【正文】 探討了射頻卡系統(tǒng)的安全性能，強(qiáng)調(diào)整體安全性對(duì) 射頻卡系統(tǒng)的重要性；最后對(duì)課題進(jìn)行總結(jié)和展望，也給出了需要改進(jìn)的地方。 Toll System 。它利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)。由此可見，研究該技術(shù)已成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的必需。 中國(guó)入世后，國(guó)內(nèi)連鎖零售商面臨著巨大的內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)壓力，增強(qiáng)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力可以依靠信息系統(tǒng)的有效應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)連鎖零售業(yè)信息化水平普遍較低， RFID 自動(dòng)識(shí)別信息系統(tǒng)對(duì)于國(guó)內(nèi)連鎖零售業(yè)是一個(gè)新的契機(jī)，不僅可以顯著增強(qiáng)企業(yè)的精確管理物流的能力，而且有助于推動(dòng)企業(yè)的信息化進(jìn)程，從根本上提高企業(yè)的信息處理水平。因此，射頻識(shí)別技術(shù)已在世界各地得到廣泛的應(yīng)用，以美國(guó)、日本和歐洲為首的發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)射頻識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用研究已達(dá)到相當(dāng)高的水平，而我國(guó)則處于起步階段，大多采用引進(jìn)的技術(shù)成果。而未來智能卡的發(fā)展主要朝著下面三個(gè)特點(diǎn)演變：一是高度的安全性；第二個(gè)特點(diǎn)是要有較大的容量；第三個(gè)特點(diǎn)是要從現(xiàn)在單一的身份識(shí)別功能擴(kuò)展到多用途功能，處理多種類型的數(shù)據(jù)。而未來智能卡的發(fā)展主要朝著下面三個(gè)特點(diǎn)演變：一是高度的安全性；第二個(gè)特點(diǎn)是要有較大的容量；第三個(gè)特點(diǎn)是要從現(xiàn)在單一的身份識(shí)別功能 3 擴(kuò)展到多用途功能，處理多種類型的數(shù)據(jù)。由此看出無線射頻卡給我們的生活帶來的極大方便。 國(guó)內(nèi)外射頻 讀寫器 研究動(dòng)態(tài)與現(xiàn)狀 由于射頻 讀寫器 的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外射頻識(shí)別技術(shù)己被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、軍事國(guó)防、安保門禁以及交通物流等領(lǐng)域，澳大利亞將射頻識(shí)別產(chǎn)品用于機(jī)場(chǎng)旅客行李管理，該技術(shù)發(fā)揮了出色的作用；歐共體宣布1997年開始生產(chǎn)的新車型必須具有基于射頻識(shí)別技術(shù)的防盜系統(tǒng)；瑞士國(guó)家鐵路局在瑞士的全部旅客列車上安 裝了自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，調(diào)度員可以實(shí)時(shí)的掌握火車運(yùn)行情況，不僅利于管理，還大大減小發(fā)生事故的可能性； 1996年 1月韓國(guó)在漢城的 600輛公共汽車上安裝射頻識(shí)別系統(tǒng)用于電子月票，還計(jì)劃將這套系統(tǒng)推廣到鐵路及其它城市；德國(guó)漢莎航空公司試用非接觸的射頻卡作為飛機(jī)票，改變了傳統(tǒng)的機(jī)票購銷方式等。 4 然而當(dāng)前，射頻識(shí)別技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用正處于起步階段。 在當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展日趨全球化、信息化的背景下，我國(guó)政府高度重視信息化建設(shè)，當(dāng)前信息產(chǎn)業(yè)己經(jīng)成為我國(guó)的第一支 柱產(chǎn)業(yè)。所以我國(guó)的以射頻卡系統(tǒng)應(yīng)用為代表的信息化歷程任重而道遠(yuǎn)。 射頻卡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 通常情況的射頻卡系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)組成，分別為射頻識(shí)別卡系統(tǒng) 、 射頻讀寫器 系統(tǒng)。 （ 2）讀卡器工作：讀卡器記錄所有射頻卡代表的商品價(jià)值信息并將信息傳給電腦進(jìn)行處理。