【正文】 圖 35 卡片讀寫子程序 上位機(jī)程序 上位機(jī)利用 進(jìn)行編程，用 開(kāi)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。 A0A1A2A3A4A5 FF078069 B0B1B2B3B4B5：密碼 A(6 字節(jié) )存取控制 (4 字節(jié) )密碼 B(6 字節(jié) )。第 0 個(gè)扇區(qū)的塊 0(即絕對(duì)地址 0 塊 )用于存放廠商代碼，已經(jīng)固化，不可更改。了假冒真正的數(shù)據(jù)載體，竊聽(tīng)無(wú)線電通信并重放數(shù)據(jù) (重放和欺詐 )。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。 在智能卡讀寫器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必需考慮利用特殊的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。 由上面的流程可以 看出，在讀卡器對(duì)射頻卡進(jìn)行認(rèn)證的同時(shí)， IC 卡也對(duì)讀卡器進(jìn)行認(rèn)證，這樣大大的加深了整個(gè)讀寫卡系統(tǒng)對(duì)信息的保密程度，一方面對(duì)卡的認(rèn)證保證卡內(nèi)讀卡器不會(huì)被未授權(quán)的讀卡器讀取卡上的內(nèi)容，另一方面卡一對(duì)讀卡器進(jìn)行認(rèn)證，以免不同的發(fā)卡機(jī)構(gòu)之間的發(fā)卡沖突，讀取非自己機(jī)構(gòu)的卡片信息，對(duì)自己的信息庫(kù)造成影響。反之，如果認(rèn)證過(guò)程中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)，則整個(gè)認(rèn)證過(guò)程終止，認(rèn)證過(guò)程必須重新開(kāi)始。 MF RC500 認(rèn)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(shí)檢測(cè)錯(cuò)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(dòng) Authent2 命令， 結(jié)束時(shí)檢測(cè)錯(cuò)誤標(biāo)志和 CryptolOn 標(biāo)志位，若 CryptolOn 標(biāo)志位為 1，說(shuō)明認(rèn)證成功；若為 0 則認(rèn)證失敗。如果上述的每一個(gè)步驟都能正確通過(guò)驗(yàn)證，則整個(gè)認(rèn)證過(guò)程將成功，讀寫器將能對(duì)剛通過(guò)認(rèn)證的這一分區(qū)進(jìn)行下一步的操作。如果 上一步驟 中校驗(yàn)結(jié)果正確，則 IC 卡向讀卡器發(fā)送令牌 TOKEN BA 給讀卡器。讀卡器收到 RB 后，向 IC 卡發(fā)送一個(gè)令牌數(shù)據(jù) TOKEN AB，其中包含了讀卡器發(fā)出的一個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù) RA。 三重認(rèn)證就是讀卡器對(duì) IC 卡的密碼認(rèn)證。作用是選擇一張卡 。此段程序執(zhí)行完畢后，讀卡器即可正確的接收到一張 IC 卡的 UID(唯一序列號(hào) )。 在讀卡器接收到 IC 卡返回?cái)?shù)據(jù)以后對(duì)卡進(jìn)行選取，在多卡的情況下，其過(guò)程為 ISO/IEC14443 TYPE A 協(xié)議中的 ANTICOLLION 命令。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)。沖突位置必然有一個(gè)卡對(duì)應(yīng)位為“ 1” ，然后讀卡器改變發(fā)送的有效位位數(shù)，重新發(fā)出選卡命令。 ISO/IEC 14443 協(xié) 議規(guī)定了 Type A 的防沖突過(guò)程，采用位結(jié)構(gòu)防沖突循環(huán)，并有專門的防沖突指令讀卡器發(fā)出選卡命令，所有有效卡同時(shí)返回各自完整的卡序列號(hào)。 如果在卡的選擇階段，在天線磁場(chǎng)的有效范圍內(nèi)卡的數(shù)量超過(guò) 1 張，就將產(chǎn)生卡辨識(shí)的沖突問(wèn)題。 MFRC500 的某一指 令操作不是簡(jiǎn)單的一條指令所能完成的，必須有一個(gè)程序的序列來(lái)完成，其中有對(duì) 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(jìn)行語(yǔ)言軟件上的判斷和設(shè)置。只要有一張卡片進(jìn)入天線的有效的工作范圍內(nèi)， Request std 指令將始終連續(xù)地再次進(jìn)行讀卡操作。