（测试计量技术及仪器专业论文）智能收费系统的嵌入式设计.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 随着我国金卡工程的不断深入，智能卡技术已经越来越多地进入到金融、交通旅游、 医疗卫生、零售、学校管理、安防等与人们生活息息相关的各个领域，并且这种方便快捷、 安全可靠的管理支付手段得到了相关部门和广大百姓的认可。 智能卡的种类丰富，形态各异，与传统的接触式卡或磁卡相比，智能卡具有无可比拟 的优点：具备微处理器以及存储空间，能够远距离读卡，多目标识别，可靠性高等。本文 采用先进的嵌入式微机技术设计开发了智能卡的收费系统 本文首先介绍了智能卡的背景和国内外的应用和发展现状，简要地说明了系统的设计 方案。然后详细地叙述了智能卡的种类，特点以及它的工作原理，着重介绍了本文设计的 智能收费系统的五大功能模块及其数据架构。接着叙述了智能收费系统的硬件设计，包括 对m c u ，以太网接口，射频读卡，按键，液晶，时钟管理和数据存储等模块的电路设计和 功能实现进行了详尽的分析。在此基础上，对收费系统实现的功能模块，包括参数设置和 查询，充值，消费，通信等进行了全面的阐述。最后，给出了系统性能测试结果，并对系 统的优点和不足做了评价。 关键词：智能卡，收费系统，以太网，硬件电路，软件设计 浙江人学硕士学位论文摘要 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f g o l d e nc a r de n g i n e e r i n g ，t h e i n t e l l i g e n tc a r do cc a r d ) t e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e di ns e v e r a la r e a sw h i c hc o n t a c tw i t hp e o p l e sl i f ec l o s e l y , s u c ha s e c o n o m y , t r a f f i c ，m e d i c a l ，s a l e s ，s c h o o lm a n a g e m e n t ，s e c u r i t y , a n de t c t h i st y p eo fc o n v e n i e n t a n ds a f ep a y m e n th a sb e e na c c e p t e db ya d m i n i s t r a t i o na n dm o s tp e o p l e t h ei cc a r dh a sd i f f e r e n tt y p e s ；i th a ss om a n ya d v a n t a g e st h a tt r a d i t i o n a lc a r do rm a g n e t i c c a r dd o e s n th a v e i ti sc o m p o s e dw i mc p ua n ds t o r e r o o m ；i tc a nr e a dc a r da ta l o n gd i s t a n c e ；i t c a nr e c o g n i z es e v e r a lc a r da tt h es a m et i m ea n dw i t hh i g hr e l i a b i l i t y t h ep a p e rd e s i g n sa n i n t e l l i g e n tc h a r g es y s t e mw e i ta d v a n c e de m b e d d e dt e c h n o l o g y f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n d ，h i s t o r y , a n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to f i cc a r d i ta l s on a r r a t e st h es c h e m eo ft h ew h o l es y s t e ms i m p l e l y s e c o n d l y , t h ep a p e rd i s c u s s e st h et y p e s ， t h ec h a r a c t e ra n dt h ep r i n c i p l eo ft h ei cc a r d i te m