【正文】 ...... 47 第 1章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題 研究 背景 及意義 IC 卡是集成電路卡 (Integrated Circuit Card)的英文簡稱，在有些國家也稱之為智能卡、微芯片卡等， IC 卡是在較為原始的磁卡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 。 介紹了系統(tǒng)設(shè)計的軟件部分，重點介紹了 RC500 的主要特性、基本指令集以及與 Mifare1 非接觸 IC卡數(shù)據(jù)通信的一些重要模塊的編程思路以及編程方法。 周 次 1— 4 周 5— 8 周 9— 12 周 13— 16 周 17— 18 周 應(yīng) 完 成 的 內(nèi) 容 收集資料 熟悉課題內(nèi)容 理清設(shè)計思路 電路設(shè)計 程序設(shè)計 程序設(shè)計 搭電路調(diào)試 優(yōu)化程序 改進電路 軟硬件聯(lián)調(diào) 論文書寫 課題總結(jié) 答辯 指導(dǎo)教師：李英偉 職稱：副教授 2021 年 3 月 1 日 系級教學(xué)單位審批： 年 月 日 摘要 摘要 非接觸式 IC 卡是 IC 卡領(lǐng)域的一項新興的技術(shù)，它是射頻識別技術(shù)和IC 卡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 本文設(shè)計基于 STC89LE516RD+單片機 和 MFRC500 射頻基站芯片的非接觸式 IC 卡讀寫 器 ，并 編寫與 該讀寫器 相 結(jié)合的上位機軟件 ， 實現(xiàn) Mifare1 S50 卡的讀寫卡操作、電子錢包操作、密碼操作以及各塊存儲方式的控制 。 參 考 資 料 1．《 智能卡技術(shù) IC 卡與 RFID 標(biāo)簽 》， 王愛英主 編， 清華大學(xué)出版社。 分析了設(shè)計中難點和重點。射頻識別 。這項成果迅速在我國得到了應(yīng)用 , 并在我國信息化進程中占有重要地位。同時讀寫器和智能 IC 卡之間的傳輸速率非常高 ,平均讀寫時間小于 秒 , 使得操作迅速且準(zhǔn)確。以物流為例， RFID 可以實現(xiàn)準(zhǔn)確供應(yīng)、方便運輸和存儲、降低管理成本。隨著信息業(yè)和服務(wù)業(yè) 的全球化，在一些場合，對信息載體的便攜性、安全性及易用性等方面提出更高的要求，于是非接觸式IC卡以其無機械磨損、容易維護、方便使用等優(yōu)點，成為 IC 卡中潛力最大的新軍而備受國內(nèi)外業(yè)界的矚目。為了適應(yīng)這種發(fā)展趨勢，非接觸式 IC卡的讀卡器的開發(fā)與設(shè)計也迅速發(fā)展起來。歐洲 RFID 標(biāo)準(zhǔn)追隨美國主導(dǎo)的 EPCglobal 標(biāo)準(zhǔn)。在應(yīng)用方面，歐洲在諸如交通、身份識別、生產(chǎn)線自動化控制、物資跟蹤系統(tǒng)與美國基本處在同一階段。為了與上位機進行通信，選擇了RS232 串口通信的模式與單片機進行通信，為了更好的符合 RS232 的串口通訊模式降低單片機在通訊方面的系統(tǒng)占用率，提高與上位機得傳輸效率，增加同步工作，減少 誤差以及達到穩(wěn)定的效果，沒有直接選擇使用單片機進行傳輸模塊。所以， 無線電規(guī)則問題是 RFID 技術(shù)與應(yīng)用面臨的最基本問題，這所涉及到的 問題主要有： RFID 應(yīng)用分配的頻率范圍； RFID 設(shè)備發(fā)射的功率電平限制； RFID 設(shè)備發(fā)射占用頻帶限制（主要有發(fā)射主瓣電平限制及帶寬和發(fā)射旁瓣電平限制及帶寬）；其他雜散發(fā)射限制。 