當(dāng)某一張卡片在天線的有效的工作范圍 (距離 )內(nèi)， Request std 指令在成功地讀取這開(kāi)始 RC500 片選引腳初始化 結(jié)束 給 RC500 復(fù)位引腳低電平 延時(shí) 給 RC500 復(fù)位引腳高電平 延時(shí) 給 RC500 復(fù)位引腳高電平 RC500 寄存器初始化 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 22 一張卡片之后，進(jìn)入對(duì)卡片的其它操作。 Request std 指令的使用和 Request all 指令剛巧相反。 Request all 指令是非連續(xù)性的讀卡指令，只讀一次。發(fā)送請(qǐng)求命令的作用就是搜尋有無(wú) IC 卡靠近，跟據(jù)返回得數(shù)據(jù)判斷有無(wú)需要與之通信的 IC 卡。 發(fā)送請(qǐng)求命令過(guò)程為 ISO/IEC 14443 TYPE A 通信協(xié)議中的 REQA 命令。初始化子程序的結(jié)構(gòu)框圖如下： 開(kāi)始 初始化模塊 卡檢測(cè)模塊 卡校驗(yàn)?zāi)K 讀寫模塊 返回 第 3章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 圖 32 初始化模塊設(shè)計(jì)圖 卡 片 檢測(cè) 子程序設(shè)計(jì) 在初始化進(jìn)行完成后就可以在上位機(jī)的程序控制下對(duì)射頻 IC 進(jìn)行讀寫操作了，在整個(gè)讀寫過(guò)程中必不可少的需要進(jìn)行卡片檢測(cè)，來(lái)確定卡片存在以及在多卡并存的情況下進(jìn)行卡片的選擇。內(nèi)部時(shí)鐘定時(shí)器的設(shè)置控制 。 TX1\TX2 之間的電導(dǎo)率來(lái)對(duì)天線的輸出功率進(jìn)行調(diào)整。這些寄存器中絕大部分都是可讀寫的，有一部分的寄存器限度讀寫的功能并相應(yīng)的起到特殊的目的。 在 MFRC500 進(jìn)行上電復(fù)位完成以后 ，我們要對(duì) RC500 進(jìn)行各個(gè)設(shè)置寄存器進(jìn)行賦值，來(lái)調(diào)整 RC500 的工作狀態(tài)。 初始化就是對(duì) MF RC500 的 32 個(gè)寄存器進(jìn)行設(shè)置。 對(duì)于卡的讀寫需要很顯而易見(jiàn)的分為初始化 子程序 模塊、卡檢測(cè) 子程序 模塊、卡校 子程序 驗(yàn)?zāi)K和讀寫 子程序 模塊 。 FIFO 緩沖區(qū)在命令啟動(dòng)時(shí)不會(huì)自動(dòng)清零 ， 可先將命令變量和數(shù)據(jù)字節(jié)寫入 FIFO 緩沖區(qū) ,然后再啟動(dòng)相應(yīng)命令。對(duì)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(huì)立即處理它在 FIFO 緩沖區(qū)中發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)。每個(gè)命令 (StartUp 命令除外 )都可被微處理器通過(guò)寫入新命令所中斷。接下來(lái)應(yīng)將 80H 寫入 Page 寄存器來(lái)初始化 MF RC500 的微處理器接口 ， 同時(shí)讀取 Command 寄存器 ， 若值為 00H， 則初始化 MF RC500 的微處理器接口成功。也可以通過(guò)執(zhí)行 LoadConfig 命令初始化寄存器 102FH，該操作需要 E2PROM 塊地址 3 到 7 中的 任意連續(xù) 32 個(gè)字節(jié)的內(nèi)容作為初始化的數(shù)據(jù)。硬件復(fù)位后進(jìn)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(duì) MF RC500 的控制是通過(guò)設(shè)置和監(jiān)控寄存器的值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果不進(jìn)行位選擇操作 ， 讀卡器對(duì)卡片的其他操作將不會(huì)進(jìn)行 ； 防重疊操作 ： 有多張卡處在天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)， RC500 將取得每一張卡片的系列號(hào)，由于每一張 MIFARE 卡片都具有其唯一的序列號(hào) ， 決不會(huì)相同 ， 因此 MFRC500 根據(jù)卡片的序列號(hào)來(lái)保證一次只對(duì)一張卡操作。