【正文】 仿真 測(cè)試 .................................................... 26 系統(tǒng)仿真 .......................................................... 26 proteus 工作界面 ............................................. 26 源程序的錄入 ................................................. 26 片內(nèi)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器的讀寫(xiě)與仿真電路 ............................... 27 片內(nèi)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器的仿真結(jié)果 ..................................... 27 結(jié) 論 ..................................................................... 29 附 錄 ..................................................................... 30 附錄 A程序清單 ......................................................... 30 參考文獻(xiàn) ................................................................... 32 謝 辭 ..................................................................... 33 畢業(yè)論文：基于單片機(jī)的 IC 卡讀寫(xiě)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 1 前 言 課題研究的背景 近年來(lái)，在許多領(lǐng)域，如電信、交通、醫(yī)療等部門(mén)，使用 IC 卡已經(jīng)很普遍了，由于IC 卡的諸多優(yōu)點(diǎn)，在不久的將來(lái) IC 卡將取代磁卡已成為大趨勢(shì)。 基于單片機(jī)的 IC 卡具有高安全度、高可靠性及分區(qū)儲(chǔ)存等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，支持一卡多用，結(jié)合以單片機(jī)和讀寫(xiě)模塊為核心的系統(tǒng)，在許多領(lǐng)域可以廣泛使用。在 IC卡讀寫(xiě)中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能 及時(shí)告警并恢復(fù)到正常狀態(tài)。對(duì)于 AT89C51單片機(jī)它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。所以，深入掌握單片機(jī)的功能可以有效的用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) IC 卡的讀與寫(xiě)。讀寫(xiě)器硬件電路，畫(huà)出電路原理圖 ,對(duì)原理圖里的器件做必要說(shuō)明 ， 讀寫(xiě)原理分析， IC卡的上下電控制。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)及需求，系統(tǒng)測(cè)試方案設(shè)計(jì)。它能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)的非接觸式識(shí)別，并且可以加密、解密 IC 卡讀寫(xiě)系統(tǒng)畢業(yè)論文：基于單片機(jī)的 IC 卡讀寫(xiě)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 2 主要是由讀寫(xiě)器和 IC 卡兩部分組成，讀寫(xiě)器是用于實(shí)現(xiàn)對(duì) IC卡進(jìn)行外部認(rèn)證、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)以及存儲(chǔ)等功能的。 IC卡的電路由一塊集成電路芯片及其外接天線組成，其具體的硬件電路由 前端、邏輯控制、存儲(chǔ)器以及天線組成，集成在一張卡上。 畢業(yè)論文：基于單片機(jī)的 IC 卡讀寫(xiě)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 3 第一章 IC 卡芯片 方案選擇 本章主要介紹 IC 卡芯片的選擇，及其 IC 卡的特點(diǎn)和協(xié)議 ，芯片的操作命令，芯片儲(chǔ)存器的選擇。通過(guò)對(duì)目前主流 IC 卡的存儲(chǔ) 容量、讀寫(xiě)方式、重寫(xiě)功能等幾個(gè)方面指標(biāo)的綜合比較，本系統(tǒng)選用 ATL 公司非接觸式 IC 卡芯片 AT45 作為日常識(shí)別用 IC 卡。 出于對(duì)控制能力、運(yùn)算速度、擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)能力等方面的考慮，本系統(tǒng)的微處理器選用 8 位單片機(jī) AT89C51。 