【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 寫器發(fā)出的一個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù) RA。 C 環(huán)： Mifare0ne 卡片收到 TOKENAB 后，對(duì) ToKENAB 的加密的部分進(jìn)行解密，并校驗(yàn)第一次由 (A)環(huán)中 Mifare0ne 卡片發(fā)出去的隨機(jī)數(shù) RB 是否與（ B)環(huán)中接收到的 TOKENAB 中的 RB 相一致； D 環(huán) :如果 (C)環(huán)校驗(yàn)是正確的，則 MifareOne 卡片向讀寫器發(fā)送令牌 TOKENBA 給讀寫器； E 環(huán)：讀寫器收到令牌 TOKENBA 后，讀寫器將對(duì)令牌 TOKENBA 中的 RB(隨機(jī)數(shù) )進(jìn)行解密；并校驗(yàn)第一次由 (B)環(huán)中讀寫器 發(fā)出去的隨機(jī)數(shù) RA 是否與 (D)環(huán)中接收到的 ToKENBA 中的 RA 相一致； 如果上述的每一個(gè)環(huán)都為“真”，都能正確通過(guò)驗(yàn)證，則整個(gè)的認(rèn)證過(guò)程將成功。 讀寫器將能對(duì)剛剛認(rèn)證通過(guò)的卡片上的這個(gè)扇區(qū)可以進(jìn)入下一步的操作 (R臥 D／ wRITE 等操作 )?？ㄆ械钠渌葏^(qū)由于有其各自的密碼，因此不能對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的操作。如想對(duì)其他扇區(qū)進(jìn)行操作，必須完成上述的認(rèn)證過(guò)程。認(rèn)證過(guò)程中的任何一環(huán)出現(xiàn)差錯(cuò)，整個(gè)認(rèn)證將告失敗。必須從新開(kāi)始。 ⑷ IC 卡的主要指標(biāo)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) ① 主要 指標(biāo) [4] ? 容量為 8K 位 EEPROM ? 分為 16 個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為 4 塊，每塊 16 個(gè)字節(jié) ,以塊為存取單位 ? 每個(gè)扇區(qū)有獨(dú)立的一組密碼及訪問(wèn)控制 ? 每張卡有唯一序列號(hào)，為 32 位 ? 具有防沖突機(jī)制，支持多卡操作 非接觸式 IC卡讀卡器 Mifare1 卡片 (A) RB (B)TOKEYAB (D)TOKEYABY (C) (E) ? 無(wú)電源，自帶天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通訊邏輯電路 ? 數(shù)據(jù)保存期為 10 年，可改寫 10 萬(wàn)次，讀無(wú)限次 ? 工作溫度： 20℃ ~50℃ (濕度為 90%) ? 工作頻率： ? 通信速率： 106 KBPS ? 讀寫距離： 10 cm 以內(nèi)（與讀寫器有關(guān)） ② 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) Mifair 卡分為 16 個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)由 4 塊 (塊 0、塊 塊 塊 3)組成，我們也將 16 個(gè)扇區(qū)的 64 個(gè)塊按絕對(duì)地址編號(hào)為 O 一 63，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下表： 第 0 扇區(qū)的塊 0 用于存放廠商代碼，己經(jīng)固化，不可更改。每個(gè)扇區(qū)的塊 0、塊 塊 2 為數(shù)據(jù)塊，可用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。每個(gè)扇區(qū)的塊 3 為控制塊，包括了密碼A、存取控制、密碼 B；每個(gè)扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨(dú)立的，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定各自的密碼及存取控制。存取控制為 4 個(gè)字節(jié)，共 32 位，扇區(qū)中的每個(gè)塊 (包括數(shù)據(jù)塊和控制塊 )的存取條件是由密碼和存取控制共同決定的，在存取控制中每個(gè)塊都有相應(yīng)的三個(gè)控制位，三個(gè)控制位以正和反兩種形式存在于存取控制字節(jié)中，決定了該塊的訪問(wèn)權(quán)限 (如進(jìn)行減值操作必須驗(yàn)證 KEYA，進(jìn)行加值操作必須驗(yàn)證 KEYB，等等 )。 IC 卡門禁系統(tǒng)涉及的主要技術(shù) 隨著非接觸式 IC 卡的應(yīng)用越來(lái)越普遍，它的應(yīng)用逐漸滲透到金融、通訊、安全控制等許多重要領(lǐng)域，其安全性和保密性的特點(diǎn)受到了人們的高度關(guān)注。