畢業(yè)設計（論文）基于非接觸式IC卡的門禁管理系統(tǒng)的應用

1、西北師范大學本科學位論文目 錄摘要2abstract31 引言11.1本課題的提出背景11.2本課題的研究意義11.3 國內外研究現(xiàn)狀22 設計總體研究和涉及的主要技術32.1 非接觸式ic卡門禁系統(tǒng)組成32.1.1讀卡器32.1.2非接觸式ic卡42.2非接觸式ic卡門禁系統(tǒng)涉及的主要技術82.2.1自動識別技術92.2.2密碼技術5103 非接觸式ic卡讀卡器的硬件設計113.1非接觸式ic卡讀卡器整體模塊113.2非接觸式ic卡讀卡器主控模塊設計113.3非接觸式ic卡讀卡器通信模塊設計123.4非接觸式ic卡讀卡器天線設計133.5非接觸式ic卡讀卡器報警模塊的設計143.6非接觸式i

2、c卡讀卡器射頻模塊接口電路設計154 非接觸式ic智能卡應用的軟件設計194.1 mfrc500底層驅動程序19圖4.1mf rc500底層驅動程序流程圖194.2 單片機控制雙方通信程序簡述214.3設計結果概述255 總結與改進265.1論文總結265.2改進與提高26致謝27參 考 文 獻28附錄a29附錄b30摘要本論文介紹了一種基于非接觸式ic卡的門禁管理系統(tǒng)的應用，非接觸式ic卡是ic卡領域的一項新興技術，它是射頻識別技術和ic卡技術相結合的產物。射頻識別（radio frequency identification,簡稱rfid）技術1是最近幾年發(fā)展起來的一門新的自動識別技術。它

3、利用射頻方式在非接觸式ic卡和讀卡器之間進行雙向通信，完成目標識別和數(shù)據交換，而卡上電路的工作電源由讀卡器發(fā)出的電磁波能量提供。由于非接觸式ic卡具有操作快捷、防碰撞能力強、工作距離遠、安全性高、便于“一卡多用”等特點，在身份識別、自動收費和電子錢包等領域具有接觸式ic卡所無法比擬的優(yōu)越性，具有廣闊的市場前景。非接觸式ic卡讀卡器是非接觸式ic卡應用系統(tǒng)的關鍵設備之一,本課題中應用的讀卡器是一種讀寫距離為100mm的非接觸式ic卡讀卡器。隨著射頻識別技術的推廣，mifare卡已經廣泛應用于公共交通終端、手持終端，板上單元、非接觸式pc終端等各個非接觸式通信場合。非接觸式智能卡讀寫器系統(tǒng)是射頻技

4、術中的一個重要組成部分，可完成指令分析、數(shù)據采集等諸多功能。讀卡器的實現(xiàn)原理如下：由讀寫器向mifare1卡，也就是向射頻卡發(fā)射特定頻率的無線電磁波，當射頻卡靠近讀寫器時，受讀寫器發(fā)射的電磁波激勵，卡片內的lc諧振電路產生共振并且接收電磁波能量，當射頻卡接收到足夠的能量時，就將卡內存儲的識別資料以及其他數(shù)據以無線電波方式傳輸?shù)阶x寫器并且接受讀寫器對卡內數(shù)據的進一步操作2。論文從門禁技術的發(fā)展出發(fā)，首先介紹了非接觸式ic卡的特點、種類、組成以及國際標準，然后介紹了非接觸式ic卡門禁系統(tǒng)所涉及的技術，在此基礎上，論文又詳細地闡述了非接觸式ic卡讀卡器的硬件和軟件設計，讀卡器的硬件設計包括蜂鳴器驅動

5、電路、rs232通信電路、mf rc500接口電路和讀卡器天線電路；軟件設計包括mf rc500的應用程序的設計、讀卡器其他電路的應用設計和主程序設計三個部分。關鍵詞：非接觸式ic卡；射頻識別技術；讀卡器；串口通信 abstractthis article introduces a kind of entrance guard system this is based on radio frequency identification cards.contactless ic card is one kind of new techology and ic card technology. r

6、adio frequency identification technology is a new technology of autoidentification in recent years.wireless and bidirection communication between reader and contactless card is their communication mode to identificate the goal and to swap data by radio frequency identificationthe power of ic card ci