IC卡芯片 的 特點(diǎn) IC 卡是集成電路卡 (Integrated Circuit Card)的簡(jiǎn)稱，有些國(guó)家和地區(qū)稱之為微芯片卡 (Microchip card)或微電路卡 (Microcircuit Card)。本節(jié)介紹 IC 卡的一些基本知識(shí)，使讀者對(duì) IC 卡有一個(gè)大概的了解，IC 卡 芯片 的 特點(diǎn) ： ； ：主存儲(chǔ)器、保護(hù)型存儲(chǔ)器、加密存儲(chǔ)器； ，觸點(diǎn)和串行接口滿足 ISO7816 同步傳送協(xié)議； NMOS 工藝技術(shù)，每字節(jié)的擦除 /寫(xiě)入編程時(shí)間為 ； （ ATR）符合 ISO/IEC78163協(xié)議； 10 000 次的擦除 /寫(xiě)入周期，數(shù)據(jù)保持時(shí)間至少為 10 年； ：數(shù)據(jù)僅能在正確輸入 24 位可編程安全碼（安全存儲(chǔ)器）之后才能改變。 1)主存儲(chǔ)器 :主存儲(chǔ)器為可重復(fù)擦除使用的 EEPROM 型存儲(chǔ)器。在擦除時(shí)，一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的所有 8 位被全部置“ 1”。通常，要改變一個(gè)數(shù)據(jù)需要先進(jìn)行擦除再進(jìn)行寫(xiě)入兩項(xiàng)操作。反之亦然，在被尋址的字節(jié)中，如果沒(méi)有一個(gè)字節(jié)需要從 1 變?yōu)?0，則可以不做寫(xiě)入處理，寫(xiě)入或擦除操作一次至少耗費(fèi) 時(shí)間。但主存儲(chǔ)器可分為兩個(gè)數(shù)據(jù)區(qū) :保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)和應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)，保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)是主存儲(chǔ)器前 32 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)區(qū)。當(dāng)保護(hù)存儲(chǔ)器中第 N位為 0時(shí)，則對(duì)應(yīng)主存儲(chǔ)器中第 N個(gè)字節(jié)就不允許進(jìn)行擦除和寫(xiě)入操作。應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)為主存儲(chǔ)器后 224 個(gè)字節(jié)。當(dāng)需要修改應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容時(shí)，必須首先輸入一個(gè) 3 字節(jié)長(zhǎng)的“校驗(yàn)字”。只有當(dāng)兩 者完全一致時(shí)，芯片的加密控制邏輯才打開(kāi)芯片的主存儲(chǔ)器，允許后面的擦除和寫(xiě)入操作。如果在連續(xù)三次比較失敗之后，芯片的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到“ 0”，并將鎖死主存儲(chǔ)器，禁止隨后的任何比較操作和寫(xiě)入擦除操作。芯片中各存儲(chǔ)器的內(nèi)容不能再改變。它是按字位方式尋址和寫(xiě)入。因此可以理解為每個(gè)字節(jié)單元的控制熔絲。畢業(yè)論文：基于單片機(jī)的 IC 卡讀寫(xiě)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 5 從控制方面來(lái)說(shuō)，保護(hù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容只能從“ 1寫(xiě)成“ 0”而不能從“ 0”擦除成“ 1”。從使用方面來(lái)講，如果需要防止一些固定的標(biāo)識(shí)參數(shù)被改動(dòng)，可以將這類參數(shù)先寫(xiě)入主存儲(chǔ)器的保護(hù)存儲(chǔ)區(qū)，然后將對(duì)應(yīng)單元的保護(hù)存儲(chǔ)器的字位寫(xiě)位“ 0”，從而使這一部分單元中的參數(shù)內(nèi)容永遠(yuǎn)不可更改。但對(duì)其寫(xiě)入操作仍然受到加密存儲(chǔ)器比較校驗(yàn)操作結(jié)果的控 制。如果比較不成功，則控制邏輯將閉鎖保護(hù)存儲(chǔ)器。在這個(gè)存儲(chǔ)器中，第 0字節(jié)為“密碼輸入錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器” (EC)。在芯片初始化時(shí)，計(jì)數(shù)器設(shè)置成 111。每次比較密碼時(shí)，先判斷計(jì)數(shù)器中是否還有“ 1”。如果比較結(jié)果一致，密碼錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器將允許進(jìn)行擦除操作 (芯 片不能自動(dòng)進(jìn)行擦除操作 )，同時(shí)打開(kāi)主存儲(chǔ)器、保護(hù)存儲(chǔ)器和加密存儲(chǔ)器，并允許進(jìn)行擦除和寫(xiě)入操作。只要計(jì)數(shù)器的內(nèi)容不全為 0，則芯片的比較“校驗(yàn)字”操作還允許進(jìn)行。加密存儲(chǔ)器的第 1,2,3 字節(jié)為“參照字”存儲(chǔ)區(qū)。