【文章內(nèi)容簡介】 心 計 算 機門 禁 控 制 器M C U天線通 信 模 塊收發(fā)模塊I C卡電 控 鎖門 禁 控 制 器電 源 圖 31 門禁系統(tǒng)硬件設(shè)計總框圖 門禁控制器和 IC 卡之間采用的是雙向無線通信， IC 卡通過 LF 接收模塊接收門禁控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)信號，門禁控制器則通過收發(fā)模塊接收 IC 卡發(fā)送的數(shù)據(jù)信號，采用雙向通信可以降低系統(tǒng)功耗，另外上位機與門禁控制器之間采用 RS232 總線進行數(shù)據(jù)傳輸 。 IC 卡的選取 非接觸式 IC卡又叫射頻卡，是 90 年代初發(fā)展起來的新技術(shù)。射頻卡由感應(yīng)天線、控制芯片、存儲單元組成，并完全密封在一個標(biāo)準(zhǔn) PVC 卡片中，無外露部分。射頻卡本身是無源體，當(dāng)射頻卡進入讀卡器的讀寫范圍，讀寫器發(fā)出的射頻信號被卡片所接收。射頻信號由兩部分信號疊加組成：一部分是電源信號，當(dāng)卡接收后，送入卡內(nèi)的LC 諧振電路，為芯片工作提供工作電壓；另一部分則經(jīng)解調(diào)后，控制芯片完成密碼 驗證、數(shù)據(jù)的讀取、修改、存儲等，并返回給讀寫器。 射頻卡成功地將射頻識別技術(shù)和 IC 卡技術(shù)結(jié)合起來，解決了無源和免接觸的難題；射頻卡無需專門的供電電源，它與讀寫器間無機 械接觸，避免了接觸故障。它的表面無裸露芯片，可防水，且不易產(chǎn)生靜電擊穿及彎曲損壞等問題；射頻卡使用時沒有正反面，而且射頻卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特點，由射頻卡所形成的讀寫系統(tǒng)比接觸式 IC 卡構(gòu)成的讀寫系統(tǒng)，從硬件結(jié)構(gòu)上和軟件操作控制流程都有了很大的簡化 和改進，并且可借助于智能管理軟件和網(wǎng)絡(luò)支持，在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用 [15， 16]。 Mifare1 卡簡介 本設(shè)計采用的是 Mifarel 射頻卡，其核心是 Philips 公司的 Mifare1ICS50 系列微芯片。 卡片上無源，工作時的電源能量由卡片 讀寫器天線發(fā)送無線電載波信號耦合到卡片上天線而產(chǎn)生電能，一般可達 2V 以上，供卡片工作。工作頻率 。Mifare1 射頻卡所具有的獨特的 Mifare RF(射頻 )非接觸式接口標(biāo)準(zhǔn)已被制定為國際標(biāo)準(zhǔn)： ISO/IEC 14443 TYPEA 標(biāo)準(zhǔn)。 Mifare1 芯片內(nèi)建有高速的 CMOS EEPROM、 MCU 等。卡片上只有 IC微晶片及一副高效率天線。 Mifare1 IC 射頻卡上具有先進的數(shù)據(jù)通信加密和雙向驗證密碼系統(tǒng)，具有唯一的射頻卡系列號，且具有防重疊功能，當(dāng)在射頻卡讀寫設(shè)備天線有效工作范圍內(nèi)出現(xiàn)重疊 的多張射頻卡，讀寫設(shè)備能夠通過防重疊功能在同一時間內(nèi)實現(xiàn)多張卡片的識別。 射頻卡與讀寫設(shè)備通信協(xié)議屬于握手式半雙工方式，射頻卡上有高速的 CRC協(xié)議處理器，符合 CCITT 標(biāo)準(zhǔn)。 Mifare1 射頻卡上內(nèi)建有 5K bit 存儲容量的 EEPROM，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)有多種密碼管理方式。 Mifare1 射頻卡上還內(nèi)建了專項數(shù)學(xué)運算電路，實現(xiàn)增值、減值的邏輯運算功能，典型的操作時間最長不超過 100ms,其中包括射頻卡的認(rèn)證， 6 個扇區(qū)的讀操作(768bit， 2個扇區(qū)的認(rèn)證 )， 2 個扇區(qū) 的寫操作 (256bit)。 