IC卡技術與應用實驗指導書

1、 IC卡技術及應用 實驗指導書 何 寧編 桂林電子科技大學 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）的簡稱，也叫IC智能卡，它是將一個集成電路芯片鑲嵌于塑料基片中，封裝成標準尺寸大小卡的形式而得名。在20世紀70年代就有IC卡產品問世，它是微電子技術和計算機技術相結合的產品，主要用于金融、交通、醫(yī)療、身份證明等多個行業(yè)。IC卡芯片具有寫入數據和存儲數據的能力，卡中存儲器的內容可根據需要有條件地供外部讀取，或供內部信息處理和判定使用。根據卡中所鑲嵌的集成電路不同IC卡可分為存儲器卡、邏輯加密卡和CPU卡三種。按卡與外界數據傳送

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：（1） 高穩(wěn)定性：數據在IC芯片中保存時間可達幾十年以上。（2） 高可靠性：數據讀寫次數可達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。（5） 數據讀寫速度快：卡與讀寫設備的數據交換時間小于1秒。實驗一 接觸式IC卡讀寫及控制測試一、實驗目的 1、熟悉接觸式IC卡的結構和讀寫方式； 2、學習和掌握接觸式IC卡的基本讀寫操作功能及識別控制原理； 3、理解接觸式IC卡雙向數據的通信過程。二、實驗內容及要求 1、進行卡中信息的查詢、修改等讀寫操作。 2、進行身份識

3、別、交易及并口輸出控制外設操作。 3、進行讀寫卡波形測試和芯片存儲器代碼測試。三、實驗原理接觸式IC卡讀寫控制系統(tǒng)由讀寫器、計算機和數據輸出顯示電路三大部分構成。 讀/寫卡器計算機數碼管USB接口并行接口 圖1 接觸式IC卡讀寫控制系統(tǒng)實驗用讀卡器為USB接口，存儲芯片為西門子的SLE4442，存儲容量為2K位，芯片觸點為6個引腳，有電源端、地端、串行時鐘端、串行數據端（雙向）、復位端和1個空腳，它是串行的EEPROM。當卡片加電工作時，用戶可通過給定的權限對卡中信息進行讀寫操作，并可通過并行口對外部設備進行控制操作。單字節(jié)寫操作時，讀寫卡機發(fā)送一個器件地址，每個芯片都具有一個能被選中的器件地

4、址，讀寫卡機接收到芯片的一個確認地址（低電平）后，緊跟著發(fā)送1字節(jié)的存儲單元地址值，接收到芯片一個確認位（0），然后讀寫卡機再發(fā)送1字節(jié)的數據，接收到芯片的一個確認位后再發(fā)送一個停止命令，這一過程結束后，一個字節(jié)的數據將寫到芯片相應地址的單元中，單字節(jié)寫操作時序如圖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)寫操作時序四、實驗步驟l 功能測試1、啟動計算機，將接觸式IC卡讀寫器連接到計算機的USB口。 2、將外設電路與計算機并行口（打印機接口）連接。 3、運行實驗程序，選擇接觸式IC卡實驗系統(tǒng)，將IC卡插入讀卡器中。 4、選擇查詢功能，對卡內用戶信息進行查詢。 5、選

5、擇修改功能，輸入密碼后，對卡內用戶信息記錄進行修改。 6、選擇交易功能，輸入密碼后，從鍵盤對交易數據進行操作（如充值金額、消費金額）。 7、選擇控制功能，輸入密碼后，將鍵盤內容（十六進制數）從并行口輸出到數碼管顯示。 8、按“ESC”鍵，使十六進制數自動輸出到數碼管循環(huán)顯示。l 波形測試 1、用數字萬用表測試讀寫卡機的電源供電電壓，并觀測讀寫卡機如何給芯片供電。 2、用示波器測試SCL、SDA、和RST引腳的工作波形。 3、觀察分析芯片存儲器單元代碼的存放情況。五、實驗設備 計算機 一臺 接觸式IC卡讀卡器 一臺 數字存儲示波器 一臺 并口實驗電路板 一塊 萬用表 一塊六、實驗報告1、整理實驗

6、數據，分析說明信息代碼在芯片存儲器中的存放過程，撰寫實驗報告。2、說明IC卡的插入/退出識別和上下電的控制過程。 實驗二 非接觸式IC卡讀寫及控制測試一、實驗目的 1、熟悉非接觸式IC卡的結構和讀寫方式； 2、學習和掌握非接觸式IC卡的基本讀寫操作功能及識別控制原理； 3、理解非接觸式IC卡雙向數據的通信過程。二、實驗內容及要求 1、進行卡中和計算機中信息進行查詢、修改等讀寫操作。 2、進行身份識別、交易及并口輸出控制外設操作。 3、進行讀寫卡波形測試。三、實驗原理非接觸式IC卡讀寫控制系統(tǒng)由讀寫器、計算機和數據輸出顯示電路三大部分構成。 、 讀/寫卡器計算機 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原理，在讀寫頭和IC卡之間交換數據，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卡內設置有天線線圈，其卡片厚度要比接觸式IC卡厚些。由作為固定設備的讀卡頭產生125KHz的電磁場，當非接觸IC卡靠近電磁場時，它的線圈從電磁場中吸收能量，當能量聚集到足夠時，卡中的微電路使其工作，微電路工作時，它并不發(fā)射數據，而是利用微電路工作時會消耗電磁能量，使電磁信號發(fā)生變化，由讀卡頭本身檢測電磁場的變化，該電磁場的變化即為對應卡中的數據。非接觸式IC卡的存儲區(qū)域與接

