非接觸式ic卡的應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 寫器發(fā)出的一個隨機數(shù)據(jù) RA。 C 環(huán)： Mifare0ne 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 Mifare0ne 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 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，讀寫器將對令牌 TOKENBA 中的 RB(隨機數(shù) )進行解密；并校驗第一次由 (B)環(huán)中讀寫器 發(fā)出去的隨機數(shù) RA 是否與 (D)環(huán)中接收到的 ToKENBA 中的 RA 相一致； 如果上述的每一個環(huán)都為“真”，都能正確通過驗證，則整個的認(rèn)證過程將成功。 讀寫器將能對剛剛認(rèn)證通過的卡片上的這個扇區(qū)可以進入下一步的操作 (R臥 D／ wRITE 等操作 )。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。如想對其他扇區(qū)進行操作，必須完成上述的認(rèn)證過程。認(rèn)證過程中的任何一環(huán)出現(xiàn)差錯，整個認(rèn)證將告失敗。必須從新開始。 ⑷ IC 卡的主要指標(biāo)存儲結(jié)構(gòu) ① 主要 指標(biāo) [4] ? 容量為 8K 位 EEPROM ? 分為 16 個扇區(qū)，每個扇區(qū)為 4 塊，每塊 16 個字節(jié) ,以塊為存取單位 ? 每個扇區(qū)有獨立的一組密碼及訪問控制 ? 每張卡有唯一序列號，為 32 位 ? 具有防沖突機制，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) ? 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 存儲結(jié)構(gòu) Mifair 卡分為 16 個扇區(qū)，每個扇區(qū)由 4 塊 (塊 0、塊 塊 塊 3)組成，我們也將 16 個扇區(qū)的 64 個塊按絕對地址編號為 O 一 63，存儲結(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。每個扇區(qū)的塊 0、塊 塊 2 為數(shù)據(jù)塊，可用于存儲數(shù)據(jù)。每個扇區(qū)的塊 3 為控制塊，包括了密碼A、存取控制、密碼 B；每個扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨立的，可以根據(jù)實際需要設(shè)定各自的密碼及存取控制。存取控制為 4 個字節(jié)，共 32 位，扇區(qū)中的每個塊 (包括數(shù)據(jù)塊和控制塊 )的存取條件是由密碼和存取控制共同決定的，在存取控制中每個塊都有相應(yīng)的三個控制位，三個控制位以正和反兩種形式存在于存取控制字節(jié)中，決定了該塊的訪問權(quán)限 (如進行減值操作必須驗證 KEYA，進行加值操作必須驗證 KEYB，等等 )。 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受到了人們的高度關(guān)注。如今如何有效防止各種可能的攻擊和欺詐，成為非接觸 Ic 卡實際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的重要課題。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9 以下技術(shù)，一是采 用射頻識別技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)以確保通信時數(shù)據(jù)的可靠和完整性；二是采用 IC 卡技術(shù)和快速防沖突機制，防止通信時卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，以提高應(yīng)用的并行性。 非接觸式智能卡系統(tǒng)是一個典型的跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域，一個多技術(shù)融合的系統(tǒng)。 自動 識別技術(shù) 自動識別技術(shù)就是應(yīng)用一定的識別裝置，通過被識別物品和識別裝置之間的接近活動自動地獲取被識別物品的相關(guān)信息并提供給后臺的計算機處理來完成相關(guān)后續(xù)處理的一種技術(shù)。自動識別技術(shù)足以計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)的綜合性科學(xué)技術(shù)，它是信息數(shù)據(jù)自動識讀、自動輸入計算機的 重要方法和手段。 自動識別技術(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)字符識別技術(shù)、射頻技術(shù)、聲音識別及視覺識別等集計算機、光、磁：物理、機電、通信技術(shù)為體的高赫技術(shù)學(xué)科。完整的自動識別計算機管理系統(tǒng)包括自動識別系統(tǒng) (AIDs)、應(yīng)用程序接口(API)、中間件、應(yīng)用系統(tǒng)軟件。 自動識別技術(shù)根據(jù)識別對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)。數(shù)據(jù)采集技術(shù)的基礎(chǔ)特征需要被識別物體具肯特定的識別特征載體；而特征提取技術(shù)則根據(jù)被識別物體本身的行 為特征來完成數(shù)據(jù)的自動采集。 自動識別技術(shù)包括： (1)條碼技術(shù)； (2)光學(xué)字符識別； (3)磁條 (卡 )技術(shù)； (4)IC 卡識別技術(shù) (5)聲音識別技術(shù) (6)視覺識別 (7)射頻識別技術(shù) (RFID)： 射頻識別技術(shù)（ Radio FrequencyIdentification，縮寫 RFID）是 20 世紀(jì) 90 年代開始興起的一種自動識別技術(shù)，射頻識別技術(shù)是一項利用射頻信號通過空間耦合 (交變磁場或電磁場 )實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)。從信息傳遞的基本原理來說，射頻識別技術(shù)在低頻段基于變壓器 耦合模型 (初級與次級之間的能量傳遞及信號傳遞 )，在高頻段基于雷達探測目標(biāo)的空間耦合模型 (雷達發(fā)射電磁波信號碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達接收機 )。本設(shè)計主要涉及到射頻識別技術(shù)。 密碼技術(shù) [5] 隨著 IC 卡應(yīng)用范圍的不斷擴大，針對 IC 卡的各種攻擊也不斷增多，因此 Ic卡的安全和保密性顯得日益重要，現(xiàn)在己經(jīng)成為 Ic 卡技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。 通訊安全和保密通信安全與保密是為了達到 IC 卡與讀寫設(shè)備進行信息交換過程中的有效與合法。具體而言，也就是要求相互傳送的信息具有完整性、真實性、有效性、保密性和不可否認(rèn) 性。完整性是指 IC 卡與讀寫設(shè)備必須能檢測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，對于完整性的保證，一般是在所交換的信息內(nèi)添加一段報文鑒別碼 (MAC)。