Mifare1 射頻卡上的 EEPROM可擦寫次數(shù)超過 10 萬次以上，數(shù)據(jù)保存期可達 10 年以上，且射頻卡抗靜電保護能力達 2KV 以上 [17]。 Mifare1 射頻卡功能組成 首先，我們把一張卡片的 PVC膜剝開，看看其內(nèi)部是什么樣的，如圖 32所示。 圖 32 卡片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 從上圖可以看到，一張卡片里面實際上封裝了一個天線線圈和一個 IC 芯片，這個芯片正是我們下面要詳述的 Mifare 1 S50 智能卡芯片。 Mifare 1 卡芯片的內(nèi)部功能組成框圖 如圖 33 所示。 M I F A R E 1 卡射 頻 接 口 電 路波 形 轉(zhuǎn) 換調(diào) 制 解 調(diào)電 壓 調(diào) 節(jié)P O R 復(fù)位整 流A T RA n t i c o l l i s i o nS e l e c t A p p l i c a t i o nA u t h e n t i c a t i o n amp。 A c c e s s C o n t r o lC o n t r o l amp。 A r i t h m e t i c U n i tR A MR O MC r y p t o U n i t 圖 33 Mifare1 S50 非接觸式 IC卡的功能組成框圖 整個卡片包含兩部分： RF 射頻接口電路和數(shù)字電路部分。 RF 射頻接口電路 在 RF 射頻接口電路中，主要包括有波形轉(zhuǎn)換模塊。其主要功能是接受讀寫器所發(fā)送的頻率為 的無線電調(diào)制電波，一路送入調(diào)制 /解調(diào)模塊，一路進行波形轉(zhuǎn)換，為卡片提供工作電壓。首先把接收到的正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然后對其整流濾波，最后通過電壓調(diào)節(jié)模塊對電 壓進行穩(wěn)壓等進一步的處理，最終輸出供給卡片上的各電路。 POR 模塊主要是對卡片上的各個電路進行 POWERONRESET(上電復(fù)位 )，使各電路同步啟動工作。 數(shù)字電路部分 Mifare1 非接觸式 IC 卡的數(shù)字電路部分主要有以下幾個部分組成：應(yīng)答請求模塊 (Answer to Request)、防沖突模塊 (Anti collision)、選擇確認(rèn)模塊 (Select Application)、認(rèn)證及存取控制模塊 (Authentication amp。 Access Control)、控制及算數(shù)運算單元 (Controlamp。 Arithmetic Unit)等七個模塊。射頻卡通過這七個模塊具體完成對處在射頻卡讀寫設(shè)備天線工作范圍之內(nèi)的 Mifare1 卡，進行初步選擇、確認(rèn)選擇： (1) ATR 模塊 Answer to Request(“請求之應(yīng)答” )。當(dāng)讀卡器檢測到其天線工作范圍有 Mifare 1卡片存在時，讀寫器通過向卡片發(fā)出 Request All(或 Request Std)命令后來啟動請求應(yīng)答模塊，傳送卡片 Block0 中的卡片類型 (Tag tyPe)號共 2個字節(jié)的信息給讀寫器，完成卡片與讀寫器的建立通信聯(lián)絡(luò)的 第一步?？ㄆ念愋? (TagType)號共 2個字節(jié)，可能為 :0004H，即代表該卡片類型為 Mifare l系列內(nèi)核。 (2) Anti Colision 模塊 防止 (卡片 )重疊功能。當(dāng) IC 卡讀寫器天線的工作范圍之內(nèi)出現(xiàn)多張 Mifare l 卡片時，卡片將啟動 Anti Conlision 模塊的防沖突功能。 讀卡器根據(jù)動態(tài)二進制搜索法原理，此方法可由集成硬件很容易實現(xiàn)，并通過發(fā)送相應(yīng)的指令對智能卡完成 SNR 從高到低的分枝搜索，從多張卡片中唯一確定一個智能卡進行操作，與所選中的卡片進行數(shù)據(jù)交換，首先得 到的是卡片的序列號 serial number。