【文章內(nèi)容簡介】 ，由于讀卡器可以置于障礙物的后面而不影響它與卡的通訊，可以防止在接觸式 IC 卡的使用中對讀卡器進(jìn)行惡意破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。 高安全性 :非接觸式 IC 卡的序列號是唯一的，制造商在產(chǎn)品出廠前將此序列號固化于卡內(nèi)芯片中，不可再更改，使用時非接觸式 IC 卡與讀卡器要進(jìn)行三次相互認(rèn)證，而且通訊過程中所有的數(shù)據(jù)都加密，卡內(nèi)各個扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件。 (3)非接觸式 IC 卡的功能 組成 本課題采用的非接觸式 IC 卡是 PhiliPs 公司 Miarfe Classic 非接觸式 IC 卡系列的 Miarfe Stnadadr 產(chǎn)品。非接觸式 IC 卡的功能組成如圖 所示 : 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書 6 圖 非接觸式 IC 卡的功能組成 整個卡片包含了兩個部分，射頻接口電路和數(shù)字電路部分 : 射頻接口電路 ,在射頻接口電路中，波形轉(zhuǎn)換模塊接收讀卡器上的 的無線電調(diào)制頻率，一方面送調(diào)制解調(diào)模塊，另一方面進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然后對其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊 對電壓進(jìn)行進(jìn)一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出供給卡片上的各電路。 EEPROM 存儲器及其接口電路 :該單元主要用于存儲數(shù)據(jù)。 EEPROM 中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后 (卡片離開讀卡器天線的有效工作范圍內(nèi) )仍將被保持。用戶所要存儲的數(shù)據(jù)被存放在該單元中。卡片中這一單元容量為 IK 字節(jié)，分為 16 個扇區(qū)。 數(shù)字電路部分 ,ATR 請求模塊 :當(dāng)一張卡片處在讀卡器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 模塊將啟動，將卡片中的卡片類型號共 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)。如果不進(jìn)行第一步的 ATR 工作，讀卡器對卡片的其他操作 (讀、寫等操作 )將不會進(jìn)行。 AntiColision 防重疊模塊 :防 (卡片 )重疊功能，如果有多張卡片處在讀卡器的天線的工作范圍之內(nèi)時， AntiColision 模塊的防重疊功能將被啟動工作。在程序員控制下的讀卡器將會首先與每一張卡片進(jìn)行通信，取得每一張卡片的系列號。由于每一張卡片都有其唯一的序列號，因此讀卡器根據(jù)卡片的序列號來識別已選的卡片，讀卡器中 MFRCSOO 芯片的 AntiColisoin 防重疊功能配合卡片上的防重疊功能模塊，由程序員來控制讀卡器，根據(jù)卡片的序列號來選定一張卡片。被選中的卡片將直接與讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，未被選擇的卡片處于等待狀態(tài)，隨時準(zhǔn)備與讀卡器進(jìn)行通信。 AntiColision 模塊 (防重疊功能 )啟動工作時，讀卡器將得到卡片的序列號，共有 5 個字節(jié)，實(shí)際有用的為 4 個字節(jié)，另一個字節(jié)為序列號的校驗(yàn)字節(jié)。 選擇模塊 :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，想要對卡片進(jìn)一步操作時，必須先對卡片進(jìn)行“選擇”操作，以使卡片真正地被選中。被射頻接口電路 數(shù)字電路部分 Clock Data d 波形轉(zhuǎn)換 選擇模塊 整流 電壓調(diào)節(jié) EEPROM 數(shù)據(jù)加密單 ROM 認(rèn)證模塊 RAM 接口 ATR 請求模塊 存儲器 調(diào)制解調(diào) 控制算術(shù)單元 控制算術(shù)單元 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書 7 選中的卡片將存儲在卡片上的卡片的容量傳送給讀卡器。當(dāng)讀卡器收到信息 后，就可以對卡片進(jìn)行深一步的操作了。 認(rèn)證模塊 :在確認(rèn)了上述的三個步驟，確認(rèn)己經(jīng)選擇了一張卡片時，程序員對卡片進(jìn)行讀寫操作之前，必須對卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證，如果匹配，則允許進(jìn)一步的讀、寫操作?？ㄆ嫌?16 個扇區(qū)，每個扇區(qū)都可分別設(shè)置各自的密碼，互不干涉。因此每個扇區(qū)可獨(dú)立地應(yīng)用于一個應(yīng)用場合。整個卡片可以設(shè)計成“一卡通”形式來應(yīng)用。三遍認(rèn)證的令牌原理框圖如圖 。 圖 三遍認(rèn)證的令牌原理框圖 圖中的 A 環(huán)表示由卡片向讀卡器發(fā)送一個隨機(jī)數(shù) 據(jù) RB。B 環(huán)表示由讀卡器收到 RB 后向卡片發(fā)送一個令牌數(shù)據(jù) TOKENAB，其中包含了讀卡器發(fā)出的一個隨機(jī)數(shù)據(jù) RA。C 環(huán)表示卡片收到 TOKENAB 后，對 TOKENAB 的加密的部分進(jìn)行解密，并校驗(yàn)第一次由 A 環(huán)中卡片發(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)表示如果 C 環(huán)校驗(yàn)是正確的，則卡片向讀卡器發(fā)送令牌 TOKENBA 給讀卡器 。