p h a s i z e st h ef u n c t i o nm o d u l e sa n dd a t a s t r u c t u r eo ft h ei n t e l l i g e n tc h a r g es y s t e m a n dt h e n ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g na n dt h e i rf u n c t i o n ，i n c l u d i n gd e s i g no fm c u ，e t h e r n e ti n t e r f a c e ，r e a dc a r dm o d u l e ，k e y , l c d ，t i m em a n a g e m e n ta n dd a t as t o r a g e o nt h i sc o n d i t i o n ，t h ep a p e rt e l l st h ed e t a i l sa b o u tt h e s y s t e mf u n c t i o n ，i n c l u d i n gp a r a m e t e rs e t ，p a r a m e t e ri n q u i r e ，d e p o s i t ，c o n s u m p t i o na n d c o m m u n i c a t i o n f i n a l l y , i ts h o w st h er e s u l to fs y s t e mt e s t ，a n ds u m m a r i z e st h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eo f t h ei n t e l l i g e n tc h a r g es y s t e m k e y w o r d ：i cc a r d ，c h a r g es y s t e m ，e t h e r n e t ，h a r d w a r ec i r c u i t ，s o f t w a r ed e s i g n i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得盘姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：沁孕 l 签字同期：枷fp 年5 月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸江盘茔有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘茔可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： h 午 签字日期：年月日 导师签名： 签字日期：沙厂。年岁月歹日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 本文是在王晓萍教授和刘玉玲副教授的悉心指导下完成的。两位老师治学严谨，学识 渊博，管理规范，为我潜心研究创造了一个良好的氛围和空间。两位老师致力于传授科研 方法，置身其间，耳濡目染，潜移默化，不仅使我迅速提高了科研水平，还使我领会了科 学的的思考方式和良好的研究方法。两位老师严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、 平易近人的人格魅力，与无微不至、感人至深的关怀，令人倍感温馨，铭感于心。心中千 言万语的感激和敬意化作一道虔诚的祝福：愿老师工作顺利，身体健康，合家欢乐。 感谢师兄陈惠滨，学友詹舒越、赵光灿、周向东等人的大力支持和帮助，实验室积极 向上的学习氛围和相互间的无私帮助，才让我能够顺利完成本次课题的研究。 感谢我含辛茹苦的父母，他们无私、伟大的爱，使我有面对生活中任何困难的勇气， 也是我得以顺利完成学业的精神支柱。 感谢相关的参考文献的作者，他们的资料给予了本文作者许多参考和启发，特此感谢。 浙江人学硕上学位论文绪论 1 绪论 1 1 课题背景概述 在因特网、分布式计算、普及计算大潮涌来时，智能卡正扮演着一个重要的角色，它 与我们的日常生活也越来越密切。智能卡是集成电路卡( i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 的 英文简称，也称为智能卡( s m a r tc a r d ) 。智能卡已成为我们日常生活中不可或缺的东西。 例如，i c 电话智能卡，手机s i m 卡，智能银行卡等等。