序列號 serial Number 存儲在卡片的 Block0,共有 5 個字節(jié)，實際有用的為4 個字節(jié)，另一個字節(jié)為序列號 Serial Number 的校驗字節(jié)。 當(dāng) CRC 結(jié)果正確時，第 5 個字節(jié)是不被傳輸?shù)摹Ｐ蛄刑? Serial Number 可能為 :0xF6F67AB6H。然后再進行后續(xù)的操作，如讀寫、加減值等命令。在操作進行完以后，讀卡器將與其通信的卡片置于 HALT 狀態(tài)，而此時未被選中的卡片就可以通過防沖突命令再次進入選擇循環(huán)。 (3) Select Application 模塊 主要用于卡片的選擇。在 RFID 讀卡器對智能卡進行數(shù)據(jù)操作之前執(zhí)行此功能，實現(xiàn)對卡片的選擇。 當(dāng) RFID 讀卡器完成 Request 和 Anticonlision 操作后，需要再次發(fā)送 Select 命令選擇通過防沖突篩選后被選中的卡片，智能卡向讀卡器返回存儲在卡片 Block0中的代表卡片的容量的“ Size”字節(jié)。在讀寫器收到這一字節(jié)信息后，便可確定能夠?qū)ㄆM行下一步的操作，然后進行密鑰的下載和校驗。讀寫器收到的“ Size”字節(jié)可能為 :80H。 (4) Authentication amp。 Access Control 模塊 認(rèn)證及存取控制模塊。當(dāng)完成Select 命令后，對卡片的操作還需進行 Mifare1 規(guī)定的三次相互驗證環(huán)節(jié)，并開啟數(shù)據(jù)通信的 CryPto1 加密傳輸。 Mifare1 內(nèi)核中 16 個扇區(qū)有不同的控制密鑰，使一卡多用成為可能。 具體認(rèn)證過程如下： 非 接 觸 式 I C卡 讀 寫 器M i f a r e 1 卡( A ) R B( B ) T O K E N A B( D ) T O K E N B A( E )( C ) 圖 34 三遍認(rèn)證的令牌原理框圖 (A)環(huán)：由 Mifare1 卡片向讀寫器發(fā)送一個隨機數(shù)據(jù) RB； (B)環(huán)：由讀寫器收到 RB 后向 Mifare1 卡片發(fā)送一個令牌數(shù)據(jù) TOKEN AB，其中包含了讀寫器發(fā)出的一個隨機數(shù)據(jù) AR； (C)環(huán)： Mifare1 卡片收到 TOKENAB 后，對 TOKENAB 的加密的部分進行解密，并校驗第一次由 (A)環(huán)中 Mifare1 卡片發(fā)出去的隨機數(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)校驗是正確的，則 Mifiare1 卡片向讀寫器發(fā)送令牌 TOKEN BA給讀寫器； (E)環(huán)： 讀寫器收到令牌 TOKNEAB 后，讀寫器將對令牌 TOKEN(BA)中的 RB(隨機數(shù) )進行解密 ,并校驗第一次由 (B)環(huán) 中讀寫器發(fā)出去的隨機數(shù) AR 是否與 (D)環(huán)中接收到的 TOKNEAB 中的 AR 相一致。 (5) Control amp。 Arithmetie unit 控制及算術(shù)運算單元。這一單元是內(nèi)建于卡片中的中央微處理機 (MCU)單元，全面控制和監(jiān)管智能卡與讀卡器之間數(shù)據(jù)交流的過程。此單元主要對整個卡片的其他各個單元實行微操作控制，統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理卡片操作的各個步驟；同時它還對卡片接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)實現(xiàn)邏輯算術(shù)運算處理，遞增 /遞減處理，CRC 運算處理等。 