【正文】 和低于 135kHZ 的低頻波段的基于電感耦合的方式，電感耦合方式的基本原理是電感電容諧振回路和電感線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)。天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在近區(qū)為穩(wěn)場(chǎng)，在較遠(yuǎn)區(qū)為輻射場(chǎng)，這個(gè)結(jié)論對(duì) 識(shí)別系統(tǒng)的研究是很有意義的，因?yàn)樵谌? 的低頻段的 識(shí)別系統(tǒng)中，電磁能量的傳送在感應(yīng)區(qū)域中完成。 通信命令及響應(yīng)格式 畢業(yè)論文：基于單片機(jī)的 IC 卡讀寫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 12 21 ANTICMD CRC N Bytes 2Bytes ANTICMD：防沖突流程中的命令， N0 DATA CRC2 DATA：響應(yīng)數(shù)據(jù)。識(shí)別系統(tǒng)在閱讀器與應(yīng)答器之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，使用密鑰和加密算法將傳輸數(shù)據(jù)（明文）變換為秘密數(shù)據(jù)（密文），可以有效防止攻擊。 (e)讀卡器接收到 TOKEN BA 并對(duì)其解密，若最后得到的隨即數(shù) Ra’與原先發(fā)送的隨機(jī)數(shù) Ra 相同，則完成了讀卡器對(duì) IC 卡認(rèn)證過(guò)程。 (c) IC 卡接收到 TOKEN AB 后，進(jìn)行解密，將得到的隨機(jī)數(shù) Rb’與原先發(fā)送的 Rb 比較，如果結(jié)果一致則讀卡器獲得了 IC 卡的確認(rèn)。 認(rèn)證過(guò)程 (a)讀卡器發(fā)送查詢命令給 IC 卡， IC 卡返回響應(yīng)信息，響應(yīng)信息中包含 一個(gè)隨機(jī)數(shù) Rb 給讀卡器。 IC 卡應(yīng)確認(rèn)讀卡器的身份，防止存儲(chǔ)數(shù)據(jù)未被認(rèn)可的讀出或重寫，而且讀卡器也應(yīng)確認(rèn) IC 卡的身份，以防止假冒和讀入偽造數(shù)據(jù)。通常使用數(shù)據(jù)檢錯(cuò)與糾錯(cuò)算法來(lái)識(shí)別傳輸錯(cuò)誤并啟動(dòng)校正措施。當(dāng)接收到 ATTRIB命令，如果與自己的卡唯一標(biāo)識(shí)符 PUPI 不同，則仍處于 READYDECLARED 狀態(tài)，相同則返回響應(yīng)，進(jìn)入激活狀態(tài)，此時(shí)，卡將只響應(yīng)應(yīng)用層命令和 DESELECT 命令。當(dāng)接收到 REQB/WUPB 命令，則又重新回到 READYREQUESTED 狀態(tài)。此時(shí)，卡也可以響應(yīng) REQB/WUPB 命令，重新回到 READY_REQUESTED狀態(tài)。如果 N 不為 1，則在卡內(nèi)產(chǎn)生一個(gè) 1~N 之間的隨機(jī)數(shù) R，如果 R=1,則返回 ATQB,進(jìn)入 READY_DECLARED 狀畢業(yè)論文：基于單片機(jī)的 IC 卡讀寫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 11 態(tài)。在防沖突處理流程中， IC 卡僅被允許應(yīng)答一次，從而，即便在 讀寫系統(tǒng)場(chǎng)中有多張卡，在一個(gè)時(shí)間槽內(nèi)也僅有一張卡應(yīng)答，并且 讀寫系統(tǒng)在這個(gè)時(shí)間槽內(nèi)能捕獲 IC 卡的標(biāo)識(shí)，根據(jù)標(biāo)識(shí)， 讀寫系統(tǒng)與被標(biāo)識(shí)的卡建立一個(gè)通信通道。在完成防沖突處理后， IC 卡通信將完全處于 讀寫系統(tǒng)的控制下，讀寫系統(tǒng)只有一個(gè)接口，因此，每次通信只允許與一個(gè) IC 卡通信。 