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分： 射頻識(shí)別卡部分 ，射頻讀寫器部分。 (2)射頻讀寫器：讀寫器也稱為讀卡器或接收器，它由發(fā)射單元、接收單元、信號(hào)處理控制模塊、天線和電源等組成。不同的用途其選取也不同，但是它們的基本原理是相同的。 有源射頻卡通常有部分電路處于工作狀態(tài)，有時(shí)處于“睡眠”狀態(tài)。 方案二：無源射頻卡系統(tǒng)。然而，與有源射頻卡相比，有源射頻卡的壽命通常要受電池壽命的限制而成為一大缺陷，而無源射頻卡的壽命一般可長(zhǎng)達(dá)幾十年。 非接觸式與接觸式的選擇 8 接觸式卡與 一般磁卡 相比，更加安全可靠，除了存儲(chǔ)容量大，還可一卡多用 ， 同時(shí)可靠性比磁卡高，壽命長(zhǎng)；讀寫機(jī)構(gòu)比磁卡讀寫機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，造價(jià)更便宜，維護(hù)方便，容易推廣。例如：由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰塵、油污導(dǎo)致接觸不良等原因造成的故障； 第二點(diǎn)是 操作方便、快捷 ： 由于非接觸通訊，讀寫器在 10cm范圍內(nèi)就可以對(duì)卡片操作，所以不必象 接觸式 卡那樣進(jìn)行插拔工作非接觸卡使用時(shí)沒有方向性，卡片可以任意方向掠過讀寫器表面，可大大提高每次使用的速度； 第三點(diǎn)是 防沖突 ： 射頻卡中有快速防沖突機(jī)制，能防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，因此讀寫器可以 同時(shí) 處理多張非接觸式射頻卡； 第四點(diǎn)是 應(yīng)用 范圍廣 ： 射頻卡的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使它一卡多用；可應(yīng)用于不同的系統(tǒng)，用戶根據(jù)不同的應(yīng)用設(shè)定不同的密碼和訪問條件； 第五點(diǎn)是 加密性能好 ： 射頻卡的序列號(hào)是唯一的，制造廠家在產(chǎn)品出廠前已將此序列號(hào)固化，不可再更改；射頻卡與讀寫器之間采用雙向驗(yàn)證機(jī)制，即讀寫器驗(yàn)證射頻卡的合法性，同時(shí)射頻卡也驗(yàn)證讀寫器的合法性 。如上所述，讀寫器與控制器之間通信 ，執(zhí)行控制器的命令，完成數(shù)據(jù)的上傳或下載。因此，讀寫器的基本任務(wù)是啟動(dòng)數(shù)據(jù)載體（射頻卡）與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換來實(shí)現(xiàn)非接觸的無線通信，防沖突及身份驗(yàn)證均由讀寫器自動(dòng)完成。 讀寫器終端的射頻口部分完成下列任務(wù)： (1)產(chǎn)生射頻發(fā)射功率，以啟動(dòng)射頻卡并為它提供能量； (2)對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，用于將 數(shù)據(jù)傳送給射頻卡； (3)接受并解調(diào)來自射頻卡的射頻信號(hào)。 10 為了完成這些復(fù)雜的任務(wù)，在絕大多數(shù)情況下控制單元都 擁有微處理器作為核心部件。同普通的 PC機(jī)一樣可以使用 NRZ編碼（ 8位異步）。 讀寫器終端的天線部分用于產(chǎn)生磁通量 Φ ，而磁通量用于向射頻卡提供電源并在讀寫器和射頻卡之間傳送信息。最簡(jiǎn)單的顯示器可以使用 LED 發(fā)光二極管，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于安裝成本，低體積小，但是信息無法全部顯示。 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 方案一 ： PIC 系列單片機(jī) 。 PIC 系列單片機(jī)的特點(diǎn)： 第一、 PIC 最大的特點(diǎn)是不搞單純的功能堆積，而是從實(shí)際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性能與價(jià)格比，靠發(fā)展多種型號(hào)來滿足不 同層次的應(yīng)用要求。其中， PIC12C508 單片機(jī)僅有 8 個(gè)引腳，是世界上最小的單片機(jī)該型號(hào)有 512 字節(jié) ROM、 25 字節(jié) RAM、一個(gè) 8 位定時(shí)器、一根輸入線、 5 根 I/O線，市面售價(jià)在 3－ 6 元人人民幣。采用 PIC 的低價(jià) OTP型芯片，可使單片機(jī)在其應(yīng)用程序開發(fā)完成后立刻使該產(chǎn)品上市 ；第四、 PIC 12 有優(yōu)越開發(fā)環(huán)境。 PIC 以保密熔絲來保護(hù)代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無法讀出，除非恢復(fù)熔絲。 AT89 系列單片機(jī)是 ATEML 公司的 8 位 Flash 單片機(jī)。