Smarty智能卡讀寫器技術(shù)概述

文章出處：http://overnightmodel.com 作者：智能卡應(yīng)用全書   人氣： 發(fā)表時間：2011年11月05日

智能卡的發(fā)展，引起越來越多的商家和消費(fèi)者的注意。但是對于他們每天常用的微機(jī)應(yīng)用程序，有一個難題——必須另外裝配一個讀寫器，來對智能卡進(jìn)行解碼并識別信息。通常這類設(shè)備都帶有礙手礙腳的導(dǎo)線和接頭，以便連接到電腦上。而且，它們往往還要占用串口、并口或USB端口，這對于那些經(jīng)常出差的客戶、在辦公室和在家都使用智能卡的客戶來說，是件很頭疼的事。如今這些問題有了簡易方便的解決方案：Smarty智能卡讀寫器。本文將介紹Smarty智能卡讀寫器有關(guān)的背景技術(shù)和開發(fā)應(yīng)用知識。   
     
　　 一、概述   
　    
　　Smarty智能卡讀寫器形如一個3.5英寸軟盤，但它內(nèi)部裝有自己的一套電子元件。用戶只須將IC卡插入Smarty便攜式IC卡讀寫器，然后再將Smarty讀寫器插入電腦的3.5英寸軟驅(qū)即可。軟驅(qū)和Smarty之間的通訊，是通過軟驅(qū)的讀寫頭和Smarty的特制的轉(zhuǎn)換器之間的磁力耦合實(shí)現(xiàn)的。Smarty內(nèi)有一個磁場界面電路，它能仿效旋轉(zhuǎn)磁盤產(chǎn)生的磁場，同時也可以探測軟驅(qū)寫出的數(shù)據(jù)，并為其解碼。   
      
　　用3.5英寸軟驅(qū)作為電腦和智能卡之間的通信手段，具有如下優(yōu)點(diǎn)：   
      
　　●普及性好：現(xiàn)在的大多數(shù)電腦都帶有3.5英寸軟驅(qū)，而這些軟驅(qū)平常很少使用。       
　　●易于標(biāo)準(zhǔn)化：每年3.5英寸軟盤的銷量多達(dá)50億片，安裝了3.5英寸軟驅(qū)的電腦也有3.5億多臺，它們都很好地遵循了一套嚴(yán)整的標(biāo)準(zhǔn)。     
　　●熟悉易用：所有的微機(jī)用戶都熟知如何在電腦上插、拔3.5英寸軟盤。    
　　●容易攜帶：SmartyIC卡讀寫器尺寸小，且無外接電線、接頭或外接電源，所以攜帶非常方便。（與3.5寸盤一樣大）   
      
　　其它由于電腦的智能卡數(shù)據(jù)讀寫設(shè)備（如串/并口讀卡器、PCMCIA讀卡器或內(nèi)置總線型讀卡器），在上述幾個方面至少有一種或幾種明顯缺陷。   
      
　　需要考慮的技術(shù)問題，由于以下幾個原因，Smarty智能卡讀寫器技術(shù)可行性大大增強(qiáng)：   
      
　　●零件布局：通過使用ASIC技術(shù)（應(yīng)用程序?qū)Ｓ眉呻娐罚?，所有必需的零件都安裝在尺寸限定的盡可能小的空間內(nèi)。    
　　●工作電源：盡管Smarty智能卡讀寫器對卡的用電功率有一定限制，但請相信這不會妨礙任何常用種類的智能卡的使用。在正常的工作條件下，電池的壽命為1到3年。     
　　●可用性好：實(shí)踐表明，用戶從Smarty智能卡讀寫器插/拔智能卡，相對很容易。插/拔SmartyIC卡讀寫器的操作，與使用軟盤完全相同。       
　　●可靠性高：Smarty智能卡讀寫器的零件相對很少，只有一個運(yùn)動部件；而且，它在電路上與PC機(jī)完全隔絕。這就從根本上決定了它比其它傳統(tǒng)的智能卡讀寫器更可靠。        
　　●容錯性強(qiáng)：智能卡被限制在Smarty讀寫器內(nèi)，所以不能“彈出”或損壞軟驅(qū)。         
　　●性能卓越：用SmartyIC卡讀寫器支持波特率高達(dá)53.7K的卡與讀卡器間通訊時，能夠做到?jīng)]有延時。         
　　●產(chǎn)品安全：SmartyIC卡讀寫器通過了UL、CE、FCC等機(jī)構(gòu)的測試，并且獲得許可。   
   
