【正文】 500 的應(yīng)用程序設(shè)計 32 發(fā)送詢問指令 34 防沖突 34 選擇卡片 35 認(rèn)證 35 讀取卡片 35 5． 2． 6 卡掛起 35 蜂鳴器驅(qū)動程序設(shè)計 35 RS232 通信程序設(shè)計 36 通信協(xié)議設(shè)計 36 結(jié) 論 38 參考文獻(xiàn) 39 致謝 41 附錄 42 第一章 緒論 前言 智能卡的名稱來源于英文名詞“ Smart card”，又稱集成電路卡，即 IC 卡 Integrated Circuit Card 。 正是由于這些特點，使得 IC 卡從誕生至今雖然只有短短數(shù)年，但其市場卻遍布世界各地。 嚴(yán)格意義講，只有 CPU 卡才是真正的智能卡。 配合具體應(yīng)用具有多種工作距離 非接觸式 IC 卡中既有作用距離為幾米、可用于高速公路收費系統(tǒng)中的遠(yuǎn)距離卡，又有作用距離為幾厘米、可用于電子錢包的近距離卡，使得系統(tǒng)配置靈活多樣。 按照工作 距離可分為： 近距離卡－卡與讀卡器的有效作用距離為幾十厘米； 遠(yuǎn)距離卡－卡與讀卡器的有效作用距離為幾米。 安全技術(shù) 非接觸式 IC 卡以卡用芯片的物理安全技術(shù)、卡片制造的安全技術(shù)和卡的通訊安全技術(shù)這三個方面的內(nèi)容構(gòu)成其強大的安全技術(shù)。 高安全性 高安全性是 IC 卡最大的特點之一，但 IC 卡的發(fā)展使得用戶對其安全性提出了更高的要求。 IC 卡的國際標(biāo)準(zhǔn) IC 卡分為接觸式與非接觸式兩種，接觸式 IC 卡應(yīng)用較早，其國際標(biāo)準(zhǔn)比較完善，非接觸式 IC 卡近年來才開始推廣使用，其國際標(biāo)準(zhǔn)有些已經(jīng)通過，有些正在制定與討論之中。自出現(xiàn)以來，由于它極大加速了信息的收集和處理，近年來獲得迅速的發(fā)展。系統(tǒng)管理層主機可為通用 PC 機、工作站或服務(wù)器等。應(yīng)答器的主要組成、功能及應(yīng)用特點如下： 具有信息存儲、處理能力，它是射頻識別系統(tǒng)真 正的數(shù)據(jù)載體； 可接收、發(fā)射無線信號，外圍器件少，功耗低，能在低電壓下工作； 依據(jù)不同需要具有天線、射頻 /微波探測器、調(diào)制器、解調(diào)器、控制邏輯及存儲器等部件； 有的應(yīng)答器具有電池或外接電源，有的沒有電源，由尋呼器通過無線方式對其供電，其中無內(nèi)部電源的應(yīng)答器在非接觸式 IC 卡上應(yīng)用較多； 體積小巧、結(jié)構(gòu)多樣，有圓形、方形、筆形及片形等多種形狀，適合不同應(yīng)用； 多種工作距離。 在防沖撞功能上， MIFARE 允許多卡同時進(jìn)入讀寫范圍，再由讀寫設(shè)備逐一處理?？ㄆ铣?IC 微晶片及一副高效率天線外，無任何其他元件。 卡片上內(nèi)建 8K（ bit） EEPROM 存儲容量并劃分為 16 個扇區(qū)，每個扇區(qū)劃分為 4 個數(shù)據(jù)存儲塊，每個扇區(qū)可由多種方式的密碼管理。 數(shù)字電路模塊 [7][8] ATR 模塊： Answer to Request “請求之應(yīng)答“ 當(dāng)一張 MIFARE 1 卡片處在卡片讀卡器的天線的工作范圍之內(nèi)時，程序 員控 制讀卡器向卡片發(fā)出 REQUEST all 或 REQUEST std 命令后，卡片的 ATR 將啟動，將卡片 Block 0 中的卡片類型（ TagType）號共 2 個字節(jié)傳送給讀卡器，建立卡片與讀卡器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。 Select Application 模塊：主要用于卡片的選擇 當(dāng)卡片與讀卡器完成了上述的二個步驟，程序員控制的讀卡器要想對卡片進(jìn)行讀寫操作，必須對卡片進(jìn)行“ Select”操作。