在單片機(jī)部有 Flash 存貯器，功耗特別低， FlashROM 的容量從 TA89C1051 的 1K到 AT89S55 的 20K。在空閑模式下凍結(jié) CPU 而 RAM 定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。 14 第二章 無線射頻識(shí)別 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 無線射頻識(shí)別 系統(tǒng)是一套完整的硬 件系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)射頻識(shí)別的核心部件是射頻卡、天線及其射頻模塊。射頻卡（ RF）是運(yùn)用 LC振蕩回路工作的。此振蕩過程從交變磁場(chǎng)取得能量。振蕩線圈的磁場(chǎng)當(dāng)距離增加時(shí)減弱。這是通過這樣的方法來實(shí)現(xiàn)的：使產(chǎn)生磁場(chǎng)的頻率不是恒定的，而是“掃頻”的。 如果掃頻的振蕩頻率正好命中了在射頻卡里振蕩回路的諧振頻率，其振蕩回路就開始起振，并由此在振蕩器線圈的電流中產(chǎn)生一個(gè)明顯的降落。 圖 21 非接觸式射頻卡系統(tǒng)工作原理 射頻卡系統(tǒng)的工作流程 射頻卡系統(tǒng)的工作流程如圖 22所示。 其次，當(dāng)共振使卡內(nèi)的電容有了負(fù)荷，在電容的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到 2V時(shí)，此電容可作為電源為集成電路提供工作電壓。讀寫終端對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理。天線用于發(fā)射和接收電磁 波；模擬電路主要是由檢波電路和調(diào)制電路組成，用于獲取直流能量并將相關(guān)信息通過調(diào)制發(fā)送出去：數(shù)字電路是射頻卡的大腦用于控制相關(guān)協(xié)議、指令及處理功能、管理內(nèi)部數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)以及執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。 近場(chǎng) 感應(yīng)線圈天線：近場(chǎng)感應(yīng)線圈天線通常由多匝電感線圈所組成，電感線圈和與其相并聯(lián)的電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路以耦合最大的射頻能量。因此，工作頻率的大小決定著天線尺寸的大?。惶炀€的大小又常常決定著射頻卡的大小：較高的工作頻率具有較小的射頻卡尺寸。檢波電路可以將射頻能量 18 轉(zhuǎn)換成直流能量，并可獲取讀寫器發(fā)來的相關(guān)指令信息；調(diào)制電路則是將射頻卡的相關(guān)應(yīng)答信息調(diào)制到射頻卡接收到的射頻信號(hào)上，并反射回讀寫器。數(shù)字存儲(chǔ)器一般又可分為如下三類： ROM只讀存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)以及為保 障其順利工作所必需的其它指令； RAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器用于保存射頻卡的唯一序號(hào)和存儲(chǔ)象密碼之類的機(jī)制； EEPROM電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)被識(shí)別的相關(guān)信息，其存儲(chǔ)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)幾十年。 射頻卡、天線及其射頻模塊的型號(hào)選擇 射頻識(shí)別技術(shù)在國(guó)外發(fā)展的很快，射頻識(shí)別產(chǎn)品種類眾多，像 Motorola、Philips等等世界著名大廠都生產(chǎn)射頻識(shí)別產(chǎn)品，并且它們的產(chǎn)品各有特點(diǎn)，自成系列。 可見，先進(jìn)的 TIRIS技術(shù)已經(jīng)為我們提供全套的射頻收發(fā)解決案，并將其封裝在集成電路芯片中，非常方便我們的使用和二次開發(fā)，本系統(tǒng)的硬件解決方案中射頻部分的實(shí)現(xiàn)就是利用 TIRIS技術(shù)。該產(chǎn)品具有只讀（ ROM）和可讀寫（ R/W）兩種版本，本文選用可讀寫型，這樣便于重復(fù)利用以及記錄商品是否已付錢等信息。 以下圖 26是基站讀取數(shù)據(jù)的時(shí)序，由射頻卡發(fā)出的數(shù)據(jù)采用 FSK調(diào)制。所以對(duì)于 10個(gè) Byte的用戶數(shù)據(jù)，前面 8個(gè)字節(jié)作為用戶數(shù)據(jù)，后面 2個(gè)字節(jié)作為用戶數(shù)據(jù)的 CRC校驗(yàn)碼。其外形見圖 210所示與引腳定義見表 211所示。 