提高非接觸有值IC卡操作的可靠性研究

　　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(xiàn)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(xiàn)，極大地方便了用戶的使用，克服了傳統(tǒng)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(dǎo)致IC卡讀卡器尚未完成對IC的操作，卡已經(jīng)離開了天線區(qū)域，從而出現(xiàn)不可預(yù)知的后果，嚴(yán)重的話會使IC卡里的數(shù)據(jù)丟失，給用戶造成損失。出現(xiàn)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(guān)。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(nèi)沒完成卡的讀寫，從而出現(xiàn)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(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(biāo)準(zhǔn)，該卡與讀寫器天線之間完成一次數(shù)據(jù)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(xiàn)不可預(yù)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(shè)計的好壞直接影響到讀卡系統(tǒng)的穩(wěn)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(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(nèi)部參考電壓輸出VMID保持一致；R1則用于調(diào)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(shè)計的天線，包擴天線線圈和相關(guān)的諧振元器件。其中，Rext用于調(diào)節(jié)天線的品質(zhì)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(diào)整。所以外接電阻Rext和諧振電容器件參數(shù)的確定為天線線圈電路設(shè)計中不可缺少的一環(huán)。根據(jù)Philips公司關(guān)于非接觸式IC卡天線設(shè)計資料，天線調(diào)諧分為2個步驟: ①  調(diào)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(jìn)行調(diào)節(jié)，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(tǒng)工作的情況下，不斷調(diào)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(jìn)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(yīng)用。電子錢包的操作包括讀(READ)、加(INCREMENT)、減 (DECREMENT)、傳送(TRANSFER)和恢復(fù)(RESTORE)等。電子錢包一般采用值段方式進(jìn)行存儲，廠家也提供值段操作函數(shù)幫助用戶方便地進(jìn)行開發(fā)。值段也稱為“值塊（Value Block）”,Value的長度為4字節(jié)（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(jìn)行任意計算之前，在芯片內(nèi)部檢查3個Value的一致性。余下的4字節(jié)（A和）為8位任意地址(Address)字節(jié)，同一地址存入4次(A和)。

　　Value Block中的內(nèi)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(nèi)容。數(shù)據(jù)的計算過程如圖2所示。計算結(jié)果暫存入DATA寄存器（即數(shù)據(jù)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(xiàn)

　　MF1 IC S50有8 Kb EEPROM，分成16個區(qū)，每個區(qū)又分成4個塊(Block0~3),一個分組有16字節(jié)。為了方便用戶使用,Philips公司給出了值段操作函數(shù) M500PiccValue（），使用該函數(shù)可以方便地進(jìn)行加(INCREMENT)、減(DECREMENT)、傳送(TRANSFER)、恢復(fù) (RESTORE)等操作。但是該函數(shù)存在一定的缺陷，當(dāng)返回值為“非MI_OK”時，會有兩種情況出現(xiàn)： 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(jié)果。這將導(dǎo)致無法根據(jù)函數(shù)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(jìn)行值操作，那么一直等到MI_OK，就會出現(xiàn)多操作的現(xiàn)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(dāng)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(shù)據(jù)不丟失，一般在一個區(qū)劃分2個數(shù)據(jù)塊作為電子錢包，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），此時主值塊還沒改變；如果此操作為MI_OK,則繼續(xù)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(fù)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(jié)果，失敗則重做。具體軟

件操作流程如圖3所示。

　　4  結(jié)論

　　電子錢包作為有值卡的一種，對其操作的穩(wěn)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(diào)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(chuàng)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(xí)慣的不同，也會導(dǎo)致一些異常現(xiàn)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(xiàn)的一些問題，即使一個值塊出現(xiàn)了問題，也能從另一個值塊把數(shù)據(jù)傳送過來，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)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(jìn)行聲光提示）。這些細(xì)節(jié)也是必要的。該方法在室內(nèi)已經(jīng)經(jīng)過嚴(yán)格測試，并投入運行階段，工作穩(wěn)定。