智能卡的定义是什么呢? 简单而 言，智能卡是一种芯片卡，将芯片镶嵌在一张名片大小的塑料卡片上，能够完成数据存储 与计算的卡片。由于智能卡具备诸多无可比拟的优点，它一经出现，便受到人们的普遍重 视。在数字化进程越来越快的现代社会，智能卡已广泛应用于金融、通信、交通、医疗、 市政、教育等多个领域，并且技术发展日趋成熟。 特别是近年来，随着中国经济的飞速发展，人们的消费水平也在不断增加。在人们生 活的很多领域都开始使用智能卡系统，如银行、通信、交通等，智能卡的特性让这些系统 获取了其他系统所没有的安全性和灵活性。但是日常经济生活中最频繁的活动，如超市购 物、餐馆吃饭等等，绝大多数的地区依然使用原始的现金交易或者在现金交易的基础上增 加了简单消费明细打印功能。即使有比较成型的收费系统，也大都是基于4 8 5 网络的，仅 支持终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。显然，这些传统的收费系统方式已 经不能满足网络化，信息化的现代生活节奏。 为了减少现金交易时产生的错误，更好的发挥智能卡的优势，势必需要开发一种新型 的，智能的收费系统。以太网通信协议标准是目前最通用的局域网通信协议n 1 ，一方面， 以太网在互联设备之间以1 0 - 1 0 0 m b p s 的高速率传送信息包，并且，其通讯使用的双绞线 电缆成本低、可靠性高。另一方面，几乎所有的p c 机都具备以太网接口，这就让集成以 太网通信功能的收费系统有了很好的兼容性。由此可以看出，随着智能卡更加普及化，以 及以太网技术的更加成熟，集成以太网通信功能的新型智能收费系统将成为智能卡消费领 域的一个必然趋势。 为了让新型智能收费系统能够应用在各种不同领域内，其势必需要包含以下几个功 能： 以太网通讯功能 射频智能卡识别功能 便携化，小型化，功能多样化 浙江大学硕士学位论文绪论 这种智能收费系统可以应用于金融财务、社会保险、交通旅游、医疗卫生、政府行政、 商品零售、休闲娱乐、学校管理以及其它领域，具有非常广阔的市场和应用前景。 1 2 国内外发展现状和趋势 从上个世纪7 0 年代至今的三十多年里，随着超大规模集成电路技术、计算机技术以及 信息安全技术等的发展，智能卡种类更加丰富，技术也更趋成熟，已在国内外得到了广泛 的应用。下面将从不同的应用角度对智能卡目前的发展状况进行简单的介绍。 1 2 1 国外发展现状与趋势 纵观全球，从第一张智能卡的出现到现在这几十年的发展过程中，世界对智能技术的 研究是卓有成效的。智能技术正蓬勃发展使得越多的领域将在未来实现从无卡到有卡的转 变。 智能卡的最初的设想是由日本提出来的。1 9 6 9 年1 2 月，日本的有村国孝提出一种制造 安全可靠的信用卡方法，并于19 7 0 年获得专利，那时叫i d 卡( i d e n ti f i c a ti o nc a r d ) h 扪。 1 9 7 4 年，法国的罗兰莫雷诺第一次将可编程设置的智能芯片放于卡片中，使卡片具有更 多功能，这就是早期的智能卡。1 9 7 6 年法国布尔公司研制出世界第一枚智能卡。1 9 8 4 年， 法国的p t t 公司将智能卡用于电话卡，由于智能卡良好的安全性和可靠性，获得了意想不 到的成功。随后，国际标准化组织( i s o ，i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n ) 与国际电工委员会( i e c ，i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m is s i o n ) 的联合技术委 员会为之制订了一系列的国际标准、规范，极大地推动了智能卡的研究和发展。h 在智能卡技术迅速发展的同时，其内部的安全算法也逐渐形成了一套体系。对称加密 算法是应用较早的加密算法，数据发送方将明文( 原始数据) 和加密密钥一起经过特殊加 密算法处理后，使其变成复杂的加密密文发送出去。接收方收到密文后，若想解读原文， 则需要使用同一个密钥及相同算法对密文进行解密，才能恢复成明文。19 7 6 年，美国学者 d i m e 和h e n m a n 为解决信息公开传送和密钥管理问题，提出一种新的密钥交换协议，这就是 “公开密钥系统”。这种加密算法分别存在一个公开密钥和私有密钥，公钥公开，私钥保密。 用公开密钥对进行加密的数据，只有用对应的私有密钥才能解密；同样，如果用私有密钥 对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。目前微处理器智能卡一般都能支 持d e s 算法和r s a 算法。n 1 19 9 7 年s u n 公司推出了世界首张l a v a 卡，j a v a 卡是一种可以运行j a v a 程序的接触式微 处理器智能卡，在卡中运行的程序叫a p p l e t 。