如今如何有效防止各種可能的攻擊和欺詐，成為非接觸 Ic 卡實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要課題。為了確保讀卡器和 Ic 卡之間通信的完整、可靠和快速，主要采取了9 以下技術(shù)，一是采 用射頻識(shí)別技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)以確保通信時(shí)數(shù)據(jù)的可靠和完整性；二是采用 IC 卡技術(shù)和快速防沖突機(jī)制，防止通信時(shí)卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，以提高應(yīng)用的并行性。 非接觸式智能卡系統(tǒng)是一個(gè)典型的跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域，一個(gè)多技術(shù)融合的系統(tǒng)。 自動(dòng) 識(shí)別技術(shù) 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)就是應(yīng)用一定的識(shí)別裝置，通過(guò)被識(shí)別物品和識(shí)別裝置之間的接近活動(dòng)自動(dòng)地獲取被識(shí)別物品的相關(guān)信息并提供給后臺(tái)的計(jì)算機(jī)處理來(lái)完成相關(guān)后續(xù)處理的一種技術(shù)。自動(dòng)識(shí)別技術(shù)足以計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)的綜合性科學(xué)技術(shù)，它是信息數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)讀、自動(dòng)輸入計(jì)算機(jī)的 重要方法和手段。 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)近幾十年來(lái)在全球范圍內(nèi)得到了迅猛發(fā)展，初步形成了一個(gè)包括條碼技術(shù)、磁條磁卡技術(shù)、 Ic 卡技術(shù)、光學(xué)字符識(shí)別技術(shù)、射頻技術(shù)、聲音識(shí)別及視覺(jué)識(shí)別等集計(jì)算機(jī)、光、磁：物理、機(jī)電、通信技術(shù)為體的高赫技術(shù)學(xué)科。完整的自動(dòng)識(shí)別計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)包括自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) (AIDs)、應(yīng)用程序接口(API)、中間件、應(yīng)用系統(tǒng)軟件。 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)根據(jù)識(shí)別對(duì)象的特征可以分為兩大類，分別是數(shù)據(jù)采集技術(shù)和特征提取技術(shù)。數(shù)據(jù)采集技術(shù)的基礎(chǔ)特征需要被識(shí)別物體具肯特定的識(shí)別特征載體；而特征提取技術(shù)則根據(jù)被識(shí)別物體本身的行 為特征來(lái)完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)包括： (1)條碼技術(shù)； (2)光學(xué)字符識(shí)別； (3)磁條 (卡 )技術(shù)； (4)IC 卡識(shí)別技術(shù) (5)聲音識(shí)別技術(shù) (6)視覺(jué)識(shí)別 (7)射頻識(shí)別技術(shù) (RFID)： 射頻識(shí)別技術(shù)（ Radio FrequencyIdentification，縮寫 RFID）是 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合 (交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng) )實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。從信息傳遞的基本原理來(lái)說(shuō)，射頻識(shí)別技術(shù)在低頻段基于變壓器 耦合模型 (初級(jí)與次級(jí)之間的能量傳遞及信號(hào)傳遞 )，在高頻段基于雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的空間耦合模型 (雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī) )。本設(shè)計(jì)主要涉及到射頻識(shí)別技術(shù)。 