基于OTP的一次性電子錢包RFID卡

文章出處：http:// 作者：劉敬術(shù),劉俊偉,王兼明,龔敏   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月27日

    1 引言

    電子錢包是顧客在電子商務(wù)購物活動中常用的一種支付工具，是在小額購物或購買小商品時常用的新式錢包。電子錢包有兩種概念：一種是純粹的軟件，只要用于網(wǎng)上消費、賬戶管理，這類軟件通常與銀行賬戶或銀行卡賬戶連接在一起的；二是小額支付的智能儲值卡，持卡人預(yù)先在卡中存入一定的金額，交易時直接從卡中扣除交易金額，因為此類卡不像銀行卡那樣需要大型的系統(tǒng)支持，所以在一些活動的、小額的交易中應(yīng)用非常廣泛，最具代表性時公交卡。

    電子錢包智能儲值卡一般是基于射頻識別技術(shù)，并包括芯片、天線和封裝三個主要組成部分。電子錢包的芯片存儲值可以是數(shù)字現(xiàn)金和其他電子貨幣，可以在相應(yīng)的裝置上消費，并且可以顯示有多少錢在用戶的電子錢包內(nèi)，如公共交通卡可以在相應(yīng)的公共交通讀卡機上讀出其存儲值，在其上進行消費。

    隨著電子商務(wù)和技術(shù)的發(fā)展，電子錢包的使用已經(jīng)越來越多，但是現(xiàn)有的智能儲值卡都是基于EEPROM(電可擦除可編程只讀存儲器)工藝，其成本難以下降，阻礙了對電子錢包的利用。利用低成本的0TP(一次可編程)存儲器，結(jié)合模擬電路和數(shù)字電路實現(xiàn)一種一次性電子錢包。這種一次性電子錢包的基本功能是在發(fā)卡時將一定的金額存入卡中，然后最終用戶在讀卡機上以單位值或是單位值的倍數(shù)消費，直到金額消費完為止。因為OTP存儲器的只能一次編程的特性，使得基于這種存儲器的一次性電子錢包與基于EEPROM 的電子錢包在內(nèi)部操作上有很大的不同。

    2 一次性電子錢包的功能

    電子錢包一般包括以下幾個主要功能：初始化錢包、扣錢包、加錢包和讀錢包。初始化錢包是指將一定的金額在發(fā)卡商那里存人電子錢包中；扣錢包是支持電子錢包在指定的機具消費，每次消費扣除一定的金額；加錢包是指為電子錢包充值；讀錢包則是將電子錢包的余額讀出。一次性電子錢包沒有加錢包的功能，但其它功能從用戶層面來說跟S50等常用的電子錢包卡一樣的。

    2．1 存儲器分配

    一次性電子錢包的OTP存儲器的大小為8KBits，主要劃分為兩個功能區(qū)：一個是存取面值和密碼等信息的操作區(qū)，大小為2KBits；另一個則是記錄單位值使用情況的減法區(qū)，大小為6KBits，減法區(qū)中每個Bit代表一個單位值。操作區(qū)又分為4個扇區(qū)，每個扇區(qū)有4塊，每塊的大小為128 Bits。每個扇區(qū)的第4塊存儲密碼，扇區(qū)0的第一塊由造卡廠商寫入UID等數(shù)據(jù)，扇區(qū)0的第二塊寫入一次性電子錢包面值的數(shù)據(jù)，其它用戶自定義的數(shù)據(jù)塊可以由用戶寫人任何數(shù)據(jù)。

    2．2 初始化錢包

    電子錢包的面值是指發(fā)卡商將智能卡發(fā)到最終用戶手上時的最初金額。基于(OTP存儲器的一次電子錢包的面值由兩個數(shù)表示，分別為如單位值U是(32Bits)和單位值可使用次數(shù)是T16(Bits),在一個大小為128Bits 的 Block 中它的分配如圖1所示的格式寫入數(shù)據(jù)。面值等于單位值U乘以可使用次數(shù)T,如單位值是32’d2,可使用次數(shù)是16’d50，則面值就是100。減法區(qū)中，每個Bit代表一個單位值，一共有6000個Bit，即可使用次數(shù)T可設(shè)定的最大值為6000，但也可以是小于6000的任何數(shù)。面值塊設(shè)置一個塊指針，這個塊被寫入后，就編程這個指針為1。塊指針設(shè)置為1后，就不能對這個塊再進行寫入操作，且每次執(zhí)行扣錢包和讀錢包操作，都要檢查這個塊指針是否為1。

圖1存儲器分配圖

圖2 面值表示

    2．3 扣錢包

    一次性電子錢包進行面值的初始化后，就可以執(zhí)行減法操作了，但不能像S50那樣執(zhí)行加法和再充值等操作。一次性電子錢包減法操作分以下幾個步驟：第一步，卡和讀卡機之間相互通過身份認證和密碼校驗；第二步，從減法區(qū)的最后一個地址(第6000個)開始，以倒序的方法尋找最高位的被編程比特的地址，記為LBAddr第三步，從讀卡機接受減法值S，用S除以面值區(qū)中的單位值 ，得到結(jié)果商Q和余數(shù)R，如果余數(shù)R不為0，則表明減法值S不是單位值 的整數(shù)倍，操作失敗，否則進行下一步；第四步，用LBAddr減去減法區(qū)中的第一個比特的地址FBAddr，得到單位值使用次數(shù)UT，如果商Q和單位值的使用次數(shù)UT的和小于等于面值區(qū)中的次數(shù)T，則進行下一步，否則中斷。第五步，LBAddr 加上商Q得到新的編程地址NBAddr，接到讀卡機的編程命令后，編程第 NBAddr 個比特的值為1，并向讀卡機返回減法操作成功的信息。