值得注意的是 :這 3 個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在 PSC 比較成功前是不可讀的，只能進(jìn)行比較操作。只 有當(dāng)“比較”成功，加密存儲(chǔ)器各字節(jié)內(nèi)容才可以進(jìn)行讀出、寫(xiě)入和擦除。 I/O線上數(shù)據(jù)變化只在 CLK 信號(hào)的下降沿才有效。在操作期間的任何時(shí)候都可以復(fù)位，只有經(jīng)過(guò)了復(fù)位才能對(duì) IC卡進(jìn)行其他操作 .開(kāi)始時(shí)地址計(jì)數(shù)器隨一個(gè)時(shí)鐘脈沖而被設(shè)置 成 0。若連續(xù)輸入 32個(gè)時(shí)鐘脈沖，主存儲(chǔ)器中的前 4 個(gè)字節(jié)地址單元中的內(nèi)容被讀出。 在復(fù)位響應(yīng)期間，“啟動(dòng)”和“停止”狀態(tài)被忽略。每條命令都以一個(gè)“啟動(dòng)狀態(tài)”開(kāi)始。隨后緊跟著一個(gè)附加脈沖并用一個(gè)“停止?fàn)町厴I(yè)論文：基于單片機(jī)的 IC 卡讀寫(xiě)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 6 態(tài)”來(lái)結(jié)束操作 啟動(dòng)狀態(tài) :在 CLK 為 H 狀態(tài)期間， I/O 線的下降沿為啟動(dòng)狀態(tài)。 在接受一個(gè)命令之后，有兩種可能的模式 :輸出數(shù)據(jù)模式 (即讀數(shù)據(jù)模式 )和處理數(shù)據(jù)模式。 在第一個(gè) CLK 脈沖的下降沿之后， I/O線上的第一位數(shù)據(jù)變?yōu)橛行?。其輸出的順序是從每個(gè)字節(jié)的最低位開(kāi)始。在輸出數(shù)據(jù)期間，任何“啟動(dòng)狀態(tài)”和“停止?fàn)顟B(tài)”均 被屏蔽掉。 芯片在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿將 I/O 從 H狀態(tài)拉為 L狀態(tài)并開(kāi)始處理。在整個(gè)處理過(guò)程中 I/O 線被鎖定成低狀態(tài)。首先傳送字節(jié)的最低位 LSB(即 B0)。在最后一位 D7傳送完成之后，需要增加一個(gè)附加脈沖把 I/O 線置成高狀態(tài)。該命令的控制字為 (30H)。從給定的字節(jié)地址 (N)開(kāi)始，直到整個(gè)存儲(chǔ)器的末尾。對(duì)于從地址 (N)開(kāi)始讀數(shù)據(jù)所需要的時(shí)鐘脈沖的數(shù)量 M=(256N) 8+1。 讀保護(hù)存儲(chǔ)器 :該命令的控制字為 (34H).在連續(xù)輸入 32 個(gè)時(shí)鐘脈沖情況下，芯片將保護(hù)存儲(chǔ)器內(nèi)各位內(nèi)容傳送到 I/O 線上。對(duì)保護(hù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀取操作不受限制。在輸出數(shù)據(jù)模式下，所需時(shí)鐘脈沖的數(shù)量為 32。如果可編程加密代碼（ PSC）的校驗(yàn)不成 功 (除第 0 字節(jié)可讀除外 )， I/O線總保持低狀態(tài)。該命令的控制字為 (38H)。該命令的控制字為 (39H)，該命令只能在可編程加密代碼 (PSC)比較成功之后才能進(jìn)行。 寫(xiě)保護(hù)存儲(chǔ)器 :這一命令的執(zhí)行過(guò)程包括一個(gè)把被輸入的數(shù)據(jù)與在 EEPROM 中對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的過(guò)程。從而使得主存儲(chǔ)器中的信息不可更改。該命令所需時(shí)鐘脈沖和執(zhí)行時(shí)間與修改主存儲(chǔ)器命令的情況相同。PROM 用來(lái)存儲(chǔ)關(guān)鍵信息。PROM 的 28 系列的芯片具有編程簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)，但是在此讀寫(xiě)系統(tǒng)中其容量比實(shí)際要求的要大，若選用此系列的芯片不但能浪費(fèi)絕大部分的存儲(chǔ)單元，而且占用外部的存儲(chǔ)空間，增加了譯碼線路，并且增加了線路板的面積。 該芯片存儲(chǔ)容量為 256 字節(jié)，采用 I2C 串行總線協(xié)議與單片機(jī)通信，該芯片采用低功耗 CMOS 工藝制造，可以在無(wú)電源狀態(tài)下長(zhǎng)期可靠存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)重要數(shù)據(jù)，工作壽命可達(dá)畢業(yè)論文：基于單片機(jī)的 IC 卡讀寫(xiě)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 8 106次。 AT24C02 芯片還具有體積小巧的特點(diǎn)，并且采用特殊的工作時(shí)序，絕不會(huì)誤寫(xiě)成功，具有高度的可靠性。數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時(shí)鐘從該引腳輸入。用于傳送地址和發(fā)送與接收數(shù)據(jù)，為雙向傳輸。 WP：寫(xiě)保護(hù)端。 