7、rcuit is supplied by the power of electromagnetic wave from reade.because contactless ic card has some advantages over common ic card such as its high working speed、good anticollsion quality and long working distance,there will be a good prospect for it in many fields,such as automatic pricing、ident

8、ity distinguishing、electric wallet and so on.the contactless card reader is one of the key devices of a contactless ic card and system. we develop one kind of contactless ic card reader,which is onepart of a project and has about 100mm working distance.as rfid technology promotion, mifare card has b

9、een used widely in public transport terminals, hand-held terminals, plate unit, contactless pc terminal etc. each contactless communication occasions. non-contact smart card inverter system is rf technology reading an important constituent, can complete instructions analysis, data acquisition, and m

10、any other functions. reader in principle is as follows: mifare1 card by literacy ware to rf card, namely certain frequencies to launch the wireless electromagnetic wave, when the radio frequency card when reading device, near the electromagnetic wave by reading and writing implement launch within th

11、e incentives, cards and resonate lc resonant circuit receive electromagnetic energy, when rf card to receive enough energy, will be stored inside card identification of information and other data to radio waves mode to reading and writing implement and accept to read the data inside card for further

12、 operation2 .one the basis of the development of entranceguard system,at first this paper generally introduce contactless ic card,including its feature、type、composing and international standard.then it introduces then technology of entrance guard system.based on these,the paper discusses the design

13、of the contactless ic card reader in detail,including the circuit design and software design.the redders circuit is made up of buzzer drive circuit,rs232 communication circuit,mf rc500 interface circuit and antenna circuit.the software design includes programming of main program.keywords: contactles

14、s ic card；radio frequency identification；reader device；serial communication；microcontroller of 51331 引言1.1本課題的提出背景在ic卡應用日益廣泛的今天，ic卡門禁系統(tǒng)以其管理的安全、可靠、高效、靈活和方便逐步取代了其他現(xiàn)有各類門鎖成為目前門禁系統(tǒng)的主流方式。門禁安全管理系統(tǒng)是一種新型智能化的安全管理系統(tǒng)，它集自動識別技術金額現(xiàn)代安全管理措施為一體，涉及電子、機械、光學、計算機技術和通訊技術等諸多方面，它是解決重要部門出入口便捷控制和實現(xiàn)安全防范管理的有效措施，適用各種機要部門，如銀行、賓館、

15、機房、辦公大樓、智能化小區(qū)、工廠、軍械庫、機要室等。在數(shù)字技術和網絡技術飛速發(fā)展的今天，門禁系統(tǒng)也得到了迅猛發(fā)展，門禁系統(tǒng)已由早期單純的門道及鑰匙管理，發(fā)展為一套完整的出入管理系統(tǒng)，并且通過采用先進的網絡技術，使整套系統(tǒng)的操作和自身資源的使用不再受時間和地域的限制。非接觸式ic卡門禁管理系統(tǒng)讀卡器是以非接觸式ic卡射頻識別技術為核心，使用戶使用方便和管理方便為目的，具有高安全性、高可靠性的管理系統(tǒng)。當要開門時，只要將ic卡在讀卡器前一劃。讀卡器就會識別出該卡是否對應此門，當密碼正確則打開門。由于傳統(tǒng)的門鎖都是由鑰匙進行開門，但是往往由于我們的不小心，就會把鑰匙丟了，或者是鑰匙被人復制的情況也時

16、有發(fā)生，這樣就造成了室內的不安全，基于這種隱患，我提出了這種新型的門鎖管理方式，卡片不易被復制，既方便又安全。1.2本課題的研究意義我國對ic卡行業(yè)的發(fā)展始于1993年左右，當時的中央領導高度重視ic卡行業(yè)，高瞻遠矚，指示要發(fā)展我國自己的ic卡事業(yè)，建立“金卡工程”，至今已取得了不小的成就，已研制成功我國自主版權的較大容量的存儲卡，邏輯加密卡等，但是對于尖端的cpu卡及非接觸式ic智能卡的制卡技術及其相應的讀/寫卡設備技術，仍處于落后狀態(tài)，這極大地制約了ic卡行業(yè)的發(fā)展，特別是在要求有極高安全性和保密性的金融行業(yè)中，制約了我國金卡工程的實施和發(fā)展。為了加快ic卡行業(yè)的發(fā)展，特別是尖端的cpu卡

