嗶！與刷卡機貼貼的付款卡經歷了什麼？_風聞

中科院物理所-中科院物理所官方账号-2022-10-17 12:34

2022-10-17

掏出付款卡，

貼在刷卡機上，

嗶！卡還在，錢沒了……

這樣熟悉的感覺真是一言難盡。

那麼問題來了，

只是一次貼貼，

刷卡機是怎麼把錢扣走的呢？

RFID與非接觸式IC卡

為了講清楚其中的原理，我們首先要熟悉兩個詞：無線射頻識別(RFID)與非接觸式IC卡。是不是突然高(ting)科(bu)技(dong)？

其實，這兩個概念並不難理解。顧名思義，無線射頻識別(RFID)就是通過發射接收無線電來實現對象識別的技術。其主要目的，就是刷卡機要準確識別這是誰的卡，並扣除對應卡里面的錢。畢竟“沒買東西，錢沒了”的事情想想就可怕。如何實現的呢？上圖！

圖1 無線射電識別系統示意

這幅圖就是最簡易的無線射電識別系統的示意。可見，一個RFID系統可以分為四個部分：

**（1）電子標籤：**也就是圖中的IC芯片，存儲了標誌身份的信息；

**（2）天線：**負責發送或者接收電磁波，實現通訊；

**（3）讀寫器：**在刷卡模型下就是讀卡器，負責將接收的信號傳給電腦等軟件端；

**（4）應用軟件：**負責悄咪咪地告訴你錢沒了！

講到這裏，一定有小夥伴要問了，卡是怎麼聽到來自讀卡器天線的呼喚的呢？又是怎麼回覆的呢？這就要我們進入IC卡的內部世界了！

圖2 非接觸式IC卡結構示意

非接觸式IC卡又稱射頻卡，其分層的結構可以看作兩側的卡殼以及中間的電路結構。如果粗略地看，電路結構可以看作一圈天線和IC芯片。然而盲生髮現了華點，那就是這個卡既然要回復消息，但是能量從何而來？不會還要使用者給卡充電吧？答案當然是不用的。下圖所示是對於接收回覆電磁波的過程的細節示意：

圖3 通信原理示意

由於電磁波從讀卡器端的天線發射出來時是攜帶着能量的。當這個電磁波的頻率與IC卡內的LC振盪電路的固有頻率匹配時，就會發生共振，LC振盪電路就會吸收部分電磁波的能量，並在電容1兩端積累電荷。電容的另一側連有單向電子泵，也就是電子只會從電容1流向泵另一側的電容2，不會迴流。這樣一來，隨着電磁波源源不斷帶來能量，電容2兩端就會積累起越來越多的電荷。根據下式：

由於電容恆定，當電荷Q增多，電壓U就會相應升高，直到達到一個可以啓動發射單元的電壓閾值，IC卡就向着讀卡器回覆信號了。

其他種類的IC卡

看了非接觸式IC卡的原理，大家可能對接觸式IC卡的樣子好奇了。以及，我們常見的IC卡該怎麼區分是接觸式還是非接觸式呢？別急，解讀這就開始！

圖4 接觸式IC卡的封裝 | 圖源自[1]

上圖是接觸式IC卡的封裝示意，看到左上角這個觸點的樣子，可能很多讀者都想説：“原來是它！”沒錯，觸點正是在我們常見的一些銀行卡等暴露在外的金屬片上，放大後大概長這樣。

圖5 接觸式IC卡的觸點 | 圖源自[1]

顧名思義，接觸式IC卡是通過物理接觸實現電路連接的，因此這些觸點就是連接讀卡器的重要接口。別小看這幾個觸點，它們分工明確！C1~C3觸點分別負責連接電源(VCC)、復位(RST)、引入時鐘信號(CLK)，而C5~C7則分別負責接地(GND)、接編程電壓(不使用時作為常閉觸點N.C.)、輸入輸出(I/O)。按照ISO/IEC7816-2標準，觸點一般不超過8個，然而C4和C8未被特定指派任務，所以有的卡片只有6個觸點。

圖6 六觸點式IC卡

如果看內部構造，觸點被安排在電極膜片上，下面連接着半導體芯片。

圖7 接觸式IC卡內部結構 | 圖源自[5]

由於接觸式IC卡採用了物理接觸，觸點暴露在外，所以容易出現接觸不良的問題。但是，由於不需要無線傳遞信號，卡片以及相應的讀卡機的電路更加簡單，成本也更低。簡單講，接觸式IC卡更適用於用卡次數不多以及環境不易腐蝕觸點的場所。而非接觸式IC卡適用於使用頻繁的情況。

圖8 非接觸式IC卡

一般來講，看到有這種沒有觸點的、完全封裝起來的卡片就是非接觸式的，常見的學子卡應該都是這一類。

此外，還有一種簡化版本的非接觸式IC卡，稱為ID卡。其特徵是具有只讀性。因此只有在制卡時將一個卡號存在卡內，用於身份識別。其工作原理也是上面所説的無線射電識別，然而其工作頻率（多為低頻，125khz）與非接觸式IC卡（多為高頻, 13.56Mhz）並不一樣，所以往往讀卡器不互通。ID卡一般用在小區或者停車場的門禁系統，可以做成掛牌式的形狀。

圖9 不同形狀的ID卡

再説説接觸式，一般的判定方法就是看看有沒有觸點，比如下面這張卡。

圖10 接觸式IC卡

然而，事情沒那麼簡單，因為接觸式和非接觸式可以融合形成雙界面卡！

圖11 雙界面卡結構示意

看過接觸式和非接觸式的構造，想必大家一眼就看出：這就是融合怪！沒錯，不僅有暴露在表面的觸點，還有內部的線圈。看外表和接觸式沒什麼兩樣，所以基本沒什麼辦法僅通過外觀來判斷。要想推斷，可以看看怎麼刷卡。

圖12 雙界面讀卡機

一般只要是插卡的，都是利用接觸式的電路，而在上面貼貼的，一般是非接觸式的。至於既可以插卡又可以貼貼，那就是雙界面卡了~

磁條卡與複合卡

談到卡，就不得不提一提磁條卡。細心的讀者應該發現了，上面所説的每一種IC卡都含有芯片，因此也稱為芯片卡。而磁條卡是用貼在卡片上的磁條來實現信息的讀寫的。

圖13 磁條卡實例

這種卡使用時需要讓磁條在讀卡器的卡槽中劃一下，這樣讀卡器的磁頭就會將磁條內的信息讀出來了。

圖14 磁條卡讀卡

磁條是由可磁化材料組成的。如果需要向磁卡內存儲數據，刷卡時磁條以一定速度運動，讀卡器磁頭內線圈會通電，根據電流的磁效應產生磁場，將磁條對應的位置磁化。根據磁頭通電流的方向以及大小的不同，可以對於對應位置的磁條產生特定磁極方向以及強度的磁化。這樣，信息就被存儲在磁條內了。讀卡的時候，卡同樣劃過，當磁條對應位置經過磁頭，其特定大小和方向的磁場就會在線圈內產生相應的感應電動勢，從而激發電信號，完成信息的讀取。