　　二、產(chǎn)品、背景知識和發(fā)展方向   
      
　　本文提供了一些關(guān)于SmartyIC卡讀寫器的技術(shù)性能和商業(yè)功用的信息，以便讀者客觀評價該產(chǎn)品。文章的主要講述了SmartyIC卡讀寫器的應(yīng)用、產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，以及對其實(shí)用性和可靠性的評價。   
      
　　什么是SmartyIC卡讀寫器？   
      
　　Smarty便攜式IC卡讀寫器是一個整體的電子設(shè)備，外型和3.5英寸磁盤類似，但內(nèi)部沒有任何磁性介質(zhì)。Smarty便攜式IC卡讀寫器內(nèi)裝有一個轉(zhuǎn)換器和一個電路，能仿效旋轉(zhuǎn)磁盤產(chǎn)生的磁場，并且收集數(shù)據(jù)“寫入”磁盤驅(qū)動器。因此，在標(biāo)準(zhǔn)的3.5寸軟驅(qū)中SmartyIC卡讀寫器，不需要對軟驅(qū)和電腦主機(jī)做任何調(diào)整。（當(dāng)然，驅(qū)動程序還是要裝的。）   
      
　　關(guān)于3.5寸軟盤驅(qū)動器   
　　  
　　根據(jù)Dataquest公司市場調(diào)查報告，現(xiàn)在全世界有超過3億個3.5英寸軟盤驅(qū)動器。此外，據(jù)Mitsumi公司調(diào)查，1999年3.5寸軟驅(qū)的產(chǎn)銷量達(dá)1.2億只，到2000年可能達(dá)到1.3億多只。   
　　  
　　3.5寸軟驅(qū)的尺寸參數(shù)是電腦的各種外設(shè)中標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)格的，僅去年3.5寸盤的消費(fèi)量就達(dá)到50億片。以軟驅(qū)為基礎(chǔ)的讀卡器的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的：全世界有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，從而能成為易于被用戶掌握的、安全便攜的讀寫工具。   
   
　　智能卡及其讀卡器的選擇   
      
　　智能卡順其自然已成為了磁條式卡片的替代產(chǎn)品。人們預(yù)測，未來的幾年中，智能卡在零售業(yè)和以客戶為基礎(chǔ)的銀行業(yè)中將會大面積推廣。不管怎樣，這些系統(tǒng)中仍有很多是以PC機(jī)為基礎(chǔ)的，因此卡與PC機(jī)之間的接口必不可少?，F(xiàn)有的讀卡器和計算機(jī)間的接口如下：   
      
　　●并口或串口電纜        
　　●PCMCIA（個人電腦存儲卡國際協(xié)會）         
　　●內(nèi)部的總線        
　　●USB（通用串行總線）   
　　  
　　所有這些方法，都易遭遇兼容性的問題。而且從理論上講，只有PCMCIA連接還算容易，不需要專業(yè)人士來安裝。但是，現(xiàn)在常用的大部分微機(jī)都沒有PCMCIA擴(kuò)展槽，而且改裝費(fèi)用很高（PCMCIA讀卡器的價格也不菲），況且用起來并不方便。這種狀況恐怕在近年內(nèi)不會改觀。   
　　  
　　能否有一種產(chǎn)品，在現(xiàn)有的大部分電腦和配備智能卡的商務(wù)活動或持卡消費(fèi)者之間架起橋梁，對于許多電子銀行系統(tǒng)的實(shí)施推廣來說，是一個起碼的前提條件。這一產(chǎn)品，將會使智能卡系統(tǒng)在消費(fèi)、證券、商務(wù)的大面積推廣成為可能。   
　　  
　　利用Smarty智能卡讀寫器作為智能卡－微機(jī)接口，這一設(shè)計思想是很有魅力的。這是因?yàn)镾marty智能卡讀寫器有如下優(yōu)點(diǎn)：   
      