數(shù)字部分處理 ISO14443A 幀和錯誤檢測 (奇偶 和 CRC)此外 ， 它還支持快速 CRYPTO1 加密 算法用于驗證 MIFARE 系列產(chǎn)品 。支持MIFARE Clasic。OSCOUT)上完成時鐘供應(yīng)電路。 參考電壓輸出端 (VMID)按要求接 100pF 電容接地濾去交流波。對于上位機以及卡來說屬于一種對等的傳輸方式，對于內(nèi)部模塊來說，是一種控制的方式。加上有良好的仿真軟件 KEIL。對于任何與單片機相連接的數(shù)據(jù)都在 3V左右以免單片機引腳電壓過高導(dǎo)致單片機燒毀。 另一方面單片機還要與上位機保持緊密的聯(lián)系來達到讀卡器基本操作的實現(xiàn)。完成了PL2303HX 的時鐘部分外圍電路的設(shè)計。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 圖 24 USB 通信模塊原理圖 電源部分模塊 整個的設(shè)計都是在穩(wěn)定的電源和地的 前提下完成的，在讀卡器上一個重要的部分。 該頻率由一個石英晶振產(chǎn)生，并且作為驅(qū)動天線的 能量載波的基頻 。一旦天線的電感超過 5μ H 時，電容 C 的匹配就變得困難 ,設(shè)計天線時應(yīng)考慮天線的線圈電感值不超過 5μ H，并且天線導(dǎo)體的寬度應(yīng)在 ～ mm 內(nèi)。 因此 ， 設(shè)計天線的時候要充分考慮這三方面的因素 。在總體框架下每一個模塊都擁有自己的晶振等電路，但是大部分為模塊間的連接，搭建好硬件電路是后續(xù)工作的重要基礎(chǔ)，一個好的硬件電路設(shè)計會使得，軟件的設(shè)計更加簡化，調(diào) 試工作更加順利。當(dāng)讀卡器發(fā)射電磁波 ,使標(biāo)簽天線電感式電壓達到 VPP 時 ， 器件工作 。 射頻識別 系統(tǒng)通常采用數(shù)字調(diào)制方式傳送信息，用數(shù)字調(diào)制信號 (包括數(shù)字基帶信號和已調(diào)脈沖 )對高頻載波進行調(diào)制。電子標(biāo)簽接收到載波信號后對信號進行解調(diào)，得燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 18 到編碼的數(shù)據(jù)，然后再通過譯碼過程得到傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)。其中當(dāng)函數(shù)調(diào)用成功時返回 0，否則返回值為不等于 0 的一個錯誤代號。硬件復(fù)位后進入初始化階段 ， 將 E2PROM 中塊 1 和 2 的內(nèi)容復(fù)制到寄存器 102FH 中。對于需要數(shù)據(jù)流 (或數(shù)據(jù)字節(jié)流 )作為輸入的命令 ， 會立即處理它在 FIFO 緩沖區(qū)中發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)。 在 MFRC500 進行上電復(fù)位完成以后 ，我們要對 RC500 進行各個設(shè)置寄存器進行賦值，來調(diào)整 RC500 的工作狀態(tài)。初始化子程序的結(jié)構(gòu)框圖如下： 開始 初始化模塊 卡檢測模塊 卡校驗?zāi)K 讀寫模塊 返回 第 3章 軟件系統(tǒng)設(shè)計 21 圖 32 初始化模塊設(shè)計圖 卡 片 檢測 子程序設(shè)計 在初始化進行完成后就可以在上位機的程序控制下對射頻 IC 進行讀寫操作了，在整個讀寫過程中必不可少的需要進行卡片檢測，來確定卡片存在以及在多卡并存的情況下進行卡片的選擇。 