圖 212 為單片機(jī) 89C2051 輸出顯示的一個(gè)例子， 4 位 BCD 碼數(shù)據(jù)從其～ 并行輸出，經(jīng) 7 段 LED 顯示驅(qū)動(dòng)電路 CD4511 譯碼后驅(qū)動(dòng) LED 顯示，這樣只需向 ～ 寫入欲顯示數(shù)字的 BCD 碼，即可顯示出相應(yīng)的數(shù)字。顯然，這種方式顯示同樣的位數(shù)使用單片機(jī)的口線大大減少，并且可以讓 LED顯示 BCD 碼以外的字符 (如 A、 B、 C、 D 等 )，但是，當(dāng)要顯示的位數(shù)較多時(shí)，仍需占用較多的口線，并且在許多情況下需要串口工作在 UART 方式，以便進(jìn)行串行通信，從而限制了這種方式的使用范圍。 綜上所述采用串行移位輸入的靜態(tài)顯示電路，由單片機(jī)的普通并行端口模擬單片機(jī)串口的工作方式 0 提供顯示數(shù)據(jù)。 CP（第13 腳）為時(shí)鐘輸入端，可連接到串行口的 TXD 端。由于本設(shè)計(jì)中 89C2051 的串口己作為與 PC 通信的端口，故采 用軟件編程的方法將兩并行端口的引腳模擬成串口方式 0。由于內(nèi)部有 Flash ROM，所以編寫的程序燒錄很方便，易于電擦除，可以反復(fù)使用，非常方便用戶對(duì)程序進(jìn)行修改，縮短研制周期，降低了研制成本。 AT89系列的低工作電壓，低功耗，高運(yùn)算速度也獨(dú)具特色。除 P3口的六個(gè)引腳（ ）的第二功能與 MCS51系列完全一致外， 。 最終決定選用 89C2051。單片機(jī)系統(tǒng)電路圖見圖 214所示。對(duì)按鍵的監(jiān)控由經(jīng)過作者編程的可編程邏輯芯片GAL22V10D完成。 MAX232是一種雙組驅(qū)動(dòng)器 /接收器，片內(nèi)含 有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器以便在單 5V電源供電時(shí)提供 EIA/TIA232E電平。所有的驅(qū)動(dòng)器、接收器及電壓發(fā)生器都可以在德州儀器公司的 Lin ASICTM元件庫中得到標(biāo)準(zhǔn)單元。 AT24C16的電路接口情況及各引腳圖見圖 216單片機(jī)系統(tǒng)電路圖。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機(jī)一樣只有撥通各自的號(hào)碼才能工作，所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中， I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。開始信號(hào)： SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。若未收到應(yīng)答信號(hào)，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。對(duì)RFM001的應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)也就是對(duì) RFM001操作指令的程序設(shè)計(jì)；對(duì)讀寫器的其它電路的應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)包括 LED狀態(tài)顯示程序設(shè)計(jì)、 LCD設(shè)計(jì)、鍵 盤設(shè)計(jì)、蜂鳴器程序設(shè)計(jì)和 RS232通信程序設(shè)計(jì)等。 如果有 多余一張的 RITRPW4FF卡片在讀寫器天線的有效工作范圍（距離）內(nèi)，必須執(zhí)行防沖突操作，返回一張卡片的序列號(hào)，作為本次操作的對(duì)復(fù)位應(yīng)答 防重復(fù)操作 選擇卡片 認(rèn)證操作 讀塊 寫塊 重儲(chǔ) 傳送 重新輸入商品價(jià)格 付費(fèi)后商品價(jià)格清零 32 象。讀寫器對(duì)任何一張 RITRPW4FF卡片進(jìn)行任何操作都要經(jīng)過上述幾個(gè)步驟，之后就可以具體地對(duì)卡片進(jìn)行相應(yīng) 的讀、寫、增值、減值、重儲(chǔ)和傳送等操作。鍵盤布局如圖 33所示 圖 32 單片機(jī)主程序 流程圖 34 圖 33 鍵盤功能圖 鍵盤功能處理主程序 鍵盤功能處理的要求為：若先按下的鍵為數(shù)字鍵、小數(shù)點(diǎn)鍵、確認(rèn)鍵或取消鍵，視為無效操作，直接返回主程序 。實(shí)現(xiàn)該功能的子程序的流程圖見圖 35所示 。實(shí)現(xiàn)該功能的子程序的流程圖見圖 37所示。本論文中使用的RITRPW4FF射頻卡采用先進(jìn)的芯片制造工藝制作，內(nèi)建有高速的 CMOS EEPROM和 MCU，卡片上除了 IC微晶片及一副高效率天線外，無任何其它元件。 RITRPW4FF卡用的 IC是一種集成電路芯片，但決不是一般意義上的集成電路芯片。 基于以上典型探測(cè)方法的分析，射頻卡用芯片的安全技術(shù)就要從物理上防止以上攻擊，使其受攻擊的可能性減至最小。主要從兩方面來決定射頻卡用芯片所采用安全技術(shù)的級(jí)別：一是性能價(jià)格比，二是相對(duì)安全性。 軟件安全性分析 1. 射頻卡操作系統(tǒng)的安全性 COS控制著射頻卡內(nèi)部各硬