防沖突處理流程 IC 卡感應(yīng)到最小感應(yīng)場(chǎng)后進(jìn)入空閑狀態(tài)，這時(shí) ，卡被上電，只能響應(yīng)尋卡 /喚醒（ REQB/WUPB）命令，讀寫系統(tǒng)是與一個(gè)或多個(gè) IC 卡通信時(shí)的主控方，它通過(guò)發(fā)出尋卡（ REQB）命令來(lái)激活 IC 卡的通信活動(dòng)，以便提示卡進(jìn)行響應(yīng)。 ACTIVE 狀態(tài)：卡片可執(zhí)行應(yīng)用操作，當(dāng)接收到一個(gè)有效的掛起命令后，卡片進(jìn)入 HALT 狀態(tài)。 READY 狀態(tài)：可以應(yīng)用法沖突方法得到 CID。 IDLE 狀態(tài)：卡片有電，可以偵聽(tīng)并識(shí)別尋卡命令 REQB、 WUPB。 命令處理流程 IC 卡進(jìn)入 系統(tǒng)的工作場(chǎng)并獲得足夠的能量后，首先完成防沖突處理流程處理防沖突流程的命令，然后進(jìn)入應(yīng)用處理流程，處理應(yīng)用層的命令 。因此，在時(shí)隙算法的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)時(shí)隙算法，該算法可動(dòng)態(tài)的調(diào)整時(shí)隙數(shù)量。在最壞的情況時(shí)，沒(méi)有一個(gè) IC 卡能單獨(dú)處于一個(gè)時(shí)隙中發(fā)送成功，這時(shí)需要進(jìn)行調(diào)整時(shí)隙數(shù)，以便有更多的時(shí)隙可以使用。時(shí)隙 算法 ，把時(shí)間分為離散的時(shí)間段（即時(shí)隙），時(shí)間段的個(gè)數(shù)一般有 16 個(gè)，每段時(shí)間對(duì)應(yīng)一幀數(shù)據(jù)，一個(gè)時(shí)隙的大小一般規(guī)定的是 IC 卡傳送自身 ID 號(hào)所用的時(shí)間，這種方法必須有全局的時(shí)間同步，在 系統(tǒng)中，所有的 IC 卡同步由讀寫器控制，時(shí)隙數(shù)的選擇由隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生， IC 卡只在規(guī)定的相同的時(shí)隙開(kāi)始才傳送其數(shù)據(jù)幀，并在該時(shí)隙內(nèi)完成傳 送。 WP=1 為寫保護(hù)，只能讀出不能寫入， WP=0 時(shí)器件允許進(jìn)行正常的讀寫操作。 A0、 A A2：器件地址輸入端。 SDA：串行數(shù)據(jù) /地址線。 A01A22A23V s s4 S D A 5S C L 6Wp 7V c c 8 圖 12 儲(chǔ)存器 管腳圖 SCL：串行時(shí)鐘輸入線。當(dāng) IC 卡插入系統(tǒng)時(shí)，卡內(nèi)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在 AT24C02 芯片中，從而實(shí)現(xiàn)了重要數(shù)據(jù)的備 份，提高了讀寫器的可靠性與穩(wěn)定性。因此，本系統(tǒng)選用美國(guó) Microchip公司生產(chǎn)的 AT24C02 芯片，不但能最大限度地利用其容量，且不用地址譯碼，不占用外存空間。工程上常用的E178。 存儲(chǔ)芯片的選擇 在此讀寫系統(tǒng)中，單片機(jī)必須擴(kuò)展片外 E178。如果數(shù)據(jù)比較結(jié)果不一致，則保護(hù)字位的寫操作將被禁止。在確認(rèn)一致的情況下，保護(hù)字位被寫 0。該命令的執(zhí)行 時(shí)間和所需的時(shí)鐘脈沖與修改主存儲(chǔ)器的情況相同。在處理模式期間，可能有幾種情況： —— 擦除和寫入至少需要 5ms —— 只寫入不擦除，至少需要 —— 只擦除不寫入，至少需要 修改加密存儲(chǔ)器 :該命令是根據(jù)所傳送的字節(jié)數(shù)和要修改的數(shù)據(jù)，將加密存儲(chǔ)器中相應(yīng)字節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行修改。 