【正文】 天線射頻接口電路設(shè)計三個部分。軟件設(shè)計分為對 MFRC500 的應(yīng)用程序的設(shè)計、對讀卡器其他電路的應(yīng)用程序設(shè)計和主程序設(shè)計三個部分，每一部分都給出了具體程序并對程序進行了詳細的說明。它將一個集成電路芯片鑲嵌于塑料基片中，封裝成卡的形式，其外形與覆蓋磁條的磁卡相似。在此后的十幾年間，除法國的布爾公司之外，世界上先后有 Motorola、 TI、Thomson、 Hitachi、 OKI、 Toshiba、 Sharp、 Atmel、 Gemplus、 Schlumberger、Philips 等十幾家公司相繼投入了智能卡芯片和卡片成品的開發(fā)與生產(chǎn)，形成了一個世界性的新興技術(shù)產(chǎn)業(yè) [1]。 IC 卡從硬件和軟件等幾個方面實施其安全策略，可以控制卡內(nèi)不同區(qū)域的存取 特性。 IC 卡極高的安全可靠性使其在應(yīng)用中對計算機網(wǎng) 絡(luò)的實時性、敏感性要求低，有利于在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不高的環(huán)境中應(yīng)用。在全球智能卡蓬勃發(fā)展之際，中國于 1993 年提出了“金卡工程”。在“金卡工程”提出至今10 年來，我國 IC 卡應(yīng)用發(fā)展 迅猛，累計發(fā)卡約 6 億張，據(jù)不完全統(tǒng)計，僅 2021年一年，我國發(fā)行使用各類 IC 卡約 億張左右。它對提高現(xiàn)代化管理水平和人民的生活質(zhì)量，推動整個社會信息化 進程具有重要作用。 IC 卡的分類 IC 卡可以按照多種方法進行分類，根據(jù)卡中所鑲嵌的集成電路的不同可以分成以下三類 [1]： 存儲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 以及固化在卡 ROM中的片內(nèi)操作系統(tǒng) COS（ chip operating system）。 按照應(yīng)用領(lǐng)域來分， IC 卡分為金融卡和非金融卡，金融卡又有信用卡和現(xiàn)金卡等。還有一種雙界面 IC 卡，其既可以 接觸式使用也可以非接觸式使用，是未來IC 卡發(fā)展的方向之一。操作時，卡可以放在錢包、衣服口袋或公文包中無需拿出，大大提高了使用速度。 高抗干擾性 非接觸式 Ic 卡具有防沖突機 制，在多張卡片同時進入讀卡器工作范圍時能夠防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，允許多張卡片同時操作。 高可靠性 非接觸式 IC 卡與讀卡器之間無機械接觸，避免了由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障，同時無需擔心由于觸點損壞或脫落而導致卡片失效，提高了應(yīng)用的可靠性及設(shè)備和卡的壽命。同時，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 卡的使用中對讀卡器進行惡意破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。 高安全性 非接觸式 IC 卡的序列號是唯一的，制造商在產(chǎn)品出廠前將此序列號固化于卡內(nèi)芯片中，不可再更改，使用時非接觸式 IC 卡于讀卡器要進行三次相互認證，而且通訊過程中所有的數(shù)據(jù)都加密，卡內(nèi)各個扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件。 按照工作頻率可分為： 低頻卡－卡與讀卡器間通信使用的頻段為低頻段，如 125KHz； 高頻卡－卡與讀卡器間通信使用的頻段為高頻段，如 915MHz、 等。 按照卡內(nèi)芯片的供電方式可分為： 有源卡－卡內(nèi)帶電池； 無源卡－卡內(nèi)為設(shè)備，工作時由讀寫設(shè)備通過無線方式供電。 