畢業(yè)設(shè)計(jì)-非接觸式ic卡讀卡器設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，工作時(shí)的電源能量由卡片讀卡器天線發(fā)送無(wú)線電載波信號(hào)耦合到卡片上天線而產(chǎn)生電能，一般可達(dá) 2V 以上，供卡片上 IC 工作。工作頻率 。 射頻卡標(biāo)準(zhǔn)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）。與卡片讀卡器的通信速率高達(dá) 106Kbit/s。 MIFARE 1 IC 智能 射頻 卡上具有先進(jìn)的數(shù)據(jù)通信加密并雙向驗(yàn)證密碼系統(tǒng)；且具有防重疊功能：能在同一時(shí)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。 MIFARE 1 IC 智能 射頻 卡與讀卡器通信使用握手式半雙工通信協(xié)議；卡片上有高速的 CRC 協(xié)處理器，符合 CCITT 標(biāo)準(zhǔn)?？ㄆ圃鞎r(shí)具有唯一的卡片系列號(hào)，沒有重復(fù)的相同的兩張 MIFARE 卡片。 卡片上內(nèi)建 8K（ bit） EEPROM 存儲(chǔ)容量并劃分為 16 個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)劃分為 4 個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊，每個(gè)扇區(qū)可由多種方式的密碼管理。 卡片上還內(nèi)建有增值 /減值的專項(xiàng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算電路，非常適合公交 /地鐵等行業(yè)的檢票 /收費(fèi)系統(tǒng)?？ㄆ系臄?shù)據(jù)讀寫可超過(guò) 10 萬(wàn)次以上；數(shù)據(jù)保存期可達(dá)10 年以上，且卡片抗靜電保護(hù)能力達(dá) 2KV 以上 [7][8]。 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。 圖 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， RF 射頻接口電路和數(shù)字電路部分。 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。它可將卡片讀卡器上的 的無(wú)線電調(diào)制頻率接收，一方面送調(diào)制 /解調(diào)模塊，另一方面進(jìn)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 [10]。 POR 模塊主要是對(duì)卡片上的各個(gè)電路進(jìn)行 POWERONRESET（上電復(fù)位），使各電路同步啟動(dòng)工作。 數(shù)字電路模塊 [7][8] ATR 模塊： Answer to Request “請(qǐng)求之應(yīng)答“ 當(dāng)一張 MIFARE 1 卡片處在卡片讀卡器的天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，程序 員控 制讀卡器向卡片發(fā)出 REQUEST all 或 REQUEST std 命令后，卡片的 ATR 將啟動(dòng)，將卡片 Block 0 中的卡片類型（ TagType）號(hào)共 2 個(gè)字節(jié)傳送給讀卡器，建立卡片與讀卡器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。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（ Read/Write 等）將不會(huì)進(jìn)行 [9]。 AntiCollision 模塊：防（卡片）重疊功能 如果有多張 MIFARE 1 卡片處在讀卡器的天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，AntiCollision 模塊的防重疊功能將被啟動(dòng)工作。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)。由于 MIFARE 1 卡片每一張都具有其唯一的序列號(hào)，決不會(huì)相同，因此卡片讀卡器根據(jù)卡片的序列號(hào)來(lái)識(shí)別，區(qū)分已選的卡片，讀卡器中的 MFRC500 中的 AntiCollision 防重疊功能配合卡片上的防重疊功能模塊，由程序員來(lái)控制讀卡器，根據(jù)卡片的序列號(hào)來(lái)選定一張卡片。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。 AntiCollision 模塊（防重疊功能）啟動(dòng)工作時(shí)，讀卡器將得到卡片的序列號(hào) Serial Number。 序列號(hào) Serial Number 存儲(chǔ)在卡片的 Block 0 中，共有 5 個(gè)字節(jié)，實(shí)際有用的為 4 個(gè)字節(jié)，另一個(gè)字節(jié)為序列號(hào) Serial Number 的校驗(yàn)字節(jié)，這在以后章節(jié)中詳細(xì)論述，包括對(duì)序列號(hào)Serial Number 的校驗(yàn)方法等。 Select Application 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，程序員控制的讀卡器要想對(duì)卡片進(jìn)行讀寫操作，必須對(duì)卡片進(jìn)行“ Select”操作。以使卡片真正地被選中。被選中的卡片將卡片上存儲(chǔ)在 Block 0 中的卡片的容量“ Size”字節(jié)傳送給讀卡器 。