　　●在幾乎所有的臺式機(jī)或筆記本電腦上，安裝都非常簡單。        
　　●方便，換臺電腦照常使用。         
　　●結(jié)構(gòu)緊湊，易于攜帶。         
　　●采用客戶熟悉的外觀，不帶纜線和接頭。       
　　●操作方法很直觀。       
　　●物有所值，總體成本低。   
      
　　需要考慮的因素   
　　  
　　要實(shí)施一個可行的智能卡讀卡器方案，主要問題有：   
      
　　●可用性：用戶往讀寫器里插/拔卡、在電腦上裝/拆智能卡讀寫器的難易度。        
　　●可靠性：用做客戶端設(shè)備時，智能卡讀寫器有足夠高的可靠性。       
　　●使用性能：用做計算機(jī)和智能卡之間的通信手段時延時（如果有的話）長度。       
　　●滿足的標(biāo)準(zhǔn)：遵循ISO7816標(biāo)準(zhǔn)的哪一部分；其產(chǎn)品技術(shù)是否兼容微軟的PC/SC；其產(chǎn)品技術(shù)是否能掌握未來標(biāo)準(zhǔn)的主動權(quán)。   
      
　　三、機(jī)械性能要求及設(shè)計時需要考慮的問題   
      
　　智能卡   
　　  
　　Smarty智能卡讀寫器支持的智能卡，規(guī)格參數(shù)完全符合ISO7810和ISO7816定義的標(biāo)準(zhǔn)。名義上卡的厚度為0.8毫米，實(shí)際上0.9毫米也是可以的，因?yàn)檫€要有一定的尺寸誤差。   
      
　　卡的接觸方式   
　　  
　　卡的接觸方式有兩種：“普通模式”和“CP8模式”。觸點(diǎn)的位置并不一致，但是離得很近，在同一塊樹脂片上。大多的觸點(diǎn)生產(chǎn)廠家都增加觸點(diǎn)的數(shù)量，以適應(yīng)不同的模式。CP8模式由法國人創(chuàng)造并推廣使用；此項技術(shù)主要出口斯堪迪那維亞地區(qū)國家。因此，Smarty智能卡讀寫器觸點(diǎn)布局設(shè)計限制采用“普通模式”：允許有8個觸點(diǎn)，只有6個是必需的。   
     
　　 插卡   
　　  
　　智能卡應(yīng)該以“正常方式”插入——即：沿長邊軸線方向看去，卡上的文字朝著用戶是正立的。（有的卡上印有箭頭，指明插入讀卡器的方向。）   
　　  
　　打有凸字的智能卡（Embossedsmartcard）   
　　  
　　這些智能卡主要用于信貸交易。與其相關(guān)的ISO標(biāo)準(zhǔn)僅僅給出了凸字符的厚度（19±2thou），Smarty智能卡讀寫器完全滿足這一規(guī)范。   
      
　　卡的定位   
　　  
　　在Smarty智能卡讀寫器的中心部分，空間極其有限，因此這里不允許有任何突起。此外，智能卡遮擋轉(zhuǎn)換器也是不允許的。因此，在這狹小的盒狀結(jié)構(gòu)里，只能有一塊地方可以放智能卡。應(yīng)將智能卡放在Smarty智能卡讀寫器的下半部分，卡的背面朝著金屬外殼。隔離片的作用是防止卡與金屬罩接觸發(fā)生短路。   
      