8、觸式IC卡的不同，它是將整個存儲區(qū)劃分為多個扇區(qū)，每個扇區(qū)包含4個塊，每個塊有16個字節(jié)，其中每個扇區(qū)的第3塊是用于存放密鑰的，IC卡存儲區(qū)的信息存儲分配情況參考附錄1。本實驗使用的讀卡器類型為MUR100，IC卡型號為MF1S50。四、實驗步驟 1、啟動計算機，并進入非接觸式IC卡實驗系統(tǒng)。 2、選擇卡操作，根據提示菜單對卡寫入相關數據信息。 3、對實驗系統(tǒng)的其它功能進行實驗操作，并按下列要求總結分析：l 描述系統(tǒng)能實現的功能l 分析計算IC卡扇區(qū)從第02扇區(qū)開始的存放記錄條數 4、用示波器測試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。五、實驗設備 計算機

9、 一臺 非接觸式IC卡讀卡器 一臺 示波器 一臺 并口實驗電路板 六、實驗報告 1、整理試驗數據，分析實驗過程，說明實驗系統(tǒng)的功能。 2、對比非接觸式IC卡與接觸式IC卡工作特點。附錄1：IC卡存儲區(qū)分配表實驗三： RFID電路設計與測試一、實驗目的1、了解射頻識別頻率劃分標準。 2、理解射頻識別系統(tǒng)工作原理。3、理解耦合天線電感和頻率變化與電子標簽識別距離的關系。二、實驗內容1、按給定指標參數設計一射頻信號識別電路，并進行測試。2、測試耦合天線電感變化時，電子標簽與發(fā)射天線的耦合距離關系。3、測試振蕩頻率變化時，電子標簽與發(fā)射天線的耦合距離關系。三、實驗原理射頻識別技術（RFID）是一種新型

10、自動識別技術,具有可靠性高、保密性強、方便快捷等特點，它利用無線射頻方式，通過電磁感應、無線電波或微波能量,在讀寫基站和應答目標之間進行非接觸雙向通信 ,以達到目標識別和數據交換的目的，這項技術簡稱為“電子標簽”。 射頻識別系統(tǒng)通常由電子標簽(射頻標簽)和閱讀器組成,電子標簽內存有一定格式的電子數據,常以此作為待識別目標的標識性信息。應用中將電子標簽附著在待識別目標上,作為待識別目標的電子標記，閱讀器與電子標簽可按約定的通信協(xié)議互傳信息，RFID標簽主要分為無源標簽和有源標簽兩類。RFID系統(tǒng)構成如圖所示。 RFID實驗系統(tǒng)框圖實驗系統(tǒng)使用的電子標簽為無源標簽，當標簽進入閱讀器發(fā)射的電磁場區(qū)域

11、時，標簽（應答器）的接收天線將接收電磁能量轉換直流給e5550供電，芯片工作后，再由標簽上的天線把電子數據發(fā)送回閱讀器進行解碼，從而實現標電子簽數據的讀取。RFID廣泛應用于如門禁、交通、旅游、倉儲等多種目標的識別，它是短距離、微功率無線電系統(tǒng)，在10厘米到20米距離內實現目標識別和數據交換。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。 實驗系統(tǒng)的中心工作頻率為125KHz（長波長），發(fā)射線圈的電感與電容構成諧振回路，

12、諧振頻率可由公式，此諧振回路也是閱讀器芯片U2270的負載阻抗，它決定載波信號耦合效率。四、實驗設計要求1、標簽工作頻率為125KHz，諧振回路電容為1500P，可調電阻為500，2、根據已知參數，計算L值，制作幾個不同電感量的諧振線圈，分別接入電路中。3、適當調整W1使LED恰好不發(fā)光（調整接收靈敏度），調整W2使載波頻率為125KHz。4、用萬用表測量壓控端電壓值，用示波器測試天線載波波形和頻率參數。5、將電子標簽靠近耦合天線，用示波器測量數據輸出端接收波形和頻率參數。6、上下移動電子標簽在某一位置，使LED恰好穩(wěn)定點亮，測量此時電子標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，上下移動電子標簽，測定電子標簽與閱讀器耦合天線的最大距離（LED穩(wěn)定點亮）。8、從以上實驗中選擇一耦合匹配較好的線圈接入電路，適當調整W1使LED恰好不發(fā)光，再調整W2改變壓控端電壓，用示波器測試天線載波頻率，同時測試每一個頻率點對應的壓控電壓值和電子標簽與耦合天線的距離（LED穩(wěn)定點亮），頻率范圍從110KHz200