【正文】 圈，可以設(shè)計(jì)為圓形或者方形天線。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)。選擇的品質(zhì)因數(shù)過高，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。 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)，它可以通過電感線圈的電抗與電阻 的比值計(jì)算出來 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。 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。 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)又可以簡化電路設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本。 10V 電壓 (負(fù)邏輯 )。 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。 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。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。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。 ⑴ AT89C51 的功能特性描述 [6] 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 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。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 )。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。 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。 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 信道 秘密信道 解密密鑰 西北師范大學(xué)本科學(xué)位論文 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 。密碼體制的分類有很多種?？梢?，數(shù)據(jù)的加密和解密的過程實(shí)際上就是通過一定的算法將信息加以偽裝和解除偽裝的過程。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。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。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)。 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)行信息交換過程中的有效與合法。本設(shè)計(jì)主要涉及到射頻識(shí)別技術(shù)。 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)通過空間耦合 (交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng) )實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。 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)。 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)近幾十年來在全球范圍內(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。 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)處理來完成相關(guān)后續(xù)處理的一種技術(shù)。為了確保讀卡器和 Ic 卡之間通信的完整、可靠和快速，主要采取了西北師范大學(xué)本科學(xué)位論文 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。 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。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。 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) 非接觸式 IC 卡的應(yīng)用 ? 無電源，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 萬次，讀無限次 ? 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。認(rèn)證過程中的任何一環(huán)出現(xiàn)差錯(cuò)，整個(gè)認(rèn)證將告失敗?？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。 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”，都能正確通過驗(yàn)證，則整個(gè)的認(rèn)證過程將成功。 數(shù)據(jù)加密單元：該單元完成對(duì)數(shù)據(jù)的加密處理及密碼保護(hù)。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。它主要進(jìn)行對(duì)整個(gè)卡片的各個(gè)單位進(jìn)行微操作控制，協(xié)調(diào)卡片的各個(gè)步驟；同時(shí)它還對(duì)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。整個(gè)卡片可以設(shè)計(jì)成“一卡通”形式來應(yīng)用?？ㄆ嫌?16 個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)都可分別設(shè)置各自的密碼，互不干涉。當(dāng)讀卡器收到信息后，就可以對(duì)卡片進(jìn)行深一步的操作了。 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(gè)步驟，想要對(duì)卡片進(jìn)～步操作時(shí)，必須先對(duì)卡片進(jìn)行“選擇”操作，以使卡片真正地被選中。 