17、及非接觸式ic智能射頻卡的推廣應用。讓ic卡行業(yè)及其他行業(yè)的同行盡快掌握cpu卡及非接觸式ic智能射頻卡的核心技術及其讀寫設備的軟硬件技術及應用技術，跟上國外的ic卡研究和應用步伐，甚至走在其前面，我國不少科研院所參與到射頻讀寫卡設備研制的工作中來。本人在利用非接觸式射頻卡進行系統(tǒng)集成的工作上作了一點有意義的探索，成功實現(xiàn)對射頻卡的讀、寫等操作，完成了系統(tǒng)分析、設計、調試和運行的各階段的工作。1.3 國內外研究現(xiàn)狀門禁系統(tǒng)是隨著自動識別技術的發(fā)展而迅速發(fā)展的，國外門禁系統(tǒng)的知識品牌有美國的休斯（hid）、西屋（wse）、洛泰克（ntk），以色列的dds、英國的集寶等品牌。國內從事門禁系統(tǒng)有捷順

18、、北京青云等公司。目前，國內外研制和使用的門禁系統(tǒng)主要集中在感應門禁系統(tǒng)和生物識別門禁系統(tǒng)。在生物識別門禁系統(tǒng)中又以指紋門禁系統(tǒng)應用最為廣泛。隨著計算機圖像處理和模式識別理論以及大規(guī)模集成電路技術的不斷發(fā)展與成熟，指紋自動識別系統(tǒng)的體積不斷縮小，其價格也不斷降低。據國際生物認證團（ibg）的預測：美國生物認證市場2002年突破7億美元，其中指紋識別占近50%，虹膜識別占8%。美國生物認證市場到2005年將達到19億美元，指紋識別占近40%，虹膜識別占10%左右。美國生物誰市場在未來幾年中仍將會保持高速增長的趨勢，縱觀門禁市場發(fā)展，據預計未來13年中國門禁市場的平均增長比例將達到20以上。目前國

19、外生產的門禁系統(tǒng)安全性較高，但是價格昂貴，感應式門禁系統(tǒng)控制器的價格從4000到3萬元不等，包括讀卡器、門鎖、控制器、軟件在內的一套系統(tǒng)報價在萬元左右。國內生產的感應式門禁系統(tǒng)和指紋門禁系統(tǒng)價格較國外同類產品價格低大約10%-50%左右。但系統(tǒng)的可靠性稍差。高級智能型門禁控制系統(tǒng)是當前門禁系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，高級智能型門禁系統(tǒng)是一種聯(lián)網式門禁系統(tǒng)，功能也比較完善。但對于一般的企業(yè)、住宅小區(qū)來說，并不是最理想的選擇。這種門禁系統(tǒng)常用于國防、軍事等單位。隨著計算機的迅速普及與發(fā)展，越來越多的控制設備逐漸被計算機取代，維護人員的監(jiān)視和維護也越來越集中，越來越多的系統(tǒng)逐漸向智能化發(fā)展。由于計算機網絡的

20、發(fā)展，通過中心或通過一個端點就能對設備進行監(jiān)控與維護。通過局域網對本地區(qū)的設備進行集中監(jiān)控與維護，可提高系統(tǒng)的可靠性，減少故障的發(fā)生率和處理時間等。隨著智能建筑的推廣，加強智能小區(qū)的安全防范工作也有待于加強，更有必要建立連網門禁系統(tǒng)，可見，門禁系統(tǒng)將有更廣闊的發(fā)展空間。2 設計總體研究和涉及的主要技術2.1 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管理機組成，此外還包括外部門禁設備?；究驁D如圖2. 1所示：rs232通信接口電源蜂鳴器驅動微控制器天線耦合電路mifare讀卡芯片天線圖2.1 系統(tǒng)基本組成框圖讀卡器：是門禁系統(tǒng)的主要設備，直接與pc機通過r