Request std 指令的使用和 Request all 指令剛巧相反。 如果在卡的選擇階段，在天線磁場的有效范圍內(nèi)卡的數(shù)量超過 1 張，就將產(chǎn)生卡辨識的沖突問題。 在讀卡器接收到 IC 卡返回數(shù)據(jù)以后對卡進行選取，在多卡的情況下，其過程為 ISO/IEC14443 TYPE A 協(xié)議中的 ANTICOLLION 命令。讀卡器收到 RB 后，向 IC 卡發(fā)送一個令牌數(shù)據(jù) TOKEN AB，其中包含了讀卡器發(fā)出的一個隨機數(shù)據(jù) RA。反之，如果認證過程中的任何一個環(huán)節(jié)出錯，則整個認證過程終止，認證過程必須重新開始。了假冒真正的數(shù)據(jù)載體，竊聽無線電通信并重放數(shù)據(jù) (重放和欺詐 )。 圖 35 卡片讀寫子程序 上位機程序 上位機利用 進行編程，用 開發(fā)串行通訊程序普遍采用兩種方法：一種是利用 windows 的 API 函數(shù)；另一種是采用 VB 的通訊控件MSComm。比如：復(fù)制或改變數(shù)據(jù)，未經(jīng)授權(quán)地讀出數(shù)據(jù)載體。 MF RC500 認證程序步驟是固定的， 即采用 LoadKeyE2 或 LoadKey 命令將密鑰裝入密鑰緩沖區(qū)；采用 Authent1 命令，結(jié)束時檢測錯誤標(biāo)志以獲得該命令執(zhí)行的狀態(tài)，若所接收數(shù)據(jù)的最后一位為 000B，表示由 IC 卡讀入的該字節(jié)是正確的； 啟動 Authent2 命令， 結(jié)束時檢測錯誤標(biāo)志和 CryptolOn 標(biāo)志位，若 CryptolOn 標(biāo)志位為 1，說明認證成功；若為 0 則認證失敗。 三重認證就是讀卡器對 IC 卡的密碼認證。如果仍有沖突出現(xiàn)，重復(fù)以上步驟，直到?jīng)]有沖突出現(xiàn) (最大循環(huán)次數(shù)為 32)。 MFRC500 的某一指 令操作不是簡單的一條指令所能完成的，必須有一個程序的序列來完成，其中有對 MFRC500 硬件內(nèi)核寄存器的讀 /寫以及根據(jù)讀出的硬件內(nèi)核寄存器的內(nèi)容進行語言軟件上的判斷和設(shè)置。 Request all 指令是非連續(xù)性的讀卡指令，只讀一次。內(nèi)部時鐘定時器的設(shè)置控制 。 初始化就是對 MF RC500 的 32 個寄存器進行設(shè)置。每個命令 (StartUp 命令除外 )都可被微處理器通過寫入新命令所中斷。 對 MF RC500 的控制是通過設(shè)置和監(jiān)控寄存器的值來實現(xiàn)的。 為了實現(xiàn)射頻卡的讀寫編 程功能，隨機附有用于編寫程序的 Windows 動態(tài)連接庫，它提供了幾十個控制函數(shù)，可方便地用于編寫程序。在采用副載波進行負載調(diào)制時，需要經(jīng)過多重調(diào)制，在閱讀器中，同樣需要進行逐步多重解調(diào) 。當(dāng)一個標(biāo)簽進入休眠模式時 ， 讀卡器可以去讀取其它標(biāo)簽的數(shù)據(jù) ， 不會產(chǎn)生任何數(shù)據(jù)沖突。 RFID智能卡 內(nèi)部備有一個 154 位存儲器 ， 用以存儲數(shù)據(jù)。 綜合以上 考慮并參考相似的設(shè)計方案 [15]， 天線線圈匝數(shù)采用 3 圈 。 為了減少干擾 ,提供一個穩(wěn)定的參考電壓 ， 在 VMID 和地 TVSS 之間連接了一個 F 電容 ， 同時在 RX0 和 VMID 引腳間連接了一個 820Ω的電阻 R7 作為分壓器 。 