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(shí)準(zhǔn)備與讀卡器進(jìn)行通信。在程序員控制下的讀卡器將會(huì)首先與每一張卡片進(jìn)行通信，取得每一張卡片的系列號(hào)。如果不進(jìn)行第一步的 ATR 工作，讀 卡器對(duì)卡片的其他操作 (讀、寫等操作 )將不會(huì)進(jìn)行?？ㄆ羞@一單元容量為 1K 字節(jié)，分為 16個(gè)扇區(qū)。 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。非接觸式 IC 卡的功能組成如圖 所示： 圖 Mifare one s50 非接觸式 IC 智能射頻卡的功能組成圖 整個(gè)卡片包含了兩個(gè)部分，射頻接口電路和數(shù)字電路部分： ① 射頻接口電路 電路在射頻接口電路中，波形轉(zhuǎn)換模塊接收讀卡器上的 13． 56MHZ 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(duì)其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)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。同時(shí)，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(duì)讀卡器進(jìn)行惡意破壞現(xiàn)象的出現(xiàn) . 西北師范大學(xué)本科學(xué)位論文 5 ④ 高安全性：非接觸式 Ic 卡的序列號(hào)是唯一的，制造商在產(chǎn)品出廠前將此序列號(hào)固化于卡內(nèi)芯片中，不可再更改，使用時(shí)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(gè)扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件。 ③ 高可靠性：非接觸式 IC 卡與讀卡器之間無機(jī)械接觸，避免了由于接觸而產(chǎn)生的各種故障，同時(shí)無需擔(dān)心由于觸點(diǎn)損壞或脫落而導(dǎo)致卡片失效，提高了應(yīng)用的可靠性及設(shè)備和卡的壽命。同時(shí)，由于卡與讀卡器進(jìn)行通訊時(shí)的載波頻率較高，卡內(nèi)芯片可以工作在 較高的系統(tǒng)時(shí)鐘下，使二者的通信速率很高。 ⑵ 非接觸式 IC 卡的特點(diǎn) 非接觸式 IC 卡無機(jī)械觸點(diǎn)，通過無線方式與讀寫設(shè)備進(jìn)行通訊，與接觸式Ic 卡相比具有以下特點(diǎn)： ① 操作快捷：卡與讀卡器之間為無線通訊，使用時(shí)無需插拔卡及固定方向。 按照卡與外界數(shù)據(jù)傳送的方式來分， IC 卡分為接觸式 IC 卡和非接觸式 IC 卡，當(dāng)前廣泛使用的是接觸式 IC 卡，但是非接觸式 IC 卡是將來 IC 卡發(fā)展的方向。存儲(chǔ)器卡：卡中的集成電路有 EEPROM；邏輯加密卡：卡中的集成電路具有加密邏輯和 EEPROM：CPU 卡：卡中的集成電路包括中央處理器 CPU、 EEPROM、 RAM 以及固化在 ROM中的片內(nèi)操作系統(tǒng) COS(chipoperatingsystem)。應(yīng)用最多的是 Is 叫 4443 和 Is015693，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都由物理特性、射頻功率和信號(hào) 接口、初始化和反碰撞以及傳輸協(xié)議四部分組成 [4]，本設(shè)計(jì)中采用 ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)。 非接觸式 IC 卡 ⑴ 非接觸式 IC 卡 標(biāo)準(zhǔn)和 分類 目前生產(chǎn) RFID 產(chǎn)品的很多公司都采用自己的標(biāo)準(zhǔn)，國際上還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 該讀卡器是針對(duì) Philips 公司 Mifare 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的，能夠讀寫 Mifare 系列的非接觸式 IC 卡。 讀卡器 門禁系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是讀卡器，它由微處理器、外圍擴(kuò)展器件、讀寫芯片、射頻天線、串行通信 接口等幾部分組成。 ⑷ 門 禁設(shè)備：門禁設(shè)備由讀卡器中單片機(jī)的 I／ O 口根據(jù)刷卡情況發(fā)出控制信號(hào)控制，密碼認(rèn)證通過開門，否則不開門。另一種是讀卡器獨(dú)立工作，內(nèi)部用較大的存儲(chǔ)器存放讀卡數(shù)據(jù)，采用采集器采集讀卡器中的數(shù)據(jù)，再傳送到PC 管理機(jī)上。 ⑵ 非接觸式 IC 卡：相當(dāng)于開門鑰匙，它是通過磁力線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流向讀卡器發(fā)射卡內(nèi)信息，完成讀卡工作的。 西北師范大學(xué)本科學(xué)位論文 3 2 設(shè)計(jì)總體研究和涉及的主要技術(shù) 非接觸式 IC 卡門禁系統(tǒng)組成 非接觸式 IC 卡門禁系統(tǒng)由非接觸式 IC 卡、讀卡器和 PC 管 理機(jī)組成，此外還包括外部門禁設(shè)備。通過局域網(wǎng)對(duì)本地區(qū)的設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控與維護(hù)，可提高系統(tǒng)的可靠性，減少故障的發(fā)生率和處理時(shí)間等。隨著計(jì)算機(jī)的迅速普及與發(fā)展，越來越多的控制設(shè) 備逐漸被計(jì)算機(jī)取代，維護(hù)人員的監(jiān)視和維護(hù)也越來越集中，越來越多的系統(tǒng)逐漸向智能化發(fā)展。但對(duì)于一般的企業(yè)、住宅小區(qū)來說，并不是最理想的選擇。但系統(tǒng)的可靠性稍差。 目前國外生產(chǎn)的門禁系統(tǒng)安全性較高，但是價(jià)格昂貴，感應(yīng)式門禁系統(tǒng)控制器的價(jià)格從 4000 到 3 萬元不等，包括讀卡器、門鎖、控制器、軟件在內(nèi)的一套系統(tǒng)報(bào)價(jià)在萬元左右。美國生物認(rèn)證市場(chǎng)到 2021 年