21、s一232串行口相連，只要有非接觸式ic卡進入讀卡器天線射頻能量范圍，讀卡器便通過射頻信號與ic卡通信，認證密碼，讀取卡中的數(shù)據，并將其存入計算機中。非接觸式ic卡：相當于開門鑰匙，它是通過磁力線圈產生感應電流向讀卡器發(fā)射卡內信息，完成讀卡工作的。pc管理機：門禁系統(tǒng)有不同的構成方案，一種是讀卡器不帶存儲器，pc機直接與讀卡器相連，讀卡信息實時地傳送給pc機。另一種是讀卡器獨立工作，內部用較大的存儲器存放讀卡數(shù)據，采用采集器采集讀卡器中的數(shù)據，再傳送到pc管理機上。在本設計中采用的是第二種方案。門禁設備：門禁設備由讀卡器中單片機的io口根據刷卡情況發(fā)出控制信號控制，密碼認證通過開門，否則不開門

22、。在讀卡器上用喇叭來仿真。2.1.1讀卡器門禁系統(tǒng)的關鍵部件是讀卡器，它由微處理器、外圍擴展器件、讀寫芯片、射頻天線、串行通信接口等幾部分組成。接上串行口和+5v電源之后不僅可以讀卡而且可以與計算機進行通信。該讀卡器是針對philips公司mifare產品設計的，能夠讀寫mifare系列的非接觸式ic卡。非接觸式ic卡讀卡器技術指標3如下：讀寫卡片類型：mifare；天線可操作距離：天線的可操作距離為510cm；卡片存儲容量：卡存儲eeprom大小為lk字節(jié)；射頻輸出：通過功率匹配將天線線圈直接連接到功率輸出級；供電電壓：5v士10(小于100ma)；接口：標準rs232(讀卡器)。2.1.2

23、非接觸式ic卡非接觸式ic卡標準和分類目前生產rfid產品的很多公司都采用自己的標準，國際上還沒有統(tǒng)一的標準。目前，可供射頻卡使用的幾種標準有is010536、is014443、isol5693和isol8000。應用最多的是is叫4443和is015693，這兩個標準都由物理特性、射頻功率和信號接口、初始化和反碰撞以及傳輸協(xié)議四部分組成4，本設計中采用iso14443a標準。ic卡可以根據卡中所鑲嵌的集成電路的不同可以分成三類。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

24、化在rom中的片內操作系統(tǒng)cos(chipoperatingsystem)。按照應用領域來分，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。按照卡與外界數(shù)據傳送的方式來分，ic卡分為接觸式ic卡和非接觸式ic卡，當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。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。非接觸式ic 卡的特點非接觸式ic卡無機械觸點，通過無線方式與讀寫設備進行通訊，與接觸式ic卡相比具有以下特點：操作快捷：卡與讀卡器之間為無線通訊，使用時無需插拔卡及固定方向。大大提高了使用速度。同時，由于卡與讀卡器進

25、行通訊時的載波頻率較高，卡內芯片可以工作在較高的系統(tǒng)時鐘下，使二者的通信速率很高。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，避免了由于接觸而產生的各種故障，同時無需擔心由于觸點損壞或脫落而導致卡片失效，提高了應用的可靠性及設備和卡的壽命。而且由于無線電波不會受塵土、潮氣和震動的干擾，使得非接觸式ic卡可應用在惡劣的環(huán)境。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

26、的序列號是唯一的，制造商在產品出廠前將此序列號固化于卡內芯片中，不可再更改，使用時非接觸式ic卡與讀卡器要進行三次相互認證，而且通訊過程中所有的數(shù)據都加密，卡內各個扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件。非接觸式ic卡的功能組成本課題采用的非接觸式ic卡是philips公司mifareclassic非接觸式ic卡系列的mifarestandard產品。非接觸式ic卡的功能組成如圖2.2所示：圖2.2 mifare one s50非接觸式ic智能射頻卡的功能組成圖整個卡片包含了兩個部分，射頻接口電路和數(shù)字電路部分：射頻接口電路電路在射頻接口電路中，波形轉換模塊接收讀卡器上的1356mhz的無線電調制頻