修改主存儲(chǔ)器 :該命令就是根據(jù)所傳送地址字節(jié)數(shù)據(jù)，尋址主存儲(chǔ)器的 EEPROM 字節(jié)，然后修改字節(jié)內(nèi)容。其后再附加一個(gè)時(shí)鐘脈沖將 I/O線置成高狀態(tài)。 讀加密存儲(chǔ)器 :該命令類似于讀保護(hù)存儲(chǔ)器那樣，可以讀出 4 個(gè)字節(jié)的加密存儲(chǔ)器的內(nèi)容。最后一個(gè)附加時(shí)鐘將 I/O 線置為 H 狀態(tài)。對(duì) 主存儲(chǔ)器做讀操作不受限制。在畢業(yè)論文：基于單片機(jī)的 IC 卡讀寫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 7 該命令輸入以后，接口設(shè)備 IFD 必須提供足夠的時(shí) 鐘脈沖。對(duì)于每個(gè)字節(jié)來(lái)說(shuō)總是從最低位開(kāi)始讀出。 IC 卡 芯片具有七種命令，其格式和功能見(jiàn)下表 13 字節(jié) 1（控制） 字節(jié) 2（地址） 字節(jié) 3（數(shù)據(jù)） 功能 命令模式 30H 38 H 34 H 3B H 31 H 39 H 33 H 地址數(shù) 地址數(shù) 無(wú)效 地址數(shù) 無(wú)效 地址數(shù) 地址數(shù) 無(wú)效 輸入數(shù)據(jù) 無(wú)效 輸入數(shù)據(jù) 無(wú)效 輸入數(shù)據(jù) 輸入數(shù)據(jù) 讀存儲(chǔ)器 修改存儲(chǔ)器 讀保護(hù)存儲(chǔ)器 寫保護(hù)存儲(chǔ)器 讀加密存儲(chǔ)器 修改加密存儲(chǔ)器 比較校驗(yàn)數(shù)據(jù) 輸出數(shù)據(jù)模式 處理模式 輸出數(shù)據(jù)模式 處理模式 輸出數(shù)據(jù)模式 處理模式 處理模式 2)有關(guān)命令的說(shuō)明 : 讀主存儲(chǔ)器 :該命令是指讀出主存儲(chǔ)器的內(nèi)容?？刂谱止?jié)傳送完畢以后，依次傳送地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)，傳送順序均從各字節(jié)最低位開(kāi)始。 芯片的操作命令 1)命令的格式 :每條命令包含三個(gè)字節(jié)，其順序如下 表 12: MSB 控制字 LSB MSB 地址字 LSB MSB 數(shù)據(jù)字 LSB B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 A7 A6A5 A4 A3 A2 A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1D0 命令的傳送總是從控制字節(jié)開(kāi)始。此后芯片在內(nèi)部連續(xù)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)，直到第 N個(gè)時(shí)鐘脈沖之后的附加時(shí)鐘脈沖的下降沿 I/O 線被再次置高，完成芯片的處理過(guò)程。 4) 處理數(shù)據(jù)模式 :這種模式是對(duì) IC 卡芯片做內(nèi)部處理。當(dāng)所需要的最后一個(gè)數(shù)據(jù)送出以后，需要再附加一個(gè)時(shí)鐘脈沖來(lái)把 I/O 線置成 H狀態(tài)，以便準(zhǔn)備接受新的命令。隨后每增加一個(gè)時(shí)鐘脈沖，芯片內(nèi)部的一位數(shù)據(jù)被送到 I/O 線上。 3) 輸出數(shù)據(jù)模式：這種模式是將 IC 卡芯片中的數(shù)據(jù)傳送給外部接口設(shè)備的一種操作。 停止?fàn)顟B(tài) :在 CLK 為 H 狀態(tài) 期間， I/O 線的上升沿為停止?fàn)顟B(tài)。整個(gè)命令包括三個(gè)字節(jié) (命令含義后面解釋 )。 2)命令模式 :復(fù)位響應(yīng)之后，芯片等待著命令。