　　機(jī)殼體及金屬罩   
　　　  
　　Smarty智能卡讀寫器的外型尺寸符合1988年英國標(biāo)準(zhǔn)6958－第1部分的要求。（BS6958：Part1：1988）   
　　　  
　　新式的Smarty智能卡讀寫器采用了一個機(jī)械互鎖系統(tǒng)。為了最大限度地使結(jié)構(gòu)一體化，金屬罩的邊緣輪廓都被細(xì)化了。留給軟驅(qū)磁頭的那塊區(qū)域，是一條長方形的縫隙。所有的零部件都是熱固定到盒狀機(jī)體內(nèi)的。   
　　　  
　　這樣的設(shè)計，使得組裝工序大大加快；而且，機(jī)構(gòu)的接合點(diǎn)沿著一條連續(xù)的線排列（即：沿著邊緣排列），使得結(jié)構(gòu)的一體化程度非常高。選做機(jī)殼體的材料，符合下列準(zhǔn)則：   
      
　　●能保證非常好的平面度的熱塑性塑料      
　　●模塊的硬度令人滿意      
　　●符合適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)（如：UL94V0，CE等）   
　　  
　　工作說明書里指定的機(jī)殼體鑄造材料是：ABS（丙烯氰－丁二烯－苯乙烯），標(biāo)準(zhǔn)壁厚0.75毫米。設(shè)計的金屬罩材料為302不銹鋼，厚度是0.25毫米。   
      
　　隔離片   
　　  
　　對有限的空間和零部件的外型進(jìn)行深入的分析表明，PCB（印刷電路板）應(yīng)放在沒有活動零件的一側(cè)，那里緊靠金屬罩的內(nèi)側(cè)。隔離片（通常是0.05毫米厚）貼著金屬罩的內(nèi)表面，位于電池倉上面。隔離片使用的材料是用金屬模制的0.05毫米厚聚酯薄片，粘結(jié)在金屬罩內(nèi)。  

    四、機(jī)構(gòu)設(shè)計   

     插卡  

　　Smarty智能卡讀寫器的插卡方法很獨(dú)特。在Smarty智能卡讀寫器的一側(cè)，有一個長方形的狹槽。插卡時，通常是一只手拿卡、另一只手握背面朝上的Smarty智能卡讀寫器；卡的正面對著用戶，右邊朝上。卡的左手邊插入長方形的狹槽，然后推卡使其充分到位?？ㄍ频轿缓笏墒?，它就會“咔嚓”一下定位在Smarty智能卡讀寫器的卡槽內(nèi)。在這一方位，即使讀卡器劇烈震動也不會發(fā)生脫落。  

      拔卡  

　　要想取出卡片，只須一只手握住Smarty智能卡讀寫器，另一只手用拇指和食指捏卡片即可。Smarty智能卡讀寫器的一側(cè)有一塊長方形孔，以便食指能碰到卡的后面。  

      卡的彎曲程度  

　　按照O7810標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的智能卡彎曲檢測方法，智能卡應(yīng)當(dāng)沿著長邊軸線方向彎曲偏斜20毫米時，不會發(fā)生損壞。根據(jù)計算，通常插在Smarty智能卡讀寫器內(nèi)的卡片的最大彎曲程度為：卡的中央偏斜0毫米。（換言之，這可以稱其為0偏斜或100％順從）  

      軸心蓋板  

　　這一部件由一條0.15毫米厚不銹鋼片制成，在軸心部分周圍的4點(diǎn)用熱固定法裝配。蓋板的作用是：防止軟驅(qū)的電機(jī)心軸碰壞智能卡。  

      PCB（印刷電路板）  

　　Smarty智能卡讀寫器采用FR4印刷電路板，其允許的厚度為0.25毫米。智能卡的接觸點(diǎn)被熱固定在機(jī)殼體上，以便準(zhǔn)確定位。印刷電路板固定在下面，這樣能防止它對卡片產(chǎn)生干擾。  