畢業(yè)論文：基于單片機(jī)的 IC 卡讀寫(xiě)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 9 第二章 讀寫(xiě) 系統(tǒng)的工作機(jī)制 通訊傳輸機(jī)制 本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的 讀卡器與 IC 卡之 間通信按照一定的操作進(jìn)行： 讀卡器產(chǎn)生的 RF 場(chǎng)激活 IC 卡工作，之后 IC 卡等待來(lái)自 讀卡器的命令， 讀卡器傳送尋卡命令， IC 卡接收到命令之后則傳回響應(yīng)信息。在時(shí)隙算法中，最大的問(wèn)題是時(shí)隙個(gè)數(shù)的確定，隙數(shù)數(shù)量 N 對(duì)信道的傳輸性能有很大影響，如果有較多的 IC 卡處在讀卡器的作用范圍內(nèi)，而時(shí)隙數(shù)有限，則系統(tǒng)的吞吐率就會(huì)下降很快。如果準(zhǔn)備了較多的時(shí)隙，但 IC 卡較少，則會(huì)造成傳輸效率降低。動(dòng)態(tài)時(shí)隙算法的基本思想是：讀寫(xiě)器在等待狀態(tài)中的循環(huán)時(shí)隙段內(nèi)發(fā)送請(qǐng)求命令，該命令使處于工作 狀態(tài)的 IC 卡同步，然后提供 1 或 2 個(gè)時(shí)隙給處于工作狀態(tài)的 IC 卡使 用， IC 卡可以選擇自己的傳送時(shí)隙，如果在這 1 或 2 個(gè)時(shí)隙內(nèi)產(chǎn)生了較多的數(shù)據(jù)沖突，則讀寫(xiě)器就在下一個(gè)請(qǐng)求命令中增加可以使用的時(shí)隙數(shù)，直到不出現(xiàn)沖突為止?？ㄆ谂c讀寫(xiě)設(shè)備的通信過(guò)程中的狀態(tài)見(jiàn)圖 21： 畢業(yè)論文：基于單片機(jī)的 IC 卡讀寫(xiě)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 10 P O W E R O F F狀 態(tài)I D L E狀 態(tài)R A E D Y狀 態(tài)A C T I V E狀 態(tài)H A L T狀 態(tài)上 位 復(fù) 電R U P A W U P A 命 令應(yīng) 用防 沖 突 循 環(huán)S E L E C T 命 令W U P A 命 令 圖 21 IC 卡通信狀態(tài)圖 POWER OFF 狀態(tài)：卡片缺少負(fù)載能量而處于斷電狀態(tài)。在成功執(zhí)行過(guò)尋卡命令后，卡可以進(jìn)入 READY 狀態(tài)。根據(jù) CID，卡片被選中后，可進(jìn)入 ACTIVE 狀態(tài)。 HALT 狀態(tài)：在掛起狀態(tài)，卡片僅對(duì) WUPB 命令有反應(yīng)。在防沖突期間，可能發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上都 IC 卡同時(shí)響應(yīng)，也就是發(fā)生了沖突。防沖突處理方案是以時(shí)間槽為基礎(chǔ)的，要求 IC 卡在時(shí)間槽內(nèi)用最小的標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)答，時(shí)間槽的個(gè)數(shù)被參數(shù)化，范圍從 1 到某一整 數(shù) N， N 一般定義為 16，在每一時(shí)間槽內(nèi)， IC 卡響應(yīng)的概率也是可控制的。 IC 卡接收到正確的尋卡 /喚醒（ REQB/WUPB）命令后進(jìn)入預(yù)備接收（ READYREQUESTED）狀態(tài)，如果命令中應(yīng)用類別號(hào) (AFI)與自己的 AFI 相符，則繼續(xù)判斷時(shí)隙數(shù) N，如果 N=1,則返回 ATQB，進(jìn)入 READY_DECLARED 狀態(tài)。如果 R1 則等待時(shí)隙數(shù)為 R 的 SLOT_MARKERL 命令后，發(fā)送 ATQB 命令，進(jìn)入READY_DECLARED 狀態(tài)。進(jìn)入 READY_DECLARED 狀態(tài)后，卡可識(shí)別 REQB/WUPB 命令、 ATTRIB 命令、 HALT 命令。當(dāng)接收到休眠（ HALT）命令，則進(jìn)入休眠（ HALT）狀態(tài)，此時(shí)，卡之響應(yīng) WUPB 命令。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院桶踩? 使用 識(shí)別技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)和容易遇上干擾，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)生改變從而導(dǎo)致 傳輸錯(cuò)誤。在 識(shí)別的通信程過(guò)中最常用的檢驗(yàn)方法就奇偶校驗(yàn)、循環(huán)冗余校驗(yàn)。在與安全有關(guān)的識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用中，例如出入系統(tǒng)或支付系統(tǒng)，必須采取安全措施來(lái)防止遭受惡意攻擊。 (b)讀卡器產(chǎn)生一個(gè)隨 機(jī)數(shù) Ra,使用共享的密鑰 K 和共同的加密算法 Ek，算出加密 數(shù)據(jù)塊 TOKEN AB,并將 TOKEN AB 傳送給 IC 卡。 (d)