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《IC卡技术及应用》实验指导书何宁编桂林电子科技大学通信与信息工程系2013年3月前言IC卡是集成电路卡（integratedcircuitcard）的简称，也叫IC智能卡，它是将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成标准尺寸大小卡的形式而得名。在20世纪70年代就有IC卡产品问世，它是微电子技术和计算机技术相结合的产品，主要用于金融、交通、医疗、身份证明等多个行业。IC卡芯片具有写入数据和存储数据的能力，卡中存储器的内容可根据需要有条件地供外部读取，或供内部信息处理和判定使用。根据卡中所镶嵌的集成电路不同IC卡可分为存储器卡、逻辑加密卡和CPU卡三种。按卡与外界数据传送形式不同，IC卡可划分为接触式和非接触式两种。IC卡具有以下特点：（1）高稳定性：数据在IC芯片中保存时间可达几十年以上。（2）高可靠性：数据读写次数可达10万次以上。（3）高安全性：卡中信息不易被读出和改写。（4）低功耗：工作电压在5V以下，瞬间工作电流为毫安级。（5）数据读写速度快：卡与读写设备的数据交换时间小于1秒。实验一接触式IC卡读写及控制测试一、实验目的1、熟悉接触式IC卡的结构和读写方式；2、学习和掌握接触式IC卡的基本读写操作功能及识别控制原理；3、理解接触式IC卡双向数据的通信过程。二、实验内容及要求1、进行卡中信息的查询、修改等读写操作。2、进行身份识别、交易及并口输出控制外设操作。3、进行读写卡波形测试和芯片存储器代码测试。三、实验原理接触式IC卡读写控制系统由读写器、计算机和数据输出显示电路三大部分构成。图1接触式IC卡读写控制系统实验用读卡器为USB接口，存储芯片为西门子的SLE4442，存储容量为2K位，芯片触点为6个引脚，有电源端、地端、串行时钟端、串行数据端（双向）、复位端和1个空脚，它是串行的EEPROM。当卡片加电工作时，用户可通过给定的权限对卡中信息进行读写操作，并可通过并行口对外部设备进行控制操作。单字节写操作时，读写卡机发送一个器件地址，每个芯片都具有一个能被选中的器件地址，读写卡读/写卡器计算机数码管USB接口并行接口机接收到芯片的一个确认地址（低电平）后，紧跟着发送1字节的存储单元地址值，接收到芯片一个确认位（0），然后读写卡机再发送1字节的数据，接收到芯片的一个确认位后再发送一个停止命令，这一过程结束后，一个字节的数据将写到芯片相应地址的单元中，单字节写操作时序如图2。读操作的过程类似于写操作，只是器件地址的最后一位为1。图2单字节写操作时序四、实验步骤功能测试1、启动计算机，将接触式IC卡读写器连接到计算机的USB口。2、将外设电路与计算机并行口（打印机接口）连接。3、运行实验程序，选择接触式IC卡实验系统，将IC卡插入读卡器中。4、选择查询功能，对卡内用户信息进行查询。5、选择修改功能，输入密码后，对卡内用户信息记录进行修改。6、选择交易功能，输入密码后，从键盘对交易数据进行操作（如充值金额、消费金额）。7、选择控制功能，输入密码后，将键盘内容（十六进制数）从并行口输出到数码管显示。8、按“ESC”键，使十六进制数自动输出到数码管循环显示。波形测试1、用数字万用表测试读写卡机的电源供电电压，并观测读写卡机如何给芯片供电。2、用示波器测试SCL、SDA、和RST引脚的工作波形。3、观察分析芯片存储器单元代码的存放情况。五、实验设备计算机一台接触式IC卡读卡器一台数字存储示波器一台并口实验电路板一块万用表一块六、实验报告1、整理实验数据，分析说明信息代码在芯片存储器中的存放过程，撰写实验报告。2、说明IC卡的插入/退出识别和上下电的控制过程。实验二非接触式IC卡读写及控制测试一、实验目的1、熟悉非接触式IC卡的结构和读写方式；2、学习和掌握非接触式IC卡的基本读写操作功能及识别控制原理；3、理解非接触式IC卡双向数据的通信过程。二、实验内容及要求1、进行卡中和计算机中信息进行查询、修改等读写操作。2、进行身份识别、交易及并口输出控制外设操作。3、进行读写卡波形测试。三、实验原理非接触式IC卡读写控制系统由读写器、计算机和数据输出显示电路三大部分构成。、图1非接触式IC卡读写控制系统非接触IC卡也称射频卡或RF卡，它是通过电磁波感应原理，在读写头和IC卡之间交换数据，射频IC卡与无线电通信在原理上和功能上不完全一样。通常射频卡的通信距离都很小，只有几厘米至几十厘米，非接触式IC卡内设置有天线线圈，其卡片厚度要比接触式IC卡厚些。