在第 33 個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿， I/O 線被置成 H狀態(tài)而關(guān)閉。當(dāng) RST 線從 H 狀態(tài)置到 L 狀態(tài)時(shí)，第一個(gè)數(shù)據(jù)位的內(nèi)容被送到 I/O 線上。 傳送協(xié)議包括 4種模式 : 復(fù)位和復(fù)位響應(yīng)、 命令模式、 輸出數(shù)據(jù)模式、處理模式、 1)復(fù)位和復(fù)位響應(yīng) : 復(fù)位響應(yīng)是根據(jù) ISO 78163 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行的。 IC 卡傳送協(xié)議 傳送協(xié)議是在接口設(shè)備 IFD 與 IC 卡的集成電路之間的兩線連接協(xié)議，芯片的協(xié)議類型為 S=10(同步卡協(xié)議 )。而“寫入、擦除”操作也受自身“比較”操作結(jié)果的控制。這 3個(gè)字節(jié)的內(nèi)容作為一個(gè)整體披稱為可編程加密代碼 (PSC)。當(dāng)密碼計(jì)數(shù)器減數(shù)為零，則芯片的存儲(chǔ)單元將全部鎖死。如果比較結(jié)果不一致，則密碼錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器中為“ 1”的個(gè)數(shù)將減少一位。如果還有“ 1”，則將其中一個(gè)“ 1”寫成“ 0”，然后進(jìn)行比較“校驗(yàn)字”操作。這一字節(jié)是可讀的。密碼輸入錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的有效位是低 3位。 3)加密存儲(chǔ)器 :加密存儲(chǔ)器是一個(gè) 4 8位的 EEPROM 型存儲(chǔ)器。當(dāng)輸入的“校驗(yàn)字”與芯片內(nèi)的“參照字”‘一致，則可以執(zhí)行后續(xù)的寫入操作。保護(hù)存儲(chǔ)器本身的讀出操作不受限制。保護(hù)存儲(chǔ)器每個(gè)被寫“ 0”的單元所對(duì)應(yīng)控制的主存儲(chǔ)器的字節(jié)單元將不再接收任何擦除和寫入命令，從而使得該字節(jié)單元的數(shù)據(jù)不可再改變。從出廠到被初始化 之前，保護(hù)存儲(chǔ)器的狀態(tài)為全“ 1”。保護(hù)存儲(chǔ)器從 0~32 的每一位對(duì)應(yīng)著主存儲(chǔ)器地址從 0 到 31 的字節(jié)。 2）保護(hù)存儲(chǔ)器是一個(gè) 32 1位的一次性可編程只讀存儲(chǔ)器（ PROM）。這時(shí)整個(gè)主存儲(chǔ)器變成一個(gè)只讀存儲(chǔ)器。芯片允許在有限的次數(shù)內(nèi)重試比較操作。這個(gè)新輸入的“校驗(yàn)字”與原來(lái)存在在加密存儲(chǔ)器中的“參照字”進(jìn)行一對(duì)一的比較。其地址從 32(20H)到 255(FFH).這部分的數(shù)據(jù)讀出不受限制，但擦除和寫入受控于加密存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)校驗(yàn)比較結(jié)果的影響。故保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)一般均作為 IC 卡的標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，存放一些固定不變的標(biāo)識(shí)參數(shù)。其地址是從 0(00H)到 31(1FH)這部分的數(shù)據(jù)讀出不受限制， 但擦除和寫入操作均受到保護(hù)存儲(chǔ)器內(nèi)部數(shù)據(jù)狀態(tài)的限制。 主存儲(chǔ)器的地址是從 00H到 FFH。如果在被尋址的字節(jié)中 8 位沒(méi)有一個(gè)字位需要從 0 變?yōu)?1，則可以不進(jìn)行擦除處理。