27、率，一方面送調制解調模塊，另一方面進行波形轉換，將正弦波轉換為方波，然后對其整流濾波，由電壓調節(jié)模塊對電壓進行進一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出供給卡片上的各電路。eeprom存儲器及其接口電路：該單元主要用于存儲數(shù)據。eeprom中的數(shù)據在卡片失掉電源后(卡片離開讀卡器天線的有效工作范圍內)仍將被保持。用戶所要存儲的數(shù)據被存放在該單元中。卡片中這一單元容量為1k字節(jié)，分為16個扇區(qū)。數(shù)字電路atr請求模塊：當一張卡片處在讀卡器天線的工作范圍之內時，程序員控制讀卡器向卡片發(fā)出requestall(或requeststd)命令后，卡片的atr模塊將啟動，將卡片中的卡片類型號共2個字節(jié)傳送給讀卡器

28、，建立卡片與讀卡器的第一步通信聯(lián)絡。如果不進行第一步的atr工作，讀卡器對卡片的其他操作(讀、寫等操作)將不會進行。anticollision防重疊模塊：防(卡片)重疊功能，如果有多張卡片處在讀卡器的天線的工作范圍之內時，anticollision模塊的防重疊功能將被啟動工作。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。由于每一張卡片都有其唯一的序列號，因此讀卡器根據卡片的序列號來識別已選的卡片，讀卡器中mfrc500芯片的anticollision防重疊功能配合卡片上的防重疊功能模塊，由程序員來控制讀卡器，根據卡片的序列號來選定一張卡片。被選中的卡片將直接與讀

29、卡器進行數(shù)據交換，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。anticollision模塊(防重疊功能)啟動工作時，讀卡器將得到卡片的序列號，共有5個字節(jié)，實際有用的為4個字節(jié)，另一個字節(jié)為序列號的校驗字節(jié)。選擇模塊：主要用于卡片的選擇當卡片與讀卡器完成了上述的二個步驟，想要對卡片進步操作時，必須先對卡片進行“選擇”操作，以使卡片真正地被選中。被選中的卡片將存儲在卡片上的卡片的容量傳送給讀卡器。當讀卡器收到信息后，就可以對卡片進行深一步的操作了。認證模塊：在確認了上述的三個步驟，確認已經選擇了一張卡片時，程序員對卡片進行讀寫操作之前，必須對卡片上已經設置的密碼進行認證，如果匹配，則

30、允許進一步的讀、寫操作?？ㄆ嫌?6個扇區(qū)，每個扇區(qū)都可分別設置各自的密碼，互不干涉。因此每個扇區(qū)可獨立地應用于一個應用場合。整個卡片可以設計成“一卡通”形式來應用?？刂萍八阈g運算單元：這一單元是整個卡片的控制中心。它主要進行對整個卡片的各個單位進行微操作控制，協(xié)調卡片的各個步驟；同時它還對各種收發(fā)的數(shù)據進行算術運算處理，遞增、遞減處理，crc運算處理等等，是卡片中內建的mcu單元。ram和rom單元：ram主要配合控制及算術運算單元，將運算的結果進行暫時存儲，如果某些數(shù)據需要存儲到eeprom，則由控制及算術運算單元取出送到eeprom存儲器中；如果某些數(shù)據需要傳送給讀卡器，則出控制及算術運

31、算單元取出，經過rf射頻接口電路的處理，通過卡片上的天線傳送給卡片讀卡器。ram中的數(shù)據在卡片失掉電源后(卡片離開讀卡器天線的有效工作范圍內)將被清除。同時，rom中還固化了卡片運行所需要的必要的程序指令，由控制及算術運算單元取出去對每個單元進行微指令控制，使卡片能有條不紊地與卡片的讀卡器進行數(shù)據通信。數(shù)據加密單元：該單元完成對數(shù)據的加密處理及密碼保護。三遍認證過程如圖2.3所示：非接觸式ic卡讀卡器mifare1卡片(a) rb(b)tokeyab(d)tokeyaby(c)(e)圖2.3 三遍認證的令牌原理框圖a環(huán)：由mifareone卡片向讀寫器發(fā)送一個隨機數(shù)據rb；b環(huán)：由讀寫器收到r

32、b后向mifareone卡片發(fā)送一個令牌數(shù)據tokenab，其中包含了讀寫器發(fā)出的一個隨機數(shù)據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