a p p l e t 可以动态装载到j a v a 卡上。j a v a 卡的 浙学预# 位论i a p i ( a p p t i c a t i o np r o g r a c m i n gi n t e r f a c e ss p e c i r i c a t i o n ) 为智能卡制定了一个j a v a 语言的特殊子集。如今9 5 智能卡制遣商已经支持了j a v a 卡的a p i 。j a v a 卡和j a v a 卡a p i 的 出现使智能卡的编程变得既快又简单，同时这些卡的应用程序( a p p l e t ) 可以在任何支持 j a v a 卡a p i 的智能卡上运行可以说f f a v a 卡的出现立刻解决7 之前智能卡所遇到的问题。 j a v a 卡的另一巨大优势是：开发人员可以任意选择他们所熟悉和喜欢的开发工具。由于对 j a v a 卡的编程是用j a v a 语言，所有几乎当今所有流行的j a v a 开发环境，如v j + + ，v c a f e 等， 都可以被用来进行j a v a 卡的开发正因如此，快速完成和调试j a v a 卡的应用程序也变为了 可能。“ i n d u n r y a d do i lc l a s s e s j a v a c o x df r r k ， j a v a c a r dv m ，* j i i h _ ，_ 。_ 。一“。一删 0 s n a t i r e f u n c t i o n s 圆1 1 l a v a 卡的结构模型 在进入2 1 世纪后，智能卡使用的安全性问题越来越受到重视，传统的智能卡是通过密 钥来保障卡片的安全性，但这就无法避免一个问题，简单的密码容易管理但是安全性不高， 而复杂冗长的密码确实能提高安全性，但阿时也不容易记住。于是就出现了一种新的生物 智能卡，这种智能卡片能将人体生物特征，如指纹，手型或脸型等记录在智能卡中，在验 证卡的过程当中将使用者的生物信息和存储在卡内的信息进行比对，从而有效的防止了卡 片密钥教复制，或者卡片被他人使用等一系列安全问题。“4 1 2 0 0 7 年索尼公司公布了该公司最新开发的用植物基塑料制作的非接触智能卡。索尼公 司是经过调整材料配合比和制作方法，并通过广泛的试验后，才将植物塑料应用于卡片制 作上，这种用植物塑料制造的卡片与普通塑料卡片在功能上没有任何差别，但可以垒降解， 有效的缓解了塑科卡基对环境的污染 1 2 2 国内发晨现状与趋势 在我国，随着金卡工程建设的不断深入，智能卡已在社会各个领域得到了广泛应用， 斯江 学顾学位* 女 并初步取得了的社会效益和经济效益。2 0 0 8 年，我国的智能卡发卡总量已$ 2 0 0 0 年底的5 4 亿张增加 , j 2 1 亿张，这个数字仍然在日趋庞大，这其中包括了公用电话i c 卡，移动电话s i m 卡，公交i c 卡和社保卡等等， 在交通领域，我国从1 9 9 4 年开始使用智能卡公交收费系统。目前，全国已有超过10 0 个城市启动了公交智能卡收费系统，累计发出公交智能卡几千万张，智能卡已经戚为国内 公共变通内一种理想的收费手段公麦智能卡能够记录每位乘客的每次刷卡信息，包括： 乘窨卡号、线路号刷卡时刻等大量信息，这也为城市交通管理系统提供了丰富的研究数 据。随着公交智能卡的应用越来越成熟，城市公交一卡多用系统也在逐步推进过程当中， 在城市公交的基础上提供地铁、出租车等其他交通服务，以及旅游，小额消费等多元服务 i r 8 l 在医疗领域，智能卡已经在初步使用，但是目前大多数门诊部仅仅将智能卡作为病人 信息管理的工具，而收费方式依然是通过挂号，病人拿现金击缴费。显然，这样的缴费方 式处理的速度很慢，高峰期病人通常需要排很长的队伍。同时，现金的处理方式通常容易 出错，还可能出现无法找兑的情况现在新兴的医疗一卡通系统就是在数字化医院的平台 上利用智能卡存储病人i d 号，经费等信息，实现患者挂号、就诊、收费、取药等全过程， 并可毗和医院内其他服务设施联用，如：院内食堂，门诊查询，小卖部等等。这就能够极 大的方便了就诊的病人” f c c a 刚h d n k 图12 医疗系统智能卡应用模式示意图 在物流零售领域，商品防伪越来越受到企业乃至全社会的关注，由此衍生的商品防伪 技术也越来越成为业界研究的热点。当前主要的防伪手段有条形码，激光标签等纸质材料， 4 勰 攮l 浙江大学硕+ 学位论文绪论 容易复制伪造。非接触式的射频识别技术作为智能技术的新应用，被用在物流和零售业的 商品标签上。它利用无线射频方式在读写器和电子标签之间进行非接触双向数据传输，以 达到目标识别和数据交换目的的非接触式自动识别技术。