當(dāng)讀卡器收到這一字節(jié)后，將明確可以對(duì)卡片進(jìn)行深一步的操作了。例如，可以進(jìn)行密碼驗(yàn)證等等。 Authenticationamp。Access Control 模塊：認(rèn)證及存取控制模塊 在確認(rèn)了上述的三個(gè)步驟，確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片時(shí)，程序員對(duì)卡片進(jìn)行 讀寫操作之前，必須對(duì)卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證，如果匹配，則允許進(jìn) 一步的 Read/Write 操作。 MIFARE 1 卡片上有 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。因此每個(gè)扇區(qū)可獨(dú)立地應(yīng)用于一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合。整個(gè)卡片可以設(shè)計(jì)成“一卡通”形式來(lái)應(yīng)用。 三遍認(rèn) 證：如圖 [7]所示為三遍認(rèn)證的令牌原理框圖。 圖 三遍認(rèn)證的令牌原理圖 認(rèn)證過(guò)程是這樣進(jìn)行的： （ A）環(huán)：由 MIFARE 1 卡片向讀卡器發(fā)送一個(gè)隨機(jī)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(gè)令牌數(shù)據(jù) TOKEN AB，其中包含了讀卡器發(fā)出的一個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù) RA； （ C）環(huán)： MIFARE 1 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 MIFARE 1 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 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(duì)令牌 TOKEN BA 中的 RB（隨機(jī)數(shù)）進(jìn)行解密；并校驗(yàn)第一次由（ B）環(huán)中讀卡器發(fā)出去的隨機(jī)數(shù) RA 是否與（ D）環(huán)中接收到的 TOKEN BA 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(guò)驗(yàn)證，則整個(gè)的認(rèn)證過(guò)程將成功。讀卡器將能對(duì)剛剛認(rèn)證通過(guò)的卡片上的這個(gè)扇區(qū)可以進(jìn)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(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的操作。如想對(duì)其他 扇區(qū)進(jìn)行操作，必須完成上述的認(rèn)證過(guò)程。認(rèn)證過(guò)程中的任何一環(huán)出現(xiàn)差錯(cuò)，整個(gè)認(rèn)證將告失敗，必須從新開始。上述的敘述已經(jīng)可以充分地說(shuō)明了 MIFARE 1 卡片的高度安全性，保密性，及卡片的應(yīng)用場(chǎng)合多樣性，一卡多用。 Controlamp。Arithmetic Unit 控制及算術(shù)運(yùn)算單元： 這一單元是整個(gè)卡片的控制中心。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。 RAM/ROM 單元： RAM 主 要配合控制及算術(shù)運(yùn)算單元，將運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)，如果某些數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)到 EEPROM，則由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出送到 EEPROM 存儲(chǔ)器中；如果某些數(shù)據(jù)需要傳送給讀卡器，則由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出，經(jīng)過(guò) RF 射頻接口電路的處理，通過(guò)卡片上的天線傳送給卡片讀卡器。 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。同時(shí)， ROM 中還固化了卡片運(yùn)行所需要的必要的程序指令，由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出去對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行微指令控制，使卡片能有條不紊地與卡片的讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 Crypto Unit 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)。加密的算法可以為 DES 標(biāo)準(zhǔn)算法或其他。 EEPROM INTERFACE/EEPROM MEMORY EEPROM 存儲(chǔ)器及其接口電路：該單元主要用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 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。用戶所要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)被存放在該單元中。 