在寫入時(shí)，在 EEPROM 單元中的信息則根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，按字位方式變換成邏輯“ 0” (即在 EEPROM 中，新寫入的數(shù)據(jù)與原來(lái)存在的數(shù)據(jù)進(jìn)行“邏輯與” )。按字節(jié)尋址，擦除寫入。 引腳配置 芯片的引腳與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)兼容，下表 11 是引腳的定義和功能說(shuō)明： 畢業(yè)論文：基于單片機(jī)的 IC 卡讀寫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 4 引腳 卡觸點(diǎn) 符號(hào) 功能 1 2 3 4 5 6 7 8 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 VCC RST CLK NC GND NC I/O NC 操作電壓 5V 復(fù)位 時(shí)鐘 未用 接 地 未用 雙向數(shù)據(jù)線（漏極開(kāi)路） 未用 芯片功能 IC 卡 片主要包括三個(gè)存儲(chǔ)器： 256 8位 EEPROM 型主存儲(chǔ)器、 32 1 位 PROM 型保護(hù)存儲(chǔ)器和 4 8 位 EEPROM 型加密存儲(chǔ)器 。 IC 卡的大小和磁卡相同，它把集成電路鑲在塑料卡片上，芯片一般是不易揮發(fā)性存儲(chǔ)器 (ROM, EPROM. EPROM),保護(hù)邏輯電路，甚至于 CPU。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令系統(tǒng)和輸出管腳相兼容。 IC 卡本身并不能單獨(dú)直接使用，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了能讀寫符合 ISO標(biāo)準(zhǔn)的 AT45 IC 卡讀寫器。 IC 卡選取和單片機(jī)的選取 IC 卡作為系統(tǒng)身份認(rèn)證的重要媒介 ，不僅要可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量較大的信息，而且要具備高度的安全性以保證個(gè)人信息不會(huì)泄露。 IC 卡讀寫系統(tǒng)的工作原理是當(dāng) IC 卡進(jìn)入了由讀寫器產(chǎn)生的 RF 場(chǎng)以后， IC 卡天線在 RF 場(chǎng)中獲得感應(yīng)電流，在內(nèi)部產(chǎn)生電源， 在感應(yīng)電流中所帶的信息通過(guò)前端的電路檢測(cè)到后，得到數(shù)字信號(hào)，送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理 , IC 卡需要返回的信息從內(nèi)部卡片的存儲(chǔ)器中獲取，再經(jīng)過(guò)邏輯控制電路送到 前端電路進(jìn)行調(diào)制，最后由天線回送給讀寫器。它的硬件電路是由信號(hào)處理與控制模塊、接口模塊（也可稱為高頻通信模塊）以及天線組成的。 課題的工作原理 基于 AT89C51 單片機(jī)的 IC 卡讀寫系統(tǒng)是采用無(wú)線方式進(jìn)行非接觸通信，以達(dá)到識(shí)別并交互數(shù)據(jù)的目的。 IC 卡讀寫器的軟件設(shè)計(jì)：軟件設(shè)計(jì)思路，畫出讀寫器軟件結(jié)構(gòu) ， 對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析。 課題的設(shè)計(jì)要求 IC 卡讀寫器的設(shè) 計(jì)：對(duì) AT89C51 單片機(jī)芯片的 IC 卡讀寫器設(shè)計(jì)，第一步： SCL 和 SDA兩條邏輯控制引出端線的啟動(dòng)與停止來(lái)產(chǎn)生控制讀寫的“開(kāi)始”“停止”標(biāo)志信號(hào)；第二部：寫操作時(shí)序；第三步：讀操作時(shí)序。而且現(xiàn)在應(yīng)用單片機(jī)編寫的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性。單片機(jī)是靠程序的，并且可以修改。理解 IC