由于 IC 卡的尺寸限制，使得卡內(nèi)天線需要特殊設(shè)計。 低功耗技術(shù) 對于卡內(nèi)有電池和無電池的非接觸式 IC 卡來說降低芯片功耗提高卡片壽命和保證一定的工作距離都非常重要。 封裝技術(shù) 由于非接觸式 IC 卡中需要封裝天線、芯片 和片外電容等部件為確?？ㄆ拇笮?、厚度、柔韌性，需要特殊的封裝技術(shù)。 卡用芯片的物理安全技術(shù)－通過設(shè)置高 /低電壓檢測器、低頻時鐘探測器、熔絲、存儲器物理保護層、存儲器邏輯保護、金屬化結(jié)構(gòu)等措施防止對芯片存儲器和其他邏輯電路的分析，并防止再測試功能。 卡的通訊安全 技術(shù)－通過三次相互認證、傳輸數(shù)據(jù)加密、設(shè)置存儲區(qū)密碼和訪問條件、每個芯片設(shè)置唯一序列號以及在芯片運送過程中設(shè)置傳輸代碼防止對數(shù)據(jù)的非法截取分析、對存儲區(qū)的非法訪問和對芯片的非法個人化。將來用戶攜帶的一張 IC 卡內(nèi)可以有多個分區(qū)，用作電子錢包、電子車票 、身份證和護照等電子個人身份識別、電子醫(yī)療檔案、工作證、保險證以及電話付費等許多領(lǐng)域，這必將促使卡內(nèi)存儲器的容量向更大的方向發(fā)展。 更強的處理能力 IC 卡在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用對其處理能力提出了更高的要求，提高處理能力的方法有兩種，一是借助于具有擴展尋址模式的先進指令組，它能提高翻譯機和編譯器的效率；二是向更高的具有 32 位數(shù)據(jù)通路的 MCU 發(fā)展，技術(shù)的進步還可以使內(nèi)部時鐘頻率從 5MHz 增加到 10MHz。這一方面體現(xiàn)在使用更加復雜的加密方式令破譯更加困難，另一方面體現(xiàn)在提高卡內(nèi)微處理器的速度及增加 RAM 的容量使得加密過程更加短暫，以便節(jié)省用戶時間。 低功耗 無論非接觸式 IC 卡的內(nèi)部帶不帶電池，卡內(nèi)芯片的低壓低功耗設(shè)計都是非常重要。 遠距離 由于遠距離卡在使用速度和方便性上都超過了近距離卡，使其成為非接觸式IC 卡發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)在很多國際大公司都開發(fā)成功了雙界面 IC 卡，并已投入使用。 接觸式 IC 卡的國際標準 ISO/IEC7816 是 ISO/IEC（國際標準化組織 /國際電子技術(shù)委員會）推出的接觸式 IC 卡遵循的主要國際標準，包括 10 個部分，對 IC 卡的物理特性、卡上觸點尺寸與位置、電信號與傳輸協(xié)議、行業(yè)間交換命令、數(shù)據(jù)元以及 IC 卡注冊管理辦法等作出了詳細的規(guī)定 [5]。本課題開發(fā)的非接觸式 IC 卡讀寫設(shè) 備即是基于 ISO/IEC 14443 TypeA 標準的 [4]。 本論文的任務(wù) 非接觸式 IC 卡代表了 IC 卡發(fā)展的方向，同接觸式 IC 卡相比其獨有的優(yōu)點 使其能夠在絕大多數(shù)場合代替接觸式 IC 卡的使用，而在非接觸式 IC 卡應(yīng)用系統(tǒng)中非接觸式 IC 卡讀卡器是關(guān)鍵設(shè)備。 射頻識別技術(shù) 射頻識別技術(shù)是在射頻技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上于 20 世紀 80 年代 中期問世的。與傳統(tǒng)的條碼或磁條識別技術(shù)相比，射頻識別技術(shù)具有非接觸、作用距離遠、精度高、信息的收集和處理快捷靈活及較好的的應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性等一系列的優(yōu)點，在工業(yè)自動化、商品控制、交通運輸控管等眾多領(lǐng)域得到廣泛的發(fā)展。其中主動詢問子系統(tǒng)從基本功能上又可分為兩個層次：系統(tǒng)管理層和接口層。 