33、果上述的每一個環(huán)都為“真”，都能正確通過驗證，則整個的認證過程將成功。讀寫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(r臥dwrite等操作)?？ㄆ械钠渌葏^(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，必須完成上述的認證過程。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。ic卡的主要指標存儲結構主要指標4Ú 容量為8k位eepromÚ 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Ú 每個扇區(qū)有獨立的一組密碼及訪問控制Ú 每張卡有唯一序列號，為32位Ú 具有防沖突機

34、制，支持多卡操作Ú 無電源，自帶天線，內含加密控制邏輯和通訊邏輯電路Ú 數(shù)據保存期為10年，可改寫10萬次，讀無限次Ú 工作溫度：-2050(濕度為90%)Ú 工作頻率：13.56mhzÚ 通信速率：106 kbpsÚ 讀寫距離：10 cm以內（與讀寫器有關）存儲結構mifair卡分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)由4塊(塊0、塊1、塊2、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，存儲結構如下表：第0扇區(qū)的塊0用于存放廠商代碼，己經固化，不可更改。每個扇區(qū)的塊0、塊1、塊2為數(shù)據塊，可用于存儲數(shù)據。每個扇區(qū)的塊3為控制塊

35、，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，可以根據實際需要設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)。2.2非接觸式ic卡門禁系統(tǒng)涉及的主要技術隨著非接觸式ic卡的應用越來越普遍，它的應用逐漸滲透到金融、通訊、安全控制等許多重要領域，其安全性和保密性的特點受到了人們的高度關注。如今如何有效防止各種可能的

36、攻擊和欺詐，成為非接觸ic卡實際應用系統(tǒng)設計的重要課題。為了確保讀卡器和ic卡之間通信的完整、可靠和快速，主要采取了以下技術，一是采用射頻識別技術和網絡信息安全技術以確保通信時數(shù)據的可靠和完整性；二是采用ic卡技術和快速防沖突機制，防止通信時卡片之間出現(xiàn)數(shù)據干擾，以提高應用的并行性。非接觸式智能卡系統(tǒng)是一個典型的跨學科的專業(yè)領域，一個多技術融合的系統(tǒng)。2.2.1自動識別技術自動識別技術就是應用一定的識別裝置，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信息并提供給后臺的計算機處理來完成相關后續(xù)處理的一種技術。自動識別技術足以計算機技術和通信技術的發(fā)展為基礎的綜合性科學技術，

37、它是信息數(shù)據自動識讀、自動輸入計算機的重要方法和手段。自動識別技術近幾十年來在全球范圍內得到了迅猛發(fā)展，初步形成了一個包括條碼技術、磁條磁卡技術、ic卡技術、光學字符識別技術、射頻技術、聲音識別及視覺識別等集計算機、光、磁：物理、機電、通信技術為體的高赫技術學科。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)、應用程序接口(api)、中間件、應用系統(tǒng)軟件。自動識別技術根據識別對象的特征可以分為兩大類，分別是數(shù)據采集技術和特征提取技術。數(shù)據采集技術的基礎特征需要被識別物體具肯特定的識別特征載體；而特征提取技術則根據被識別物體本身的行為特征來完成數(shù)據的自動采集。自動識別技術包括：(1)條

38、碼技術；(2)光學字符識別；(3)磁條(卡)技術；(4)ic卡識別技術(5)聲音識別技術(6)視覺識別(7)射頻識別技術(rfid)：射頻識別技術（radio frequencyidentification，縮寫rfid）是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術，射頻識別技術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。從信息傳遞的基本原理來說，射頻識別技術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的空間耦合模型(雷達發(fā)射電磁波信號碰到目標后攜帶目標信息返回雷達接收機)。本設計主要涉

39、及到射頻識別技術。2.2.2密碼技術5隨著ic卡應用范圍的不斷擴大，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)在己經成為ic卡技術中的關鍵技術之一。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、保密性和不可否認性。完整性是指ic卡與讀寫設備必須能檢測出在它們之間交換的信息是否己經被修改，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添加一段報文鑒別碼(mac)。真實性是指ic卡和讀寫設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

40、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卡和讀寫設備能區(qū)別當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者讀到真實的明文內容。不可否認性是指發(fā)方和收方不可否認信息的發(fā)出和收到。使用密碼進行通信的一般模型如圖2.4所示：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?，然后通過解密過程將明文還原?？梢?，數(shù)據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。密碼分析者明文密文明文接收者解密譯碼器加密編輯器信源解密密鑰公開