非接触式射频识别技术识别范围 广，工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体并可同时识别多个 标签，操作快捷方便，同时电子标签自身能存储大量信息，从而能够实现“一物一码”。 【1 i 1 在安防领域，智能门禁系统得到了广泛的应用，智能卡和电子锁的有机结合，以智能 智能卡代替传统钥匙，便于管理，提高了安全性能，有效的解决了传统门锁存在的问题。 而随着智能技术越来越成熟，智能门禁系统正朝着越来越多的应用领域发展，如：小区门 禁，企业考勤，智能家居等等。n 2 。1 3 1 在电信领域，最成功的应用就是：g s m 中的s i m 卡，和i c 电话机中的i c 卡。s i m 卡是g s m 网络中的个人身份模块，即s i m 卡中有一个i d 来唯一确定该卡的身份。这个i d 号会被g s m 的鉴权中心，计费中心等使用。i c 电话机中的i c 卡中存储着剩余话费的金额。i c 电话机会 依据通话时间，通话的费率对i c 卡存储的金额进行扣除。n 4 1 虽然我国“金卡工程”推行才十几年时间，但无论从行业发展前景，还是社会应用水 平来看，我国智能卡技术正处于上升阶段，并会有更大的市场和发展空间。 1 3 课题研究意义和内容 i 3 i 研究意义 随着当今社会数字化进程速度的越来越快，现金交易变得越来越来少，因此持卡用户 逐年显著增加。特别在国内推行“金卡工程”过程中，社会各个行业对实时、快速、智能 的身份识别、智能消费技术的需求不断加大，迫切需要一种智能化，布网方便，传输安全 的收费系统。因此本文研究开发功能齐全的以太网智能收费系统对提高社会消费智能化、 安全性有着十分重要的社会和经济意义。 本文研究基于嵌入式设计的智能收费系统旨在将校园或单位中使用最为广泛和频繁 的收费( 消费) 行为整合在一起，将诸多消费功能集成到同一收费终端机上，使得用户仅 使用一套系统就能适用于学校或者单位系统中不同种类的收费业务。另一个重要特点是在 硬件和软件上支持网络通信协议一一t c p i p 协议进行通信，因此能够直接连入t c p i p 公 用网或校园局域网。因为t c p i p 网络通信协议具有很强的灵活性，可以支持任意规模的 网络，且协议自身与硬件无关，不仅可以组建对等网，而且可以非常方便接入其他服务器， 浙江大学硕一l 学位论文 绪论 因而具有重要的应用和推广价值。 1 3 2 研究内容 1 3 2 1 研究目标 研制开发一套基于t c p i p 网络通信的智能收费系统的模拟样机，该收费系统采用集 成以太网控制器g , j l m 3 s 6 1 0 0 芯片构建系统主体部分，并在主芯片周围搭建一系列的外围电 路，以扩展系统的功能。并根据实际应用需求，定制丰富的功能，以实现餐厅，超市，食 堂等场所的不同应用需求。 1 3 2 2 主要研究内容 根据收费系统的实际应用，设计功能需求，包括参数设置，参数查询，发卡充值，通 信，消费等五大功能模块。使之能够满足大不同场所的应用，如：餐厅，超市，食堂等。 g ( l m 3 s 6 1o o 系列3 2 位单片机为核心，根据功能需求分析，设计、研制、开发智能收费 系统，包括射频读卡模块，按键管理模块，液晶显示模块，时钟管理模块以及f l a s h 管理 模块的硬件设计和相对应的软件开发工作。 进行无操作系统的以太网协议栈移植，采用全双工的通信模式，并进行通信功能调试。 运用开发的智能收费系统模拟样机，进行系统各项功能的调试、测试，直至修改完善， 达到实际使用需求的标准。 浙江大学硕士学位论文智能卡工作原理剖析 2 智能卡工作原理剖析 智能卡读写作为智能收费系统最重要的一个组成部分，主要包括三大结构：收发电路， e e p r o m ，卡芯。不同智能卡的结构和性能有很大差别。本章将介绍常见的智能卡以及其工 作原理。 2 1 智能卡的种类和特点 2 1 1 智能卡的种类 2 1 1 1 根据镶嵌的芯片不同可划分为： ( 1 ) 存储卡：存储器卡以存储器芯片作为卡内芯片，包括安全逻辑控制，地址译码 电路和指令译码电路等n 们。该类卡片的存储数据量大，容量为几k b 到几十k b 。为了能把 它封装在0 7 6 m m 的塑料卡基中，特制成0 3 r m 的薄型结构。存储卡通常采用同步通信方 式，这种卡片结构简单、使用方便、价格便宜，又较磁卡存储量大，因此应用也相当广泛。 由于该类智能卡不具备保密功能，因而一般用于存放不需要保密的信息。例如水电卡、医 疗急救卡，电话卡等。常见的存储卡有a t m e l 公司的a t 2 4 c 1 6 、a t 2 4 c 6 4 等。 ( 2 ) 逻辑加密卡：这种卡片内除了具有存储卡的e e p r o m 外，还设有专门的逻辑加 密电路，提供了硬件加密手段，在每次读卡和写卡之前要进行身份验证。