系統(tǒng)管理層 系統(tǒng)管理層一般設(shè)于 IC 卡發(fā)放、管理部門。另外，系統(tǒng)管理層還負責 IC 卡內(nèi)信息的安全保密。 接口層 接口層負責射頻識別 IC 卡和管理主機之間的信息交換和傳輸，其功能通常由非接觸式 IC 卡讀卡器或 IC 卡應(yīng)用終端具體實現(xiàn)。非接觸式 IC 卡讀卡器通常包括收發(fā)模塊、控制模塊（單片機）、主控機和單片機之間的接口模塊以及天線系統(tǒng)。本文將對這些技術(shù)進行詳細的闡述。通常應(yīng)答器由耦合元件以及微電子芯片組成。 非接觸式 IC 卡技術(shù) 目前國際上具有代表性的兩大非接觸式 IC 卡技術(shù)是 LEGIC 技術(shù)和 MIFARE技術(shù)。這兩種技術(shù)都采用 的近距離非接觸式 IC 卡通訊頻率標準，其讀寫速度和讀寫距離是相同的，在通訊安全上均采用符合 ISO9798 國際標準的 3 次互感校驗技術(shù)，以對卡和讀寫設(shè)備的合法性進行相互校驗；在數(shù)據(jù)通訊上均采用 DSA 算法對通訊數(shù)據(jù)進行加密，以確?？ㄉ系臄?shù)據(jù)不被非法的修改。 LEGIC 采用授權(quán)讀寫控制方式 ,即讀寫設(shè)備必須先獲得“設(shè)備授權(quán)卡”的授權(quán)后才能讀寫本系統(tǒng)的 IC 卡 ,而卡的初始化又必須經(jīng)過上級授權(quán)卡的授權(quán) ,并且只可以在專用的授權(quán)設(shè)上進行。 LEGIC 模塊與監(jiān)控計算機之間采用串行通訊方式，讀寫進程由模塊自動完成。 LEGIC 采用同一時間內(nèi)只能讀寫一張卡的防沖撞模式。 MIFARE 非接觸式IC 卡目前占據(jù)世界非接觸式 IC 卡市場 80％的份額。 MIFARE 1 非接觸式 IC 卡 MIFARE 1 非接觸式 IC 卡特點 MIFARE 1 IC 卡的核心是 Philips 公司的 MIFARE 1 IC S50（ 01， 02， 03，04）系列微模塊（微晶片）。 MIFARE1IC 卡內(nèi)建有高速的 CMOS EEPROM、 MCU 等。 卡片上無源（無任何電池），工作時的電源能量由卡片讀卡器天線發(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，供卡片上 IC 工作。 射頻卡標準操作距離為 100mm（由 MFCM500 作為讀卡器核心模塊）和 25mm（由 MFRC500 作為讀卡器核心模塊）。 MIFARE 1 IC 智能 射頻 卡上具有先進的數(shù)據(jù)通信加密并雙向驗證密碼系統(tǒng)；且具有防重疊功能：能在同一時間處理重疊在卡片讀卡器天線的有效工作距離內(nèi)的多張重疊的卡片?？ㄆ圃鞎r具有唯一的卡片系列號，沒有重復的相同的兩張 MIFARE 卡片。 卡片上還內(nèi)建有增值 /減值的專項的數(shù)學運算電路，非常適合公交 /地鐵等行業(yè)的檢票 /收費系統(tǒng)。 MIFARE 1 非接觸式 IC 卡的功能組成 如圖 所示為 MIFARE 1 S50 非接觸式 IC 智能射頻卡的功能組成圖。 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。 POR 模塊主要是對卡片上的各個電路進行 POWERONRESET（上電復位），使各電路同步啟動工作。如果不進行第一步的 ATR 工作，讀卡器對卡片的其他操作（ Read/Write 等）將不會進行 [9]。在程序員控制下的讀卡器將會首先 與每一張卡片進行通信，取得每一張卡片的系列號。被選中的卡片將直接與讀卡器進行數(shù)據(jù)交換，未被選擇的卡片處于等待狀態(tài)，隨時準備與讀卡器進行通信。 序列號 Serial Number 存儲在卡片的 Block 0 中，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)，這在以后章節(jié)中詳細論述，包括對序列號Serial Number 的校驗方法等。