MIFARE 1 卡片中的這一單元容量為 8196bit 1 Kbyte 。分為 16 個(gè)扇區(qū)。 MIFARE 1 卡片的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) MIFARE 1 卡片的存儲(chǔ)容量為 8192 BIT X 1 位字長(zhǎng)（即 1K X 8 位字長(zhǎng)），采用 EEPROM 作為存儲(chǔ)介質(zhì)，整個(gè)結(jié)構(gòu)劃分為 16 個(gè)扇區(qū)，編為扇區(qū) 0～ 15。每個(gè)扇區(qū)有 4 個(gè)塊（ Block），分別為塊 0、塊 塊 2 和塊 3。每個(gè)塊有 16 個(gè)字節(jié)。一個(gè)扇區(qū)共有 16 Byte 4 64 Byte。每個(gè)扇區(qū)的塊 3 即第四塊 包含了該扇區(qū)的密碼 A 6 個(gè)字節(jié) 、存取控制 4 個(gè)字節(jié) 、密碼 B 6 個(gè)字節(jié) ，是一個(gè)特殊的塊。其余三個(gè)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。其中：第 0～ 4 個(gè)字節(jié)為卡片的序列號(hào)，第 5 個(gè)字節(jié)為序列號(hào)的校 驗(yàn)碼；第 6 個(gè)字節(jié)為卡片的容量“ SIZE”字節(jié)；第 7， 8 個(gè)字節(jié)為卡片的類型號(hào)字節(jié)，即 Tagtype 字節(jié)；其他字節(jié)由廠商另加定義。下面將對(duì)密碼 A，密碼 B，存取控制與數(shù)據(jù)區(qū)的關(guān)系加以說(shuō)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(chǔ)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。 存取控制對(duì)塊 3 的控制如表 3－ 2[7]所示： X 015 密碼 A 密碼 A 存取控制 存取控制 密碼 B 密碼 A C1X3 C2X3 C3X3 read write Read write read write 0 0 0 never KEYAB KEYA|B Never KEYA|B KEYA|B 0 1 0 Never never KEYA|B Never KEYA|B never 1 0 0 never KEY B KEYA|B never never KEY B 1 1 0 never never KEYA|B never never never 0 0 1 never KEYA|B KEYA|B KEYA|B KEYA|B KEYA|B 0 1 1 never KEY B KEYA|B KEY B never KEY B 1 0 1 never never KEYA|B KEY B never never 1 1 1 never never KEYA|B never never never 表 存取控制對(duì)塊 3 的控制 KEYA|B 表示密碼 A 或密碼 B； never 表示沒有條件實(shí)現(xiàn)。 對(duì)數(shù)據(jù)塊的控制如表 3－ 3[7]所示： X 015 扇區(qū)、 Y 每個(gè)扇區(qū)的 02 塊 C1XY C2XY C3XY ReadWrite IncrementDecr Decr,Transfer,restore 0 0 0 KEYA|B KEYA|B KEYA|B 0 1 0 KEYA|B never never 1 0 0 KEYA|B never never 1 1 0 KEYA|B KEYB KEYA|B 0 0 1 KEYA|B never KEYA|B 0 1 1 KEYB never never 1 0 1 never never never 1 1 1 never never never 表 對(duì)數(shù)據(jù)塊的控制 塊 3 的初始化值為： a0,a1,a2,a3,a4,a5,ff,07,80,69,b0,b1,b2,b3,b4,b5共 16個(gè)字節(jié)，其中 KEYA是 a0,a1,a2,a3,a4,a5 ， KEYB是 b0,b1,b2,b3,b4,b5 ，控制存取的四個(gè)字節(jié)為 0xff,0x07,0x80,0x69 。 MIFARE 讀卡器組件 Philips 公司推出了五種讀卡器模塊，每種模塊的比較如表 所示： 讀 /寫距離 控制器接口 卡接口 MF RC500 100mm Paralle ISO 14443A MF CM200 40mm Parallel ISO 14443A MF CM220 MF CM500 100mm Parallel ISO 14443A MF CM520 表 MIFARE 讀卡器組件 讀卡器組件用于非接觸式 IC 卡讀卡器中，負(fù)責(zé)對(duì)非接觸式 IC 卡的讀寫，此外讀卡器中還有 MCU 對(duì)讀寫模塊進(jìn)行控制，及對(duì)讀卡器的其他方面進(jìn)行制，例如對(duì)鍵盤，顯示，通信等部分的控制等等。下面對(duì)本論文中用到 MFRC 500 讀寫模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹 [11]。 MF RC500 是 Philips 公司為 Mifare 卡設(shè)計(jì)的專用讀卡芯片，它支持IS014443A 所的層。 MF RC500 是應(yīng)用于 13． 56MHz 非接觸式通信中高集成讀卡Ic 系列中的一員。讀卡 IC 系列利 用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13． 56MHz 下所有類型的動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)操作距離的天線 可達(dá) 100mm