E 環(huán)表示讀卡器收到令牌 TOKENBA 后，讀卡器將對令牌 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)中讀卡器發(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。如果上述的每一個環(huán)都為“真”，都能正確通過驗(yàn)證，則整個的認(rèn)證過程將成功，讀卡器將能對剛剛認(rèn)證通過的卡片上的這個扇區(qū)進(jìn)行下一步的操作?？ㄆ械钠渌葏^(qū)由于有其各自的密碼，因此不能對其進(jìn)行進(jìn)一步的操作。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。認(rèn)證過程中的任何一環(huán)出現(xiàn)差錯，整個認(rèn)證將告失敗，必須從新開始。上述的敘述已經(jīng)可以充分地說明了 Miarfe 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。 控制及算術(shù)運(yùn)算單元 :這一單元是整個卡片的控制中心。它主要進(jìn)行對整個卡片 的各個單位進(jìn)行微操作控制，協(xié)調(diào)卡片的各個步驟 。同時它還對各種收 /發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算處理，遞增、遞減處理， CRC 運(yùn)算處理等等，是卡片中內(nèi)建的MCU 單元。 RAM 和 ROM 單元 :RAM 主要配合控制及算術(shù)運(yùn)算單元，將運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行A 環(huán) RB B 環(huán) TOKEN AB 非接觸式 讀卡器 C環(huán) E 環(huán) D 環(huán) TOKEN BA Mifare 卡片 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書 8 暫時存儲，如果某些數(shù)據(jù)需要存儲到 EEPROM，則由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出送到 EEPROM 存儲器中 。如果某些數(shù)據(jù)需要傳送給讀卡器，則由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出，經(jīng)過盯射頻接口電路的處理，通過卡片上的天線傳送給卡片讀卡器。 RAM中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后 (卡片離開讀卡器天線的有效工作范圍內(nèi) )將被 清除。同時， ROM 中還固化了卡片運(yùn)行所需要的必要的程序指令，由控制及算術(shù)運(yùn)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。 數(shù)據(jù)加密單元 :該單元完成對數(shù)據(jù)的加密處理及密碼保護(hù)。 (4)IC 卡的存儲結(jié)構(gòu) Miafir 卡分為 16 個扇區(qū)，每個扇區(qū)由 4 塊 (塊 0、塊 l、塊 塊 3)組成，我們也將 16 個扇區(qū)的 64 個塊按絕對地址編號為 0 一 63，存儲結(jié)構(gòu)如下表 所示 : 表 存儲結(jié)構(gòu) 扇區(qū)號 塊號 扇區(qū) 0 塊 0 密碼 A 存取控制 密碼B 數(shù)據(jù)快 0 塊 1 密碼 A 存取控制 密 碼B 密碼 B 1 塊 2 密碼 A 存取控制 密碼B 密碼 B 2 塊 3 密碼 A 存取控制 密碼B 密碼 B 3 扇區(qū) 1 塊 0 密碼 A 存取控制 密碼B 數(shù)據(jù)快 4 塊 1 密碼 A 存取控制 密碼B 密碼 B 5 塊 2 密碼 A 存取控制 密碼B 密碼 B 6 塊 3 密碼 A 存取控制 密碼B 密碼 B 7 … .. …… …… …… …… …… 塊 0 密碼 A 存取控制 密碼B 數(shù)據(jù)快 60 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書 9 扇區(qū) 15 塊 1 密碼 A 存取控制 密碼B 密碼 B 61 塊 2 密碼 A 存取控制 密碼B 密碼 B 62 塊 3 密碼 A 存取控制 密碼B 密碼 B 63 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。每個扇區(qū)的塊 0、塊 塊 2 為數(shù)據(jù)塊，可用于存儲數(shù)據(jù)。每個扇區(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 個字節(jié)，共 32 位，扇區(qū)中的每個塊(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，在存取控制中每個塊都有相應(yīng)的三個控制位，三個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 )。 (5)非接觸式 IC 卡的國際標(biāo)準(zhǔn) 非接觸式 IC 卡表面無觸點(diǎn)，因此接口設(shè)備與通信方式和接觸式卡不同，提供電源的方式也不同，為此 SIO/EIC 根據(jù)接口設(shè)備與 IC 卡作用距離的不同而定義了三個國際標(biāo)準(zhǔn)，如表 2， 2 所示 : 表 卡作用距離的國際標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn) 卡類型 作用距離（約） ISO/IEC10536 密耦合 010mm ISO/IEC14443 近耦合 0100mm ISO/IEC15693 疏耦合 0100mm 其中 IOS/ICE 14443 又分為 TypeA 和 TypeB 兩個標(biāo)準(zhǔn)。