將電容 C與天線線圈并聯(lián)或者串聯(lián)起來組成 LC 諧振電路 ,通過此諧振電路 ,閱讀燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 器可將能量傳輸至射頻卡 ,并與卡進行通信 .諧振電路的諧振頻率可調(diào)諧至閱讀器的工作頻率 13 . 56 MHz,其值由湯姆遜公式得出 ： F=1/2π(LC)1/2 從式中 可以看出 ,天線的頻率跟 LC 有關(guān)。 電源部分模塊設(shè)計原理圖如下： 第 2章 硬 件系統(tǒng)設(shè)計 13 圖 25 電源部分模塊原理圖 天線部分模塊 天線部分電路分為四個部分：低通濾波器 、 接收電路 、 天線匹配電路和天線 。 DP 和 DM 是另外的通信端口，分別的作用是輸入和輸出端口，分別接在插口的相應(yīng)的線上。 對于 原先 的 RS232傳輸制有許多繁瑣的控制以及交互都單獨用一根數(shù)據(jù)線， 雖然方便了各個單片機的簡單互聯(lián)，但是顯而易見的 這樣有很大一部分的資 源浪費 。數(shù)據(jù)的控制部分由單片機的 P3 組端口來完成，因為本身P3 端口就有特殊功能復(fù)用： 為單片機的讀標(biāo)志位，因此連接著 RC500的 RD 端口； 為單片機的些標(biāo)志位，因此連接 RC500 的 WR 端口； 鎖存的控制端口 ALE 同樣連接在 ALE 端口上，傳輸數(shù)據(jù)時可以不占用 I/O 口并且減少單片機在數(shù)據(jù)傳輸時不必要的功率輸出。 對于單片機的外圍電路的設(shè)計按照手冊進行補充。并采用了先進的加密技術(shù) ,能有力地保證產(chǎn)品的保密性。 射頻接口模塊原理圖如下： 圖 22 射頻接口模塊原理圖 單片機 控制 模塊 單片機模塊是整個讀卡器的一個控制核心，起到連接的作用， 對于第 2章 硬 件系統(tǒng)設(shè)計 9 RS232 模塊的信息進行提取，分析信息然后控制 RC500 模塊，對上位機的控制調(diào)整 RC500 的狀態(tài)。 RX 為天線的接收回路，在天線的中段連接，并與天線的整流電容相互連接用一個電容濾去直流分量以后與芯片的芯片的參考電壓輸出端 (VMID)電阻分壓后接入。 對此 RC500 的工作頻率在 的環(huán)境，因此為 RC500 匹配一個相適應(yīng)的時鐘晶振電路。并行微處理器接口帶有內(nèi)部地址鎖存和 IRQ 線 。 內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動近操作距離的天線可達 100mm。這是當(dāng)前射頻卡應(yīng)用設(shè)計的主要方法。第 2章 硬 件系統(tǒng)設(shè)計 5 第 2 章 硬件 系統(tǒng) 設(shè)計 硬件總體設(shè)計 根據(jù)本課題的要求， 非接觸式 IC 卡讀卡器的主要要實現(xiàn) 在上位機的操作控制下，對卡進行讀卡，寫卡，增值減值等操作。按照美國國防部的合同規(guī)定， 2021年 10 月 1日或者 2021 年 1 月 1 日以后，所有軍需用品都要使用射頻標(biāo)簽；美國食品和藥物管理局建議制藥商從 2021 年起利用 RFID 跟蹤最易造假的藥品；美國社會安全局于 2021 年年初正是 使用 RFID 技術(shù)追蹤各種表格和手冊。目前 國產(chǎn)核心芯片，電子標(biāo)簽芯片也出現(xiàn)在了市場上與國外巨頭爭奪市場。設(shè)計出一種能讀取多種類型卡片的讀卡器，既是市場應(yīng)用的需求，也是未來的發(fā)展趨勢。1976 年法國布爾 (Bull)公司研制出世界第一枚 IC 卡 [89]。 RFID 技術(shù)具有條形碼所不具備的很多優(yōu)點： 存儲信息可更新，作用不局限于視野之內(nèi)，保密性高、防水防磁耐高溫，使用壽命長