因此每個扇區(qū)可獨立地應(yīng)用于一個應(yīng)用場合。上述的敘述已經(jīng)可以充分地說明了 MIFARE 1 卡片的高度安全性，保密性，及卡片的應(yīng)用場合多樣性，一卡多用。加密的算法可以為 DES 標(biāo)準(zhǔn)算法或其他。每個塊有 16 個字節(jié)。 MIFARE 讀卡器組件 Philips 公司推出了五種讀卡器模塊，每種模塊的比較如表 所示： 讀 /寫距離 控制器接口 卡接口 MF RC500 100mm Paralle ISO 14443A MF CM200 40mm Parallel ISO 14443A MF CM220 MF CM500 100mm Parallel ISO 14443A MF CM520 表 MIFARE 讀卡器組件 讀卡器組件用于非接觸式 IC 卡讀卡器中，負(fù)責(zé)對非接觸式 IC 卡的讀寫，此外讀卡器中還有 MCU 對讀寫模塊進(jìn)行控制，及對讀卡器的其他方面進(jìn)行制，例如對鍵盤，顯示，通信等部分的控制等等。此外，它還支持快速 CRYPT01 加密算法用于驗證 Mifare 系列產(chǎn)品。 ②模擬電源 為了實現(xiàn)最佳性能， MF RC500 的模擬部分也使用單獨電源。如果器件采用外部時鐘可從 X1N 輸入，管腳說明如表 3． 6 所示： 名稱 類型 功能 XIN 1 振蕩器緩沖輸入 XOUT 0 振蕩器緩沖輸出 表 振蕩器管腳 ⑦ MIFARE 接口 MF RC500 支持 Mifare 有源天線。下面介紹～下 MF RC500 中的一些常用寄存器 [13]。第 6 到 4 位表示調(diào)制解調(diào)狀態(tài)，其中，“ 000”為空閑狀態(tài)；“ 00l”為發(fā)送開始狀態(tài)：“ 010”為從 FIFO 中發(fā)送數(shù)據(jù)或發(fā)送 CRC 位；“ 01l”為發(fā)送結(jié)束狀態(tài)：“ 100”為工作狀態(tài)：“ 101”為等待位。第 4 位 TXIEN 為發(fā)送中斷請求位，不能由用戶置 1 或清 0，須通過 SETIEN 來置 1 或清零。 控制寄存器 RegContr01 ：字節(jié)地址 09H，其中：第 5 位 STANDBY 置 1 可將 RC500 置為低電模式，在這種模式下晶振維持振蕩，節(jié)省電能。為 1 表示根椐 KEY格式定義的 LOADKEYE2或 LOADKEY命令寄存器內(nèi)的輸入數(shù)據(jù)沒有有效編碼。第 6 位 CRC3309 為 0 表示根據(jù) ISO／ Ec3309協(xié)議進(jìn)行 CRC 校驗。為了同非接觸式 IC 卡通信，為非接觸式 IC 卡讀卡器設(shè)計一 個特制的天線是必須的，因此設(shè)計讀卡器的天線和天線耦合電路是非接觸式 IC 卡讀卡器設(shè)計的重點之一。編程器為 TOP2021 型編程器。所以使用此接口芯片的串行通信系統(tǒng)只需單一的 +5V 電在本設(shè)計中硬件上采用 3 線制 RXD、 TXD、 GND 軟握手的零 MODEM 方式，即 PC 機和單片機的發(fā)送數(shù)據(jù)線 TXD 與接收數(shù)據(jù) RXD 交叉連接，二者 的地線 GND 接相連，而其它信號線如握手信號線均不用，而采用軟件握手，這樣即可以實現(xiàn)預(yù)定任務(wù)又可以簡化電路設(shè)計，節(jié)約了成本 [16]。與之相反，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù) Q 值成反比。 大小 距離 50 50 7 65 54 10 85 54 12 85 85 8 90 90 5 表 4． 1 天線大小與讀寫距離關(guān)系表 注：上述表中的讀寫距離是在非金屬環(huán)境中的測定值，實際應(yīng)用中的讀寫距離是此離的兩到三倍。在本課題設(shè)計的非接觸式 IC 卡讀卡器中， C2 值如表 4． 