圖3 扣錢包流程

    扣錢包的操作步驟中，首先以倒序的方式尋找到第一個(以順序的方法則是最后一個)被編程的Bit的地址，然后根據(jù)這個地址以順序的方式算出該電子錢包中單位值的使用次數(shù)(即已消費的金額)；如果再次消費的條件成立，則再次用順序的方式算出這次消費被編程的地址，最后在這個地址上編程為1(所有Bit的初始化值為0)。這樣每次做減法，無論減法值s是單位值的多少倍，都只編程一個Bit，本設(shè)計所采用的OTP 中，編程一個Bit 的數(shù)據(jù)大約只要200μs，而基于EEPROM的傳統(tǒng)方法則要編程1281個Bit的數(shù)據(jù)，時間大約需要4ms，大大的縮小了編程時間。整個流程如圖3所示。

    2．4 讀錢包

    讀錢包是指將余額讀出，這是電子錢包中最基本的操作，其分三個步驟完成：第一步，卡和讀卡機之間相互通過身份認證和密碼校驗；第二步，從減法區(qū)的最后一個地址開始，以倒序的方法尋找最高位的被編程比特的地址，記為LBAddr；第三步，用LBAddr減去減法區(qū)中的第一個比特的地址FBAddr，得到單位值使用次數(shù)UT，并用減法區(qū)中的可使用次數(shù)T減去UT得到電子錢包單位值的未使用次數(shù)RT；第四步，將U乘以RT得到余額R，然后返回給讀卡機。

    2．5 其它

    除了具有一次性電子錢包的功能外，本設(shè)計還有共10塊的存儲空間供用戶存儲其它信息，可以作為一個具有加密功能的存儲卡來使用。同時每個扇區(qū)對應(yīng)著一個密碼塊，每個密碼塊都對應(yīng)著一個密碼指針。在密碼指針為零時，加密校驗使用的密碼為默認密碼，由數(shù)字電路自動給出。當(dāng)用戶對密碼塊進行編程后，就同時對相應(yīng)的密碼指針編程，此后加密校驗操作就使用用戶寫入的密碼。

    3 電子錢包的實現(xiàn)  

    一次性電子錢包采用ISO／IEC 14443 TypeA 協(xié)議 ，兼容市面上流行的 MifareOne 系列指令 。除了不支持 INCREMENT 和RESTORE 指令外，其它指令格式與S50或其兼容卡一樣。包括模擬電路，一次性電子錢包的芯片如圖4所示。

圖4 芯片總體框圖

    模擬電路中，整流電路的作用是將讀卡機中耦合過來的射頻信號交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電源電壓，在整流電路后面加上一級穩(wěn)壓電路，防止直流電壓過高；上電復(fù)位電路為數(shù)字電路產(chǎn)生一個復(fù)位信號，在卡片進入卡機的有效磁場范圍后時復(fù)位數(shù)字電路的所有寄存器；解調(diào)電路則將載波中的數(shù)據(jù)信號解調(diào)出來作為數(shù)字電路的信號輸入；調(diào)制電路則是根據(jù)數(shù)字電路返回的信號調(diào)制天線，向讀卡機返回信號；時鐘整形電路則是在載波中整形除13．56M 的時鐘信號供給數(shù)字電路。

    數(shù)字電路中，接收模塊主要是將以14443 TypeA 協(xié)議編碼的信號譯成二進制碼，并為以后的模塊提供各種分頻時鐘；數(shù)據(jù)處理模塊的功能主要是指令譯碼、0TP 存儲器進行讀寫操作、卡片的狀態(tài)轉(zhuǎn)移；加密單元采用流密碼對數(shù)據(jù)進行加密，除了14443 TypeA規(guī)定的命令外，其它命令的通訊都經(jīng)過加密；輸出模塊則以14443 TypeA 協(xié)議規(guī)定的格式向讀卡機返回信號。 

    存儲器方面，采用凱路公司的專利技術(shù)XPM存儲器。XPM 采取對氧化層擊穿的原理，實現(xiàn)一次寫入多次讀取。相對常規(guī) RFID 中使用EEP—ROM，這種存儲器在常規(guī)的 CMOS 工藝下就可以實現(xiàn)，其成本要比 EEPROM 工藝低，并且數(shù)據(jù)保存能力可達5O年以上，而EEPROM 的數(shù)據(jù)保存能力在10年以下。XPM 的存儲機理使得它不像 EEPROM 那樣容易受外界干擾(如激光，微波)而造成數(shù)據(jù)丟失，使得它特別適合在公交卡，電子護照等安全領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。

    4 結(jié)語

    在14443 TypeA 協(xié)議中實現(xiàn)了一種一次性電子錢包 RFID卡。該一次性電子錢包基于OTP 存儲器，指令和加密方法與市面通用的S50相兼容，可以很方便地應(yīng)用到現(xiàn)有的讀卡機系統(tǒng)中。一次性電子錢包的基本原理是減法區(qū)中每一個Bit代表一個單位值的使用，據(jù)此給出了一次性電子錢包面值的表示方法，扣錢包的實現(xiàn)步驟和讀余額的操作方法。在SMIC 0.18／μm 的工藝條件下實現(xiàn)了該一次性電子錢包，并流片測試成功。

    (文/1.四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院微電子技術(shù)四川省重點實驗室,2.四川凱路威電子有限公司,1.2劉敬術(shù),1.2劉俊偉,2王兼明,1龔敏)