真實性是指 IC 卡和讀寫設(shè)備都必須有一種確證能力，能夠確證它們各自所收到的信息都由真實對方發(fā)出，自己發(fā)出的信息也確實被真實對方接收。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；對于有效性的保證一般是在通信信息內(nèi)添加加密后的時間段信息。保密性是指通過對要交換的信息進行加密處理來防止非授權(quán)者讀到真實的明文內(nèi)容。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。 使用密碼進行通信的一般模型如圖 ：其中要被加密的原文稱為明文，加密過程的輸出稱為密文，密文通過傳輸信道傳輸?shù)浇邮斩耍缓笸ㄟ^解密過程將明文還原。可見，數(shù)據(jù)的加密和解密的過程實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。 圖 密碼通信的一般模型 完成加密和解密的算法稱為密碼體制。密碼體制的分類有很多種。按照加密密鑰和解密密鑰是否相同，分為對稱密鑰密碼體制 (秘密密鑰體制 )和非對稱密 鑰密碼體制 (公開密鑰體制 )。 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 11 3 非接觸式 IC 卡讀卡器的硬件設(shè)計 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)動電路等 。 微控制器是讀卡器的主控模塊， Mifare 芯片是讀卡器的射頻模塊，天線模塊由天線耦合電路和天線組成，通信模塊由 RS232 接口電路組成。 非接觸式 IC 卡讀卡器主控模塊設(shè)計 本課題的讀卡器主控模塊由單片機及其外圍電路組成。選擇單片機時應(yīng)考慮以下幾個問題：系統(tǒng)時鐘 頻率、計算速度、處理能力、兼容性、系統(tǒng)整體設(shè)計等。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 機通信以及與射頻模塊通信 )，存儲器空間的大小。這里的中央主控制模塊采用 8 位單片機即可以達到要求。根據(jù)市場上的單片機的性能、價格、應(yīng)用領(lǐng)域的不同，加之綜合考慮諸如單片機程序存儲器的容量、外部中斷及定時中斷功能、開發(fā)工具的費用等因素，從市場上眾多的 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 )。考慮本讀卡器的程序量不大，接口比較直觀，因而不用再擴展程序存儲器 ，下面 簡單的介紹一下 AT89C51。 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，片內(nèi)含 4kbytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 128bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(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 存儲單元。 AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 32 個 I／ O 口線，兩個 16 位定時計數(shù)器，一個 5 向量級中斷結(jié)構(gòu) ，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時， 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。空閑方式停止CPu 的工作，但允許 RAM，定時計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。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硬件復(fù)位。 ⑵ AT89C51 電路連接圖如圖 所示： AT89C51 的 PO 口作為地址和數(shù)據(jù)分時復(fù)用口，與 RC500 芯片的數(shù)據(jù)總線相連。 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。 圖 單片機電路連接圖 IC 卡讀卡器通信模塊設(shè)計 讀卡器用串行接口芯片 MAX232 通過標(biāo)準(zhǔn)的 DB9 直接與 PC 機相連。 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)動器，我們只用其中一路收發(fā)器。芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器可把輸入的 +5V 電源電壓變換為 RS232 輸出電平所需的177。 10V 電壓 (負(fù)邏輯 )。所以使用此接口芯片的串行通信系統(tǒng)只需單一的 +5V 電源。 在本設(shè)計中硬件上采用 3 線制 (RXD、 TXD、 GND)軟握手的零 MoDEM 方式，即將 PC 機和單 片機的發(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，而其它信號線如握手信號線均不用，而采用軟件握手，這樣即可以實現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)又可以簡化電路設(shè)計，節(jié)約了成本。 MAX232 的電路連 接 圖[7]如圖 3． 3 所示： 圖 電路連接圖 注：系統(tǒng)通信時采用的參數(shù)如下：波特率為 9600， 8 位數(shù)據(jù)，一位停止位，13 無奇偶校驗位。 IC 卡讀卡器天線設(shè)計 電感藕合式射頻識別系統(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。因此，對讀卡器天線的構(gòu)造就有三個基本要求：首先是使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量：其次是功率要匹配，以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量；最后是要有足夠的帶寬，以無失真地傳送用數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號。 品質(zhì)因數(shù) Q 和諧振頻率是電感藕合式射頻識別系統(tǒng)讀卡器天線的特征值，由于品質(zhì)因數(shù) Q 會影響天線讀寫距離，所以是天線設(shè)計中的一個重要參數(shù)，它可以通過電感線圈的電抗與電阻 的比值計算出來 較高的品質(zhì)因數(shù)，會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。與之相反，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù) Q 值成 反比。選擇的品質(zhì)因數(shù)過高，會導(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。此外，由于 Mifare 卡是無源非接觸式 Ic卡，其能量是通過天線感應(yīng)來的。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)。 ⑴ 天線大小和讀寫距離 由于 MFRC500 是低功耗設(shè)計，因此卡和天線之間的耦合系數(shù)必須滿足一定的值，卡和天線之間的耦合系數(shù)不能低于 。天線一般設(shè)計為三圈，可以設(shè)計為圓形或者方形天線。天線的直徑必須介 于 ～ 之間。表 3． 1 給出了卡和天線的耦合系數(shù)為 0t3 時的天線大小和讀寫距離關(guān)系： 表 天線大小與讀寫距離關(guān)系表 [8] 50╳ 50 7 65╳ 54 10 85╳ 54 12 85╳ 85 8 9