2 所示： 電容 值（ pf） [22] [23] 對 MFRC500 的應(yīng)用程序設(shè)計 讀卡器對 Mifare 卡片的操作流程如圖 5． 1 所示 圖 5． 1 讀卡器對 MIFARE 卡片的操作流程圖 復(fù)位應(yīng)答操作將通知 MF RC500 在天線的有效工作范圍 距離 內(nèi)尋找 Mifare卡片。程序先送高電平，延時一段時間后再拉回到低電平 [29]。初始化時對寄存器的部分相應(yīng)設(shè)置見附錄。 Mf500PieeCommonRequest 函數(shù)主要代碼及相關(guān)注釋見附錄。 選擇卡片 選卡選出已知序列號的卡，并返回一字節(jié)的卡容量編碼 Size 88H 。單位人多可以多用幾個字節(jié)做卡號。為了使數(shù)據(jù)快速可靠地傳輸，將每一幀 數(shù)據(jù)唯一對應(yīng)一個命令幀 ，此時轉(zhuǎn)輸數(shù)據(jù)即執(zhí)行命令具體如下： 在 PC 讀數(shù)據(jù)時，遵循“讀命令－等數(shù)據(jù)－報告”，即 PC 下達(dá)一個命令，等待接收數(shù)據(jù)，再據(jù)所接收數(shù)據(jù)正誤向應(yīng)用程序報告此命令的執(zhí)行情況。 信號幀格式 幀頭標(biāo)志 幀類型 器件地址 起始地址 長度 校驗和 幀尾標(biāo)志 幀頭標(biāo)志 1 Byte ：表示此數(shù)據(jù)包屬于本串口通信協(xié)議，并為是否接收此包 數(shù)據(jù)的標(biāo)志。 ：當(dāng) PC 讀 /寫數(shù)據(jù)時， MCU 所接收的信號幀（讀 /寫命令幀）有誤時 PC 發(fā)出的請求重發(fā)信號。蜂鳴器驅(qū)動子程序見附錄。 PiccRead 函數(shù)一次讀已通過密碼認(rèn)證扇區(qū)的一個數(shù)據(jù)塊，共 16 個字節(jié)。 SN 為 40 位長 5 個字節(jié)，實際有意義的只有個字節(jié)，最后一個字節(jié)是 SN 的 異 或 校 驗 的 校 驗 碼 。 ??Request std，只對天線范圍內(nèi)處于 IDLE 狀態(tài) 的卡有效，對 HALT 狀態(tài)的 卡無效。寄存器在芯片復(fù)位狀態(tài)為其設(shè)定初始值。讀卡器對任何一張 Mifare 卡片進(jìn)行任何操作都要經(jīng)過上述幾個步驟，之后就可以具體地對卡片進(jìn)行相應(yīng)的讀、寫等操作。不同類型的卡和不同的使用環(huán)境都將影響讀卡器的性能表現(xiàn)，這就要在確定了卡的類型之后，在實際的使用環(huán)境中進(jìn)行試驗，確定不同的 C2 值，使讀卡器具有最好的性能表現(xiàn)。天線的直徑必須介于 O． 5～ 1． 5mm 之間。因此，對讀卡器天線的構(gòu)造就有三個基本要求：首先是使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量：其次是功率要匹配，以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量；最后是要有足夠的帶寬，以無失真地傳送用數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號。芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器可把輸入的 +5V 電源電壓變換為 RS232 輸出電 所需的177。所以，我們就從市場上眾多的 8 位微處理器中選取了 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51（其指令與 MCS51 系列兼容）。單片機具有數(shù)字處理的功能，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家用電器、智能儀表中。 CRC 校驗寄存器 RegChannelRedundancy ：字節(jié)地址 22H，用來選擇進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性的方式。 