本課題開發(fā)的非接觸式 IC 卡讀卡器是基于 IOS/ICE14443TypeA 標(biāo)準(zhǔn)的。 非接觸式 IC 卡的技術(shù)基礎(chǔ) 射頻識別技術(shù)是非接觸式智能卡系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是在射頻技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上于 20 世紀(jì) 80 年代中期問世的。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。與傳統(tǒng)的條碼或磁條識別技術(shù)相比，射頻識別技術(shù)具有非接觸、作用距離遠(yuǎn)、精度高、信息的收集和處理快捷等一系列的優(yōu)點(diǎn)， 在工業(yè)自動化、商品控制、交通運(yùn)輸控管等眾多領(lǐng)域 得到廣泛的發(fā)展 。 射 頻 識 別 技 術(shù) 是 自 動 識 別 技 術(shù) 中 的 一 種 。 自 動 識 別 技 術(shù)蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書 10 (AutomatciEuqipmdIifiaction，簡稱 AEI)是目前國際上發(fā)展很快的一項(xiàng)新技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的基本思想是通過采用一些先進(jìn)的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)人們對各類物體或設(shè)備 (人員、物品 )在不同狀態(tài) (移動、靜止或惡劣環(huán)境 )下的自動識別和管理。 目前應(yīng)用最廣泛的自動識別技術(shù)大致可以分為兩個方面 :光學(xué)技術(shù)和無線電技術(shù)兩方面。其中光學(xué)技術(shù)中普遍應(yīng)用的產(chǎn)品有條形碼和攝像兩大類。這兩類產(chǎn)品目前己廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中，并已為人們所熟知。 比如，條形碼用于商品管理，攝像用于抓拍違章車輛等。無線電技術(shù)在自動識別領(lǐng)域應(yīng)用中更具體的技術(shù)名稱為射頻識別。射頻識別系統(tǒng)的組成一般至少包括兩個部分，一部分是電子標(biāo)簽 (Tag)，另一部分是閱讀器 (Raeder)。電子標(biāo)簽中一般保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中，電子標(biāo)簽附著在待識別物體的表面。閱讀器又稱為讀寫裝置，可無接觸地讀取并識別電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動識別物體的目的，進(jìn)一步通過計算機(jī)及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。 依據(jù)射頻識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)的射頻卡系統(tǒng)，可 按照以下 5 種方式分類 ： (1)根據(jù)整個系統(tǒng)工作頻率的不同可分為高頻、中頻及低頻系統(tǒng) 。 (2)根據(jù)射頻卡工作方式的不同可分成三種 :可讀寫卡 (RW)、一次寫入多次讀出 (WORM)和只讀卡 (RO)系統(tǒng) 。 (3)根據(jù)射頻卡供電方式可分為有源卡系統(tǒng)及無源卡系統(tǒng) 。 (4)根據(jù)調(diào)制方式的不同可分為主動式和被動式系統(tǒng) 。 (5)根據(jù)讀取卡片數(shù)據(jù)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段，可將其分為廣播發(fā)射式、倍頻式和反射調(diào)制式三大不同系統(tǒng)。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書 11 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 讀卡器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 非接觸式 IC 卡讀卡器硬件電路包括以 下幾個部分：微控制器、 Mifare 讀寫芯片、 液晶顯示模塊，鍵盤模塊，時鐘電路， 天線匹配電路、天線、 RS232通信電路和蜂鳴器驅(qū)動電路等。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。 讀卡器主控模塊設(shè)計 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)時應(yīng)考慮以下幾個問題：系統(tǒng)時鐘頻率、計算速度、處理能力、兼容性、系統(tǒng)整體設(shè)計等。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)市場上的單片機(jī)的性能、價格、應(yīng)用領(lǐng)域的不同，加之綜合考慮諸如單片機(jī)程序存儲器的容量、外部中斷及定時中斷功能、開發(fā)工具的費(fèi)用等因素，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 )。這里還是對其做一個全面的介紹，以便為后面的設(shè)計奠定良好的基礎(chǔ)。 AT89C51 是美國 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)擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性