41、信道加密密鑰秘密信道密鑰源圖2.4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)。3 非接觸式ic卡讀卡器的硬件設計3.1非接觸式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。3.2非接觸式ic卡讀卡器主控模塊設計本課題的讀

42、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。根據市場上的單片機的性能、價格、應用領域的不同，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公司生產的at89c51(其指令與mc-s51系列兼容)?？紤]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

43、一下at89c51。at89c51的功能特性描述6at89c51是美國atmel公司生產的低電壓、高性能cmos8位單片機，片內含4kbytes的可反復擦寫的flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機存取數(shù)據存儲器(ram)，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準mcs5l指令系統(tǒng)，片內置通用8位央處理器(cpu)和flash存儲單元。at89c51提供以下標準功能：32個io口線，兩個16位定時計數(shù)器，一個5向量級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。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c

44、pu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位。at89c51電路連接圖如圖3.2所示：at89c51的po口作為地址和數(shù)據分時復用口，與rc500芯片的數(shù)據總線相連。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3.2單片機電路連接圖3.3非接觸式ic卡讀卡器通信模塊設計讀卡器用串行接口芯片max232通過標準的db9直接與pc機相連。max232是maxim公司生產的專用串行接口芯片，包括2路接收器和驅動器，我們只用其中一路收發(fā)器。芯片內部有一個電源

45、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±10v電壓(負邏輯)。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)據線(txd)與接收數(shù)據(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)預定的任務又可以簡化電路設計，節(jié)約了成本。max232的電路連接圖7如圖33所示：圖3.3max232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，一位停止位，無奇偶校驗位。3.4非接觸

46、式ic卡讀卡器天線設計電感藕合式射頻識別系統(tǒng)的讀寫器天線用于產生磁通量，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，用于產生最大的磁通量：其次是功率要匹配，以最大程度地利用產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)據調制的載波信號。品質因數(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，由于品質因數(shù)q會影響天線讀寫距離，所以是天線設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因數(shù)，會得到較高的讀卡器天線電壓，其中可增加應答器即ic卡的能

47、量傳輸。與之相反，天線的傳輸帶寬與品質因數(shù)q值成反比。選擇的品質因數(shù)過高，會導致帶寬縮小，從而明顯地減弱應答器接收到的調制邊帶。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。天線大小和讀寫距離由于mfrc500是低功耗設計，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0.3。天線一般設計為三圈，可以設計為圓形或者方形天線。天線的直徑必須介于0.51.5mm之間。表31給出了卡和天線的耦合系數(shù)為0t3時的天線大小和

48、讀寫距離關系：表3.1 天線大小與讀寫距離關系表8讀寫距離（mm）大?。╩m） 5050 7 6554 10 8554 12 8585 8 9090 5本設計中的讀卡器的天線采用65mm54mm，圈數(shù)為方形天線。天線電感的計算天線的電感必須介于800nil和18uh之間。天線的電感通過下列公式計算：l=2×1×in(1d)×n18其中：l：讀卡器天線電感(單位cm)i：天線導體長度；d：天線導體寬度(必須介于o515mm之間)；n：天線導體圈數(shù)(三圈)。天線耦合電路圖天線耦合電路圖如圖34所示：圖3.4天線耦合電路圖圖中電容c16、c17的值是由天線的電感值決定的

49、，并且需要根據天線的形狀進行調整。他們的電容值的大小嚴重影響讀卡器的性能，也就是影響讀卡器的讀寫距離。不同類型的卡和不同的使用環(huán)境都將影響讀卡器的性能表現(xiàn)，這就需要在確定了卡的類型之后，在實際的使用環(huán)境中進行試驗，確定不同的c16、c17的值，使讀卡器具有最好的性能表現(xiàn)。圖3.5天線示意圖3.5非接觸式ic卡讀卡器報警模塊的設計本讀卡器中的蜂鳴器在每次讀卡和寫卡操作成功的時候發(fā)出報警指示音。由于單片機的io口驅動能力有限，一般不能直接驅動壓電式蜂嗚器，因此選用一pnp型晶體管組成晶體管驅動電路，單片機io口(p35)輸出經驅動電路放大后即可驅動蜂嗚器。蜂鳴器驅動電路如圖3.5所示：圖3.6蜂鳴

