56 MHz和500 Ω;② 對天線進行調節，找到最大的讀卡距離。具體方法為將天線接入電路中，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距離，直至找到最大讀卡距離時C2的值。找出最大讀卡距離的目的是為了使卡進入天線輻射范圍的時間足夠長，以圓滿地完成對卡的操作。
圖1 天線模塊電路
2 非接觸IC的電子錢包功能
有值卡一般用于小額消費中，電子錢包就是典型的應用。電子錢包的操作包括讀(READ)、加(INCREMENT)、減 (DECREMENT)、傳送(TRANSFER)和恢復(RESTORE)等。電子錢包一般采用值段方式進行存儲，廠家也提供值段操作函數幫助用戶方便地進行開發。值段也稱為“值塊（Value Block）”,Value的長度為4字節（包括符號位）。為了提高錯誤檢測和糾錯能力，在一個Value Block中每一個Value存入3次，如下所示：
在進行任意計算之前，在芯片內部檢查3個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命令寫入寄存器。
圖2 Value計算示意圖
3 軟件的實現
MF1 IC S50有8 Kb EEPROM，分成16個區，每個區又分成4個塊(Block0~3),一個分組有16字節。為了方便用戶使用,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，會有兩種情況出現： 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。這將導致無法根據函數返回值來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）。換句話說，雖然為 MI_OK時能確定操作正確，但是由于為“非MI_OK”時可能完成操作，也可能未完成操作，因此如果這是返回重新進行值操作，那么一直等到MI_OK，就會出現多操作的現象。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行操作和保證數據不丟失，一般在一個區劃分2個數據塊作為電子錢包，采用值段格式進行存儲，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），此時主值塊還沒改變；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，盡量把讀卡器天線的讀卡范圍調到讀卡的最大距離，以保證卡和天線有充分的時間耦合，為卡創造一個良好的硬件條件。但是由于讀卡器的個體差異和個人刷卡習慣的不同，也會導致一些異常現象。這時需要用軟件來彌補硬件上的不足。雙值塊操作雖然犧牲一些刷卡的時間，但是解決了單值塊操作出現的一些問題，即使一個值塊出現了問題，也能從另一個值塊把數據傳送過來，從而提高了系統的穩定性。另外，為了保證能夠在卡離開天線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行聲光提示）。這些細節也是必要的。該方法在室內已經經過嚴格測試，并投入運行階段，工作穩定。