      微型開關(guān)和凸輪  
 
　　微型開關(guān)是為了方便客戶使用而設(shè)計的，因此要放在恰當(dāng)?shù)奈恢?。開關(guān)的細(xì)小零件都包藏在機(jī)殼體內(nèi)。開關(guān)有一部分是電池倉，上面帶有焊點(diǎn)。開關(guān)可以安裝在機(jī)體內(nèi)的兩個位置，旁邊電池的觸點(diǎn)放在焊點(diǎn)的下方，此觸點(diǎn)由手工焊成。  

      電池倉、電池倉的門及接觸點(diǎn)  

　　電池倉的名義尺寸，規(guī)定為厚度2.5毫米、直徑20毫米。  

　　安放電池接觸點(diǎn)，是為了優(yōu)化電池固定點(diǎn)的幾何布局（例如，電池可以由它周圍的等距三點(diǎn)支撐：有兩點(diǎn)固定在機(jī)殼體上，第三點(diǎn)是一個接觸點(diǎn)）。兩個接觸點(diǎn)都可以用機(jī)械方法固定（如熱固定），有一端允許自由彎曲。  

       轉(zhuǎn)換器和橋形結(jié)構(gòu)  

　　在設(shè)計轉(zhuǎn)換器總成時，在保證“方孔”處于正確位置的前提下，盡量讓這一部件的大部分放在靠近機(jī)殼體頂端的位置。設(shè)計機(jī)殼體時，不是將其推入一個槽內(nèi)，而是盡量使用銷和樁定位以便轉(zhuǎn)換器安裝定位。  

　　電子元件采用手工焊接到印刷電路板上。一條長方形的橋狀結(jié)構(gòu)扣在轉(zhuǎn)換器上面，以便提供非金屬表面隔開軟驅(qū)磁頭，保護(hù)轉(zhuǎn)換器。  

    五、電子器件、硬件及軟件  

      電源  

　　Smarty智能卡讀寫器采用2塊幣狀鋰電池（型號為CR2025）供電，兩塊電池一起使用的壽命為300mAH。  

      電子器件  

　　除了微型控制器和內(nèi)存，Smarty智能卡讀寫器現(xiàn)在采用的電路由2套ASIC（特定用途集成電路）實(shí)現(xiàn)：一個是數(shù)字電路、一個是模擬電路。  

　　采用ASIC電路，除了保障了機(jī)構(gòu)尺寸上的可行性之外，還有許多其它好處。其優(yōu)點(diǎn)如下：  

    ●增加了可靠性，提高了生產(chǎn)率   
    ●改善了性能——因?yàn)橥ㄓ崊f(xié)議的速度提高了   
    ●延長了電池的使用壽命——因?yàn)殡娐返撵o電耗和動電耗都降低了  
　　　  
    Smarty智能卡讀寫器內(nèi)使用的磁信號接口電路（模擬ASIC電路），執(zhí)行的是一種全速（250Kbit/sec，即：與1.44Mbytes的軟驅(qū)同步）MFM協(xié)議（改進(jìn)調(diào)頻制，即數(shù)據(jù)在PC機(jī)軟盤上編碼采用的方法）。這使得在不影響成本和空間限制的前提下，ASIC內(nèi)增加程序的復(fù)雜程度成為可能。不管怎么說，加快Smarty智能卡讀寫器與計算機(jī)之間的通信速度，實(shí)際上沒多大意義，因?yàn)檫@對整體性能提高的貢獻(xiàn)微乎其微。這是由于，大部分的操作速度都被智能卡通訊協(xié)議的速度限制住了。  

      電腦軟件  

　　Smarty智能卡讀寫器的計算機(jī)軟件由一個“C語言”鏈接庫（可用DOS，Windows,Windows95,Windows98或NT等系統(tǒng)支持）構(gòu)成，其中包含許多函數(shù)，用以重新設(shè)置智能卡及從卡中收發(fā)數(shù)據(jù)；還包括一些執(zhí)行ISO7816－3T=0和T=1通信協(xié)議的函數(shù)。  