錯誤寄存器 RegErrorFlag ：字節(jié)地址 0AH，這個寄存器將指示命令執(zhí)行結(jié)果的情況。 中斷請求寄存器 ReginterruptlRq ：字節(jié)地址 07H。 中斷使能寄存器 字節(jié)地址 06H RegInterruptEn ：第 7 位 SETIEN 是總屏蔽位，為 1 表示中斷請求寄存器的標(biāo)志位置 1，為 0 表示中斷請求寄存器中的標(biāo)志位已清零。 主狀態(tài)寄存器 RegprimaryStatus ：這個寄存器保存一些發(fā)送或接收以及先進(jìn)先出緩沖器的狀態(tài)，字節(jié)地址 03H。 ⑧并行接口 表 38 列出的 16 個管腳用于控制并行接口： 名稱 類型 功能 D0? D7 帶施密特觸發(fā)器的 I/O 雙向數(shù)據(jù)總線 A0? A2 帶施密特觸發(fā)器的 I/O 地址線 NWR/RNW 帶施密特觸發(fā)器的 I/O 寫禁止、只讀 NRD/NDS 帶施密特觸發(fā)器的 I/O 讀禁止 /數(shù)據(jù)選通禁止 NCS 帶施密特觸發(fā)器的 I/O 片選禁止 ALE 帶施密特觸發(fā)器的 I/O 地址鎖存使能 IRQ 帶施密特觸發(fā)器的 I/O 中斷請求 表 控制并行接口管腳 3 寄 存器定義 MF RC500 有 64 個寄存器，通過操作這些寄存器可以完成對該模塊的控制。如果 RST 釋放， MF RC500 執(zhí)行上電時序。 MF RC500 內(nèi)部接收器對信號進(jìn)行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理。接收器部分提供一個堅固而有效的解調(diào)和解碼電路，于 IS014443A 兼容的應(yīng)答器信號。 存取控制對塊 3 的控制如表 3－ 2[7]所示： X 015 密碼 A 密碼 A 存取控制 存取控制 密碼 B 密碼 A C1X3 C2X3 C3X3 read write Read write read write 0 0 0 never KEYAB KEYA|B Never KEYA|B KEYA|B 0 1 0 Never never KEYA|B Never KEYA|B never 1 0 0 never KEY B KEYA|B never never KEY B 1 1 0 never never KEYA|B never never never 0 0 1 never KEYA|B KEYA|B KEYA|B KEYA|B KEYA|B 0 1 1 never KEY B KEYA|B KEY B never KEY B 1 0 1 never never KEYA|B KEY B never never 1 1 1 never never KEYA|B never never never 表 存取控制對塊 3 的控制 KEYA|B 表示密碼 A 或密碼 B； never 表示沒有條件實現(xiàn)。 MIFARE 1 卡片的存儲結(jié)構(gòu) MIFARE 1 卡片的存儲容量為 8192 BIT X 1 位字長（即 1K X 8 位字長），采用 EEPROM 作為存儲介質(zhì)，整個結(jié)構(gòu)劃分為 16 個扇區(qū)，編為扇區(qū) 0～ 15。同時， ROM 中還固化了卡片運行所需要的必要的程序指令，由控制及算術(shù)運算單元取出去對每個單元進(jìn)行微指令控制，使卡片能有條不紊地與卡片的讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。如想對其他 扇區(qū)進(jìn)行操作，必須完成上述的認(rèn)證過程。Access Control 模塊：認(rèn)證及存取控制模塊 在確認(rèn)了上述的三個步驟，確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片時，程序員對