由作为固定设备的读卡头产生125KHz的电磁场，当非接触IC卡靠近电磁场时，它的线圈从电磁场中吸收能量，当能量聚集到足够时，卡中的微电路使其工作，微电路工作时，它并不发射数据，而是利用微电路工作时会消耗电磁能量，使电磁信号发生变化，由读卡头本身检测电磁场的变化，该电磁场的变化即为对应卡中的数据。非接触式IC卡的存储区域与接触式IC卡的不同，它是将整个存储区划分为多个扇区，每个扇区包含4个块，每个块有16个字节，其中每个扇区的第3块是用于存放密钥的，IC卡存储区的信息存储分配情况参考附录1。本实验使用的读卡器类型为MUR－100，IC卡型号为MF1S50。四、实验步骤1、启动计算机，并进入非接触式IC卡实验系统。2、选择卡操作，根据提示菜单对卡写入相关数据信息。3、对实验系统的其它功能进行实验操作，并按下列要求总结分析：描述系统能实现的功能分析计算IC卡扇区从第02扇区开始的存放记录条数4、用示波器测试FM1702N非接触式读卡芯片的TX、RX和天线端在读卡操作过程中的波形参数。五、实验设备计算机一台非接触式IC卡读卡器一台示波器一台并口实验电路板读/写卡器计算机LEDUSB接口并行接口六、实验报告1、整理试验数据，分析实验过程，说明实验系统的功能。2、对比非接触式IC卡与接触式IC卡工作特点。附录1：IC卡存储区分配表实验三：RFID电路设计与测试一、实验目的1、了解射频识别频率划分标准。2、理解射频识别系统工作原理。3、理解耦合天线电感和频率变化与电子标签识别距离的关系。二、实验内容1、按给定指标参数设计一射频信号识别电路，并进行测试。2、测试耦合天线电感变化时，电子标签与发射天线的耦合距离关系。3、测试振荡频率变化时，电子标签与发射天线的耦合距离关系。三、实验原理射频识别技术（RFID）是一种新型自动识别技术,具有可靠性高、保密性强、方便快捷等特点，它利用无线射频方式，通过电磁感应、无线电波或微波能量,在读写基站和应答目标之间进行非接触双向通信,以达到目标识别和数据交换的目的，这项技术简称为“电子标签”。射频识别系统通常由电子标签(射频标签)和阅读器组成,电子标签内存有一定格式的电子数据,常以此作为待识别目标的标识性信息。应用中将电子标签附着在待识别目标上,作为待识别目标的电子标记，阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传信息，RFID标签主要分为无源标签和有源标签两类。RFID系统构成如图所示。RFID实验系统框图实验系统使用的电子标签为无源标签，当标签进入阅读器发射的电磁场区域时，标签（应答器）的接收天线将接收电磁能量转换直流给e5550供电，芯片工作后，再由标签上的天线把电子数据发送回阅读器进行解码，从而实现标电子签数据的读取。RFID广泛应用于如门禁、交通、旅游、仓储等多种目标的识别，它是短距离、微功率无线电系统，在10厘米到20米距离内实现目标识别和数据交换。RFID系统使用的主要频率有125KHz、6.78MHz、13.56MHz、27.125MHz、40.68MHz、433.92MHz、869.0MHz、915.0MHz、2.45GHz、5.8GHz以及24.125GHz。实验系统的中心工作频率为125KHz（长波长），发射线圈的电感与电容构成谐振回路，谐振频率可由公式LCf210，此谐振回路也是阅读器芯片U2270的负载阻抗，它决定载波信号耦合效率。四、实验设计要求1、标签工作频率为125KHz，谐振回路电容为1500P，可调电阻为500，2、根据已知参数，计算L值，制作几个不同电感量的谐振线圈，分别接入电路中。3、适当调整W1使LED恰好不发光（调整接收灵敏度），调整W2使载波频率为125KHz。4、用万用表测量压控端电压值，用示波器测试天线载波波形和频率参数。5、将电子标签靠近耦合天线，用示波器测量数据输出端接收波形和频率参数。6、上下移动电子标签在某一位置，使LED恰好稳定点亮，测量此时电子标签与阅读器耦合天线的最大距离。7、换接不同电感量的阅读器耦合天线，按上述同样方法，上下移动电子标签，测定电子标签与阅读器耦合天线的最大距离（LED稳定点亮）。8、从以上实验中选择一耦合匹配较好的线圈接入电路，适当调整W1使LED恰好不发光，再调整W2改变压控端电压，用示波器测试天线载波频率，同时测试每一个频率点对应的压控电压值和电子标签与耦合天线的距离（LED稳定点亮），频率范围从110KHz～200KHz，每隔10KHz测一点。五、实验设备稳压电源一台示波器一台万用表一块六、实验报告1、根据实验过程，分析说明不同电感量线圈与电子标签耦合距离关系。2、分析说明不同压控电压产生不同载波频率与电子标签耦合距离关系。3、根据谐振回路元件参数和谐振频率计算公式，计算系统在最佳匹配时的线圈电感值。附录：U2270管脚功能说明及内部结构框图图1U2270管脚功能图2U2270内部结构