    六、性能、適用性和可靠性  

      命令執(zhí)行時間  

　　Smarty智能卡讀寫器的ISO智能卡接口，是以每塊255（T=1）、259（T=0）字節(jié)的方式在電腦和Smarty讀寫器之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的。  

　　Smarty智能卡讀寫器給智能卡提供的變量時鐘頻率為1.25MHz、2.5MHz或5MHz。這樣的好處是：  

　　Smarty智能卡讀寫器與智能卡通訊的波特率可在3.4到53.7之間不等。當(dāng)收到電腦的一塊數(shù)據(jù)包時，Smarty的硬件以此波特率把要求的字節(jié)數(shù)轉(zhuǎn)播給智能卡，然后等待智能卡的應(yīng)答。探測到這個應(yīng)答的尾部有兩種方法：要么是用可編程的字符間隔超時設(shè)定，要么是由計算機(jī)應(yīng)用程序指定預(yù)期數(shù)據(jù)的長度。  

　　例如，典型的“校驗(yàn)口令”命令就涉及到如何把20字節(jié)數(shù)據(jù)傳送給智能卡、并接收約為5字節(jié)的應(yīng)答數(shù)據(jù)的問題。這就要耗費(fèi)大約66毫秒在電腦和Smarty智能卡讀寫器之間傳輸數(shù)據(jù)，再耗費(fèi)16毫秒在Smarty智能卡讀寫器和智能卡之間傳遞數(shù)據(jù)。此外，智能卡還要耗費(fèi)幾毫秒來處理這些請求。因此，這樣的命令每秒鐘能處理5條左右。  

      電池壽命  

　　用各種各樣的智能卡對Smarty智能卡讀寫器硬件進(jìn)行的大范圍的測試，以及對特定應(yīng)用程序的分析，都正在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。例如：  

    ●智能卡在工作狀態(tài)下，工作電壓4.75伏特、電流為4毫安；“等待”狀態(tài)電流小于1毫安。   
    ●智能卡完成一條命令（數(shù)據(jù)輸入、計算機(jī)數(shù)據(jù)輸出）的工作時間，加上轉(zhuǎn)變到“等待”模式的時間，共計1/2秒。   
    ●每次交易含4條命令。（例如：校驗(yàn)密碼、從卡片內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)、計算MAC或數(shù)字簽名、在卡片內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)）。  

　　在正常情況下，Smarty智能卡讀寫器的電池壽命足夠進(jìn)行4000筆交易，也就是：如果每天進(jìn)行五次交易，可用1～3年（另外還得看用的是什么卡）。運(yùn)用Smarty智能卡讀寫器的省電特性，會大大延長電池壽命。這種情況下，使用的是電壓5伏的智能卡。使用電壓3伏的智能卡，則可延長電池的壽命。  

　　注：當(dāng)關(guān)掉開關(guān)或處于等待狀態(tài)時，Smarty智能卡讀寫器和智能卡的耗電量非常低：小于4毫安。  

     電子部件的可靠性  

　　Smarty智能卡讀寫器的可靠性超過（設(shè)計、生產(chǎn)和質(zhì)量保障等條件相同）一般的讀卡器，是因?yàn)樗c電腦沒有電路連接，從而不會掉電或傳導(dǎo)靜電。由于它靠電池供電，所以不受外接電源可能帶來的電壓不穩(wěn)、用電特性不一致的影響。  

      機(jī)械部件的可靠性  

　　Smarty智能卡讀寫器內(nèi)與卡片的電路的連接點(diǎn)，是經(jīng)得起任何常規(guī)讀卡器壓卡應(yīng)力考驗(yàn)的高質(zhì)量部件。除了這些能彈性變形的觸點(diǎn)和凸輪式的開關(guān)，Smarty智能卡讀寫器內(nèi)再沒有其它活動部件。智能卡的插入、保持和拔出機(jī)構(gòu)相對于Smarty智能卡讀寫器機(jī)殼體完全是不動的。因此，它有著與生俱來的非常高的機(jī)械可靠性。