讀卡器 讀 /寫卡過(guò)程主要由以下幾步組成： 復(fù)位應(yīng)答 ： 當(dāng)一張 MIFARE 卡片處在讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時(shí) ， 程序員控制讀 寫器向卡片發(fā)出 REQUEST all 命令。其中當(dāng)函數(shù)調(diào)用成功時(shí)返回 0，否則返回值為不等于 0 的一個(gè)錯(cuò)誤代號(hào)。 為了實(shí)現(xiàn)射頻卡的讀寫編 程功能，隨機(jī)附有用于編寫程序的 Windows 動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，它提供了幾十個(gè)控制函數(shù)，可方便地用于編寫程序。這種調(diào)制方式與從讀卡器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳送調(diào)制方法類似，也可以選擇調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相等方法。在射頻識(shí)別系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)從電子標(biāo)簽返回到讀卡器采用負(fù)載調(diào)制方式，所謂負(fù)載調(diào)就是通過(guò)改變電子標(biāo)簽中的負(fù)載電阻的大小達(dá)到改變信號(hào)幅度的調(diào)制方式。電子標(biāo)簽接收到載波信號(hào)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 18 到編碼的數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)譯碼過(guò)程得到傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)。在采用副載波進(jìn)行負(fù)載調(diào)制時(shí)，需要經(jīng)過(guò)多重調(diào)制，在閱讀器中，同樣需要進(jìn)行逐步多重解調(diào) 。 ASK 調(diào)制的包絡(luò)波形是數(shù)字基帶信號(hào)和已調(diào)脈沖。數(shù)字調(diào)制方式有幅移鍵控 (ASK)、頻移鍵控 (FSK)和相移鍵控 (PSK)。 射頻識(shí)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(hào) (包括數(shù)字基帶信號(hào)和已調(diào)脈沖 )對(duì)高頻載波進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)一個(gè)標(biāo)簽進(jìn)入休眠模式時(shí) ， 讀卡器可以去讀取其它標(biāo)簽的數(shù)據(jù) ， 不會(huì)產(chǎn)生任何數(shù)據(jù)沖突。如此進(jìn)行 ， 調(diào)諧與去調(diào)諧在標(biāo)簽線圈上產(chǎn)生一個(gè)幅度調(diào)制信號(hào) ， 讀卡器檢測(cè)電壓波形包絡(luò) ， 就能重構(gòu)來(lái)自標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信號(hào)。數(shù)據(jù)發(fā)送是通過(guò)調(diào)諧與去調(diào)諧外部諧振回路來(lái)完成的。當(dāng)讀卡器發(fā)射電磁波 ,使標(biāo)簽天線電感式電壓達(dá)到 VPP 時(shí) ， 器件工作 。 RFID智能卡 內(nèi)部備有一個(gè) 154 位存儲(chǔ)器 ， 用以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。無(wú)源 RFID 主要使用前二種頻率。 并對(duì)天線部分進(jìn)行也寫介紹。在總體框架下每一個(gè)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(gè)好的硬件電路設(shè)計(jì)會(huì)使得，軟件的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化，調(diào) 試工作更加順利。 綜合以上 考慮并參考相似的設(shè)計(jì)方案 [15]， 天線線圈匝數(shù)采用 3 圈 。 若沒(méi)有分析儀 ，也 可采用公式估算的方法得到近似的電感值 。 本 次設(shè)計(jì) 的閱讀器天線采用矩形天線 ， 這種天線的距其中心垂直距離為 X 處的磁通量密度磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離變遠(yuǎn)而弱 。 因此 ， 設(shè)計(jì)天線的時(shí)候要充分考慮這三方面的因素 。 為了減少干擾 ,提供一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓 ， 在 VMID 和地 TVSS 之間連接了一個(gè) F 電容 ， 同時(shí)在 RX0 和 VMID 引腳間連接了一個(gè) 820Ω的電阻 R7 作為分壓器 。 