RAM 的主要作用是配合控制及算術(shù)運算單元將運算的結(jié)果暫時存儲于此。若需長時存儲某 些數(shù)據(jù)需要由控制及算術(shù)運算單元將這些數(shù)據(jù)取出取出送到 EEPROM 存儲器中；若某需將數(shù)據(jù)傳送給讀寫器，則由控制及算術(shù)運算單元取出，經(jīng)過射頻接口電路的處理，通過卡片上的天線傳送給卡片讀寫器。 當(dāng)卡片失去工作電源后 (卡片離開讀寫器天線的有效工作范圍內(nèi) )， RAM中的數(shù)據(jù)將被清除。同時，卡片運行所需要的必要的程序指令被固化于 ROM中，控制及算術(shù)運算單元通過調(diào)用這些指令來實現(xiàn)對每個單元進行微指令控制，使卡片與讀寫器的數(shù)據(jù)通信能夠有條不紊的進行。 (6) CryptoUnit 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。加密的算法可以為 AES標(biāo)準(zhǔn)算法或其他。 Mifare1 的工作原理 當(dāng) M1 卡接受到由讀卡器發(fā)送的一組固定頻率的電磁波，在電磁波的激勵下，卡片的 LC串聯(lián)諧振電路，由于其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，使得卡片中的 LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使卡片的內(nèi)置電容內(nèi)有了電荷，并通過在此電容另一端接有的一個單向?qū)ǖ碾娮颖脤㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)儲存，當(dāng)所積累的電荷達到2V 時，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)。 本設(shè)計采用的是無源非接觸式 IC 卡，其卡片距離讀卡 器的有效范圍 1~15cm，屬于近耦合卡。 整個讀寫卡過程包括裝載密碼、詢卡、防沖突、選卡、驗證密碼、讀寫卡和?？?。這一系列操作必須按固定的順序進行。在非接觸通訊中，為了保證讀寫器和卡片之間數(shù)據(jù)傳遞完整、可靠，采取以下措施：一是防沖突算法，二是通過 16 位 CRC 糾錯，三是檢查每字節(jié)的奇偶校驗位，四是檢查位數(shù)，五是用編碼方式來區(qū)分“ 1”、“ 0”或無信息，而 Mifare1 卡片采用的是防沖突算法，在進行硬件復(fù)位后就進入防沖突機制。并且 Mifare1 卡是針對用戶便捷操作的需要來進行優(yōu)化的，高速的數(shù)據(jù)傳輸使得用戶不必在讀 卡器天線處停留，能夠形成高通過率，這也是本設(shè)計中所要實現(xiàn)的一個目標(biāo)。 命令由讀卡器發(fā)出，根據(jù)讀寫條件受數(shù)字控制單元的控制。當(dāng)卡上電復(fù)位后，通過發(fā)送 request應(yīng)答碼 (ATQA,符合 ISO/IEC14443A),能夠回應(yīng)讀寫器向天線范圍內(nèi)所有卡發(fā)出的 request 命令。并且只有通過了防沖突機制以后才能選定卡片和通過認(rèn)證，此后才能進行數(shù)據(jù)存儲的一系列功能。 M1 卡與讀寫器的通訊流程如圖 35所示。 防 沖 突塊 操 作三 次 驗 證選 擇 卡 片結(jié) 束再 次 塊 操 作 ？YN開 始改 變 扇 區(qū) 圖 35 通訊流程圖 門禁控制器 微處 理器模塊的設(shè)計 本系統(tǒng)的 門禁控制器 MCU 由單片機及其外圍電路組成。本系統(tǒng)選取 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C52 單片機作為讀卡器的主控模塊。 AT89C52 單片機簡介 AT89C52 是 51系 列 單片機 的一個型號，它是 ATMEL 公司生產(chǎn)的。 AT89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS8 位單片機 ,