50、器驅動電路3.6非接觸式ic卡讀卡器射頻模塊接口電路設計讀寫模塊中的關鍵部件是mfrc500。系統(tǒng)單片機對讀寫模塊的操作就是對mfrc500進行控制，通過mfrc500實現(xiàn)對非接觸式ic卡的操作。它是單片機與ic卡之間數(shù)據傳輸?shù)臉蛄?，也是非接觸式ic卡與外界通信的媒介，ic卡線圈與射頻模塊連接著的天線產生共振，進行數(shù)據傳遞，完成卡與射頻模塊的通信。mfrc500芯片9介紹mfrc500是philips公司為mifare卡設計的專用讀卡芯片，它支持is014443a所有的層。mfrc500是應用于1356mhz非接觸式通信中高集成讀卡ic系列中的一員。該讀卡ic系列利用了先進的調制和解調概念，完

51、全集成了在1356mhz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。內部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動近操作距離的天線(可達100mm)。接收器部分提供一個堅固而有效的解調和解碼電路，用于is014443a兼容的應答器信號。數(shù)字部分處理is014443a幀和錯誤檢測(奇偶和crc)。此外，它還支持快速crypt01加密算法用于驗證mifare系列產品。方便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器，這樣給讀卡器終端的設計提供了極大的靈活性。其功能框圖如圖3.6所示：安全密鑰存儲器模擬單元包括：位信息號的調制和解調帶64字節(jié)fifo緩沖的微控制器接口數(shù)據總線mifare控制總線狀態(tài)和控制單

52、元地址總線數(shù)據轉換處理單元、crc校驗等 圖3.7mf rc500功能框圖并行微控制器接口自動檢測連接的8位并行接口的類型。它包含一個易用的雙向fifo緩沖區(qū)和一個可配置的中斷輸出。這樣就為連接各種mcu提供了很大的靈活性。即使使用非常低成本的器件也能滿足高速非接觸式通信的要求。數(shù)據處理部分執(zhí)行數(shù)據的并行和串行轉換。它支持的幀包括crc和奇偶校驗。它以完全透明的模式進行操作，因而支持is014443a的所有層。狀態(tài)和控制部分允許對器件進行配置以適應環(huán)境的影響并使性能調節(jié)到最佳狀態(tài)。當與mifarestandard和mifare產品通信時，使用高速crypt01流密碼單元和一個可靠的非易失性密匙

53、存儲器。模擬電路包含了一個具有非常低阻抗橋驅動器輸出的發(fā)送部分。這使得最大操作距離可達100mm。接收器可以檢測到并解碼非常弱的應答信號。由于采用了非常先進的技術，接收器己不再是限制操作距離的因素了。mfrc500管腳描述圖3.8 mfrc500的so32管腳配置管腳類型：i：輸入 o：輸出 pwr：電源mfrc500與單片機電路連接圖圖3.9 mfrc500電路連接圖4 非接觸式ic智能卡應用的軟件設計非接觸式智能卡應用的軟件設計分為兩部分：mfrc500底層驅動程序和單片機控制讀卡程序。在本設計中，mfrc500底層驅動程序采用c語言編寫，單片機與讀卡芯片進行通信用匯編語言編程。4.1 m

54、frc500底層驅動程序程序流程圖：系統(tǒng)初始化測試蜂鳴器設置波特率進入ic卡處理程序延時發(fā)送接收結束成功好壞失敗圖4.1mf rc500底層驅動程序流程圖mfrc500底層驅動編程技術已經相當成熟，本論文中只給出部分程序，如下所示：主函數(shù)：void main(void) uchar baud;init() while (1)if (cmdvalid)cmdvalid = false;if(revbuffer0=11) /為了加快響應速度 測試蜂鳴器revbuffer2=revbuffer1;revbuffer0=1; /contactrevbuffer1=0;call_isr_uart();speaker=1;delay_10ms(revbuffer2);speaker=0;else if(revbuffer0=13) /設置通訊波特率switch(revbuffer1)case 0:baud=baud_9600;break;case 1:baud=baud_14400;break;case 2:baud=baud_19200;break;case 3:baud=baud_28800;break;case 4:baud=baud_38400;break;case