由國(guó)際 EMC 規(guī)定可知 ， 為了抑制住 中的三次、五次和高次諧波 ， 設(shè)計(jì) 電路時(shí)在射頻模塊發(fā)送端口即 TX1 腳 ， TX2 腳和地 TVSS 腳之間引入一個(gè)低通濾波器電路 ， 該低通濾波器電路 中 電感均為 H,電容均為 47 pF 。本次設(shè)計(jì)采用直接匹配的天線設(shè)計(jì)方式，天線電路分三部分 :射頻模塊發(fā)送端口濾波和電阻轉(zhuǎn)換電路；射頻模塊接收端口接收電路；射頻模塊發(fā)射接收天線及其匹配電路。一旦天線的電感超過(guò) 5μ H 時(shí)，電容 C 的匹配就變得困難 ,設(shè)計(jì)天線時(shí)應(yīng)考慮天線的線圈電感值不超過(guò) 5μ H，并且天線導(dǎo)體的寬度應(yīng)在 ～ mm 內(nèi)。 將電容 C與天線線圈并聯(lián)或者串聯(lián)起來(lái)組成 LC 諧振電路 ,通過(guò)此諧振電路 ,閱讀燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 器可將能量傳輸至射頻卡 ,并與卡進(jìn)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)。 天線電路：在天線設(shè)計(jì)中，天線的電感量是一個(gè)很重要的參數(shù)，但是天線的結(jié)構(gòu) (PCB 類型 )導(dǎo)線的厚度 、 線圈之間的距離 、 屏蔽層 、 附近的金屬或鐵對(duì)天線的實(shí)際電感量都有很大的影響 。 天線的匹配電路：天線本身是一個(gè)低電阻的器件，所以需要首先確定天線線圈，通過(guò) 估算天線的等效電路和計(jì)算品質(zhì)因子才能夠得出匹配電路的電容大小 。 該頻率由一個(gè)石英晶振產(chǎn)生，并且作為驅(qū)動(dòng)天線的 能量載波的基頻 。 電源部分模塊設(shè)計(jì)原理圖如下： 第 2章 硬 件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(gè)部分：低通濾波器 、 接收電路 、 天線匹配電路和天線 。 LDO23S 是一個(gè)節(jié)能穩(wěn)定的電壓控制轉(zhuǎn)換芯片。本次的讀卡器設(shè)計(jì)為電源的安排已經(jīng)是深入到每一個(gè)模塊，總的來(lái)說(shuō)剪掉了許多不必要的電源需求，在整個(gè)的讀卡器中只有 5V和 電壓。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 圖 24 USB 通信模塊原理圖 電源部分模塊 整個(gè)的設(shè)計(jì)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(gè)重要的部分。 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。 RESET_N 為 PL2303HX 的復(fù)位端，對(duì)于 PL2303HX 來(lái)說(shuō)是單片機(jī)與上位機(jī)之間唯一的通訊方式，這里我并不希望 PL2303HX 的復(fù)位端受控制，以免在通信不暢的時(shí)候，因 PL2303HX的無(wú)限復(fù)位導(dǎo)致無(wú)法通信以及無(wú)法更改程序的死鎖現(xiàn)象。在左側(cè)第一個(gè)管腳即為發(fā)送收據(jù) (TXD)，按照之前單片機(jī)模塊的設(shè)計(jì)連接在單片機(jī) 上。完成了PL2303HX 的時(shí)鐘部分外圍電路的設(shè)計(jì)。 對(duì)于 原先 的 RS232傳輸制有許多繁瑣的控制以及交互都單獨(dú)用一根數(shù)據(jù)線， 雖然方便了各個(gè)單片機(jī)的簡(jiǎn)單互聯(lián)，但是顯而易見(jiàn)的 這樣有很大一部分的資 源浪費(fèi) 。 圖 23 單片機(jī)模塊原理圖 第 2章 硬 件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 USB 通信 模塊 PL2303HX 是一款應(yīng)用于 USB 接口 與 RS232 串口之間進(jìn)行傳輸模式變換的芯片，通常做簡(jiǎn) 單的外圍電路就能實(shí)現(xiàn) RS232 模式的傳輸與 USB 傳輸模式的轉(zhuǎn)換，是一款高精確性的智能模塊，這里主要是運(yùn)用來(lái)進(jìn)行 USB 傳輸方式經(jīng)過(guò)變換單片機(jī)進(jìn)行通信 ，對(duì)于 RS232 的傳輸協(xié)議在早期的時(shí)候分為 9 線和 16 線的 232 端口 ，對(duì)應(yīng)的減少通訊對(duì)單片機(jī)