以使卡片真正地被選中。當讀卡器收到這一字節(jié)后，將明確可以對卡片進行深一步的操作了。 Authenticationamp。 MIFARE 1 卡片上有 16 個扇區(qū)，每個扇區(qū)都可分別設(shè)置各自的密碼，互不干涉。整個卡片可以設(shè)計成“一卡通”形式來應(yīng)用。 圖 三遍認證的令牌原理圖 認證過程是這樣進行的： （ A）環(huán)：由 MIFARE 1 卡片向讀卡器發(fā)送一個隨機數(shù)據(jù) RB； （ B）環(huán)：由讀卡器收到 RB 后向 MIFARE 1 卡片發(fā)送一個令牌數(shù)據(jù) TOKEN AB，其中包含了讀卡器發(fā)出的一個隨機數(shù)據(jù) RA； （ C）環(huán)： MIFARE 1 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 MIFARE 1 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 MIFARE 1 卡片向讀卡器發(fā)送令牌TOKEN BA 給讀卡器； （ E）環(huán)：讀卡器收到令牌 TOKEN BA 后，讀卡器將對令牌 TOKEN BA 中的 RB（隨機數(shù)）進行解密；并校驗第一次由（ B）環(huán)中讀卡器發(fā)出去的隨機數(shù) RA 是否與（ D）環(huán)中接收到的 TOKEN BA 中的 RA 相一致。讀卡器將能對剛剛認證通過的卡片上的這個扇區(qū)可以進入下一步的操作卡片中的其他扇區(qū)由于有其各自的密碼，因此不能對其進行進一步的操作。認證過程中的任何一環(huán)出現(xiàn)差錯，整個認證將告失敗，必須從新開始。 Controlamp。它主要進行對整個卡片的各個單位進行微操作控制，協(xié)調(diào)卡片的各個步驟；同時它還對各種收 /發(fā)的數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算處理，遞增 /遞減處理， CRC 運算處理，等等，是卡片中內(nèi)建的 MCU 單元。 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。 Crypto Unit 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。 EEPROM INTERFACE/EEPROM MEMORY EEPROM 存儲器及其接口電路：該單元主要用于存儲數(shù)據(jù)。用戶所要存儲的數(shù)據(jù)被存放在該單元中。分為 16 個扇區(qū)。每個扇區(qū)有 4 個塊（ Block），分別為塊 0、塊 塊 2 和塊 3。一個扇區(qū)共有 16 Byte 4 64 Byte。其余三個塊是一般的數(shù)據(jù)塊但扇區(qū) 0 的塊 0 是特殊的，是廠商代碼，已固化，不可改寫。下面將對密碼 A，密碼 B，存取控制與數(shù)據(jù)區(qū)的關(guān)系加以說明：存取控制的結(jié)構(gòu)如表 [7]所示： 位： 7 6 5 4 3 2 1 0 C2X3_b C2X2_b C2X1_b C2X0_b C1X3_b C1X2_b C1X1_b C1X0_b C1X3 C1X2 C1X1 C1X0 C3X3_b C3X2_b C3X1_b C3X0_b C3X3 C3X2 C3X1 C3X0 C2X3 C2X2 C2X1 C2X0 BX7 BX6 BX5 BX4 BX3 BX2 BX1 BX0 表 存儲控制的結(jié)構(gòu) _b 表示取反，如 C2X3_b 即 C2X3 取反； X 表示扇區(qū)， C 表示控制位； B 表示備用位。 對數(shù)據(jù)塊的控制如表 3－ 3[7]所示： X 015 扇區(qū)、 Y 每個扇區(qū)的 02 塊 C1XY C2XY C3XY Rea