密碼技術(shù) [5] 隨著 IC 卡應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，針對(duì) IC 卡的各種攻擊也不斷增多，因此 Ic卡的安全和保密性顯得日益重要，現(xiàn)在己經(jīng)成為 Ic 卡技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。 通訊安全和保密通信安全與保密是為了達(dá)到 IC 卡與讀寫設(shè)備進(jìn)行信息交換過(guò)程中的有效與合法。具體而言，也就是要求相互傳送的信息具有完整性、真實(shí)性、有效性、保密性和不可否認(rèn) 性。完整性是指 IC 卡與讀寫設(shè)備必須能檢測(cè)出在它們之間交換的信息是否己經(jīng)被修改，判斷出相互交換的信息是否合法，對(duì)于完整性的保證，一般是在所交換的信息內(nèi)添加一段報(bào)文鑒別碼 (MAC)。真實(shí)性是指 IC 卡和讀寫設(shè)備都必須有一種確證能力，能夠確證它們各自所收到的信息都由真實(shí)對(duì)方發(fā)出，自己發(fā)出的信息也確實(shí)被真實(shí)對(duì)方接收。有效性是指 Ic 卡和讀寫設(shè)備能區(qū)別當(dāng)前有效合法的信息與前次有效的信息；對(duì)于有效性的保證一般是在通信信息內(nèi)添加加密后的時(shí)間段信息。保密性是指通過(guò)對(duì)要交換的信息進(jìn)行加密處理來(lái)防止非授權(quán)者讀到真實(shí)的明文內(nèi)容。不可 否認(rèn)性是指發(fā)方和收方不可否認(rèn)信息的發(fā)出和收到。 使用密碼進(jìn)行通信的一般模型如圖 ：其中要被加密的原文稱為明文，加密過(guò)程的輸出稱為密文，密文通過(guò)傳輸信道傳輸?shù)浇邮斩耍缓笸ㄟ^(guò)解密過(guò)程將明文還原?？梢?jiàn)，數(shù)據(jù)的加密和解密的過(guò)程實(shí)際上就是通過(guò)一定的算法將信息加以偽裝和解除偽裝的過(guò)程。 圖 密碼通信的一般模型 完成加密和解密的算法稱為密碼體制。密碼體制的分類有很多種。按照加密密鑰和解密密鑰是否相同，分為對(duì)稱密鑰密碼體制 (秘密密鑰體制 )和非對(duì)稱密 鑰密碼體制 (公開(kāi)密鑰體制 )。 信源 加密編輯器 解密譯碼器 接收者 密碼分析者 密鑰源 密文 明文 明文 加密密鑰 公開(kāi) 信道 秘密 信道 解密密鑰 11 3 非接觸式 IC 卡讀卡器的硬件設(shè)計(jì) IC 卡讀卡器 整體模塊 非接觸式 IC 卡讀卡器硬件電路包括以下幾個(gè)部分：微控制器、 Mifare 讀卡芯片、天線匹配電路、天線、 RS232 通信電路和蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路等 。 微控制器是讀卡器的主控模塊， Mifare 芯片是讀卡器的射頻模塊，天線模塊由天線耦合電路和天線組成，通信模塊由 RS232 接口電路組成。 非接觸式 IC 卡讀卡器主控模塊設(shè)計(jì) 本課題的讀卡器主控模塊由單片機(jī)及其外圍電路組成。選擇單片機(jī)時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：系統(tǒng)時(shí)鐘 頻率、計(jì)算速度、處理能力、兼容性、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)等。就本系統(tǒng)而言，還要考慮到系統(tǒng)的通信速度和通信方法 (包括與 PC 機(jī)通信以及與射頻模塊通信 )，存儲(chǔ)器空間的大小。這里的中央主控制模塊采用 8 位單片機(jī)即可以達(dá)到要求。根據(jù)市場(chǎng)上的單片機(jī)的性能、價(jià)格、應(yīng)用領(lǐng)域的不同，加之綜合考慮諸如單片機(jī)程序存儲(chǔ)器的容量、外部中斷及定時(shí)中斷功能、開(kāi)發(fā)工具的費(fèi)用等因素，從市場(chǎng)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 )。考慮本讀卡器的程序量不大，接口比較直觀，因而不用再擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器 ，下面 簡(jiǎn)單的介紹一下 AT89C51。 ⑴ AT89C51 的功能特性描述 [6] AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4kbytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS． 5l 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位央處理器 (CPU)和 Flash 存儲(chǔ)單元。 AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 32 個(gè) I／ O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量級(jí)中斷結(jié)構(gòu) ，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， AT89C5l 可降至 OHz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPu 的工作，但允許 RAM，定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 的內(nèi)容，但振蕩器停工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 ⑵ AT89C51 電路連接圖如圖 所示： AT89C51 的 PO 口作為地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口，與 RC500 芯片的數(shù)據(jù)總線相連。 P3 口的一部分線與 RC500 芯片的控制總線相連，一部分與串行接口 芯片RS232 相連。 圖 單片機(jī)電路連接圖 IC 卡讀卡器通信模塊設(shè)計(jì) 讀卡器用串行接口芯片 MAX232 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的 DB9 直接與 PC 機(jī)相連。 MAX232是 MAXIM 公司生產(chǎn)的專用串行接口芯片，包括 2 路接收器和驅(qū)動(dòng)器，我們只用其中一路收發(fā)器。芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器可把輸入的 +5V 電源電壓變換為 RS232 輸出電平所需的177。 10V 電壓 (負(fù)邏輯 )。所以使用此接口芯片的串行通信系統(tǒng)只需單一的 +5V 電源。 在本設(shè)計(jì)中硬件上采用 3 線制 (RXD、 TXD、 GND)軟握手的零 MoDEM 方式，即將 PC 機(jī)和單 片機(jī)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)直接相連，而其它信號(hào)線如握手信號(hào)線均不用，而采用軟件握手，這樣即可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)又可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本。 MAX232 的電路連 接 圖[7]如圖 3． 3 所示： 圖 電路連接圖 注：系統(tǒng)通信時(shí)采用的參數(shù)如下：波特率為 9600， 8 位數(shù)據(jù)，一位停止位，13 無(wú)奇偶校驗(yàn)位。 IC 卡讀卡器天線設(shè)計(jì) 電感藕合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫器天線用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向非接觸式 IC 卡提供電源并在讀卡器與非接觸式 Ic 卡之間 傳輸信息。因此，對(duì)讀卡器天線的構(gòu)造就有三個(gè)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(wú)失真地傳送用數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號(hào)。 品質(zhì)因數(shù) Q 和諧振頻率是電感藕合式射頻識(shí)別系統(tǒng)讀卡器天線的特征值，由于品質(zhì)因數(shù) Q 會(huì)影響天線讀寫距離，所以是天線設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，它可以通過(guò)電感線圈的電抗與電阻 的比值計(jì)算出來(lái) 較高的品質(zhì)因數(shù)，會(huì)得到較高的讀卡器天線電壓，其中可增加應(yīng)答器即 IC 卡的能量傳輸。與之相反，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù) Q 值成 反比。選擇的品質(zhì)因數(shù)過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致帶寬縮小，從而明顯地減弱應(yīng)答器接收到的調(diào)制邊帶。此外，由于 Mifare 卡是無(wú)源非接觸式 Ic卡，其能量是通過(guò)天線感應(yīng)來(lái)的。而且由于受到卡形狀的限制，卡中不可能封裝很大的天線，使得接收的能量較小，從而決定了讀卡器天線讀寫距離很短，一般在 100mm 以內(nèi)。 ⑴ 天線大小和讀寫距離 由于 MFRC500 是低功耗設(shè)計(jì)，因此卡和天線之間的耦合系數(shù)必須滿足一定的值，卡和天線之間的耦合系數(shù)不能低于 。天線一般設(shè)計(jì)為三圈，可以設(shè)計(jì)為圓形或者方形天線。天線的直徑必須介 于 ～ 之間。表 3． 1 給出了卡和天線的耦合系數(shù)為 0t3 時(shí)的天線大小和讀寫距離關(guān)系： 表 天線大小與讀寫距離關(guān)系表 [8] 50╳ 50 7 65╳ 54 10 85╳ 54 12 85╳ 85 8 9