如果连续几次密 码验证错误，卡片将会自锁，成为死卡h 。由于密码不是在读写器软件中而是存储于i c 卡上，所以几乎没有破译的可能，这就使得它非常适用于安全性要求较高的场合。同时， 该类卡片存储量相对较小，价格相对便宜，广泛应用在生活的各个领域，如食堂就餐卡、 电话卡、公共事业收费卡。常见的逻辑加密卡有s i e m e n s 公司的s l e 4 4 4 2 、s l e 4 4 2 8 ，a t m e l 公司的a t 8 8 s c l 6 0 8 等。 ( 3 ) 智能卡：智能卡采用微处理器芯片作为卡芯，由硬件和软件共同组成，属于 卡上单片机系统n 们。该类芯片内部包含微处理器单元( c p u ) 、存储单元( r a m 、r o m 和 e e p r o m ) 、和输入输出接口单元。其中，r a m 用于存放运算过程中的中间数据，r o m 中固 化有片内操作系统c o s ( c a r do p e r a t i n gs y s t e m ) ，而e e p r o m 用于存放持卡人的个人信 息以及发行单位的有关信息。c p u 管理信息的加密，解密和传输，严格防范非法访问卡内 信息，发现数次非法访问，将锁死相应的信息区( 也可用高一级命令解锁) 。c p u 卡价格 比逻辑加密卡要高。但c p u 卡的良好的处理能力和上佳的保密性能，使其成为智能卡发展 的主要方向。c p u 卡适用于保密性要求特别高的场合，如金融卡等。国际上比较著名的c p u 卡提供商有g e m p l u s 、g & d 、s c h l u m b e r g e r 等。 新江人学砚士学位论i智能卡i 柞原理剖析 ( 4 ) 超级智能卡：在智能卡的基础上外扩了按键、液晶显示器、电源，转型成为超 级智能卡，有的卡上甚至还具有指纹识别装置。v i s a 国际信用卡组织试验的一种超级卡 即带有2 0 个健，可显示1 6 个字符，除有计时，计算机汇率换算功能外，还存储有个人信 息、医疗，旅行用数据和电话号码等。 2 11 2 根据卡的读写方式不同可划分为： ( 1 ) 接触武智能卡：接触型智能卡，如图21 所示。其表面可以看到一个长方型镀 金接口，共有六个或八个触点，用于与读写嚣接触，二者之问通过电流信号完成读写。国 际标准i s 0 7 8 1 6 对此类卡的机械特性、电器特性等有严格的规定。读写操作时须将智能卡 插入读写器，直至读写完毕方可抽出卡片。接触式智能卡刷卡读写速度相对较慢， 但可 靠性高，一般用于存储信息量大，读写操作复杂的场合。“” 接牲式壮点 图21 接触式智能卡 ( 2 ) 非接触武智能卡：非接触型智能卡与接触式智能卡最大的区别在于卡上设有射 频信号收发器或红外线收发器，在一定距高内即可收发读写器的信号，因而和读写设备之 问无机械接触。其内嵌芯片除了c p u 、逻辑单元、存储单元外，增加7 射频收发电路。在 前述智能卡的电路基础上带有射频收发及相关电路的非接触智能卡被称作“射频卡”或“r f 卡”这种智能卡常用于身份验证，该类卡一般用在使用频繁、信息量相对较少、可靠性 要求较高的场合。卡上记录的信息简单，卡的类型变化也较大，甚至可以作成徽章等形式 f 】6 1 l ( 3 ) 双界面卡：将接触式智能卡与非接触式智能卡组合到一张卡片中，可以单独使 用每一部分，但是可以共用c p u 和存储空间，如图22 所示即为双界面卡。 丰# 站式 竞残虎固 鞋鳗丸耻点 图2 2 双界面卡 -麟 鳞一 浙江大学硕士学位论文智能卡工作原理剖析 2 1 1 3 根据卡的数据传输方式不同划分为： ( i ) 串行智能卡h 羽：智能卡与外界进行数据交换时，数据流以串行方式进行输入输 出，电极触点较少，一般为6 个或者8 个。由于串行智能卡接口简单、使用方便，目前被 广泛采用。 ( 2 ) 并行智能卡：智能卡与外界进行数据交换时以并行方式进行，有较多的电极触 点，一般在2 8 到6 8 之间。触点的增加极大的提高了数据交换的速度，并使得存储容量显 著增加。 2 1 1 4 根据卡的应用领域不同可划分为： ( 1 ) 金融卡：也称为银行卡，金融卡又可以分为信用卡和现金卡两种。金融信用卡 是我国大力建设的金卡工程的主要媒体。其中信用卡主要由银行发行和管理，客户可以用 信用卡进行消费，存款或进行一定额度的透支。由于智能卡内已经储存了持卡人主要信息， 故不一定要求消费场所与银行联网，即可进行消费。和磁卡等相比，具有更高的方便性和 保密性。现金卡是客户用现金购买的电子货币，俗称“电子钱包”，自动计费，使用方便， 免去需要找零的麻烦。如缴纳电费的电卡、食堂就餐的饭卡、公交卡等等。智能卡在金融 领域应用，主要是由于其优良的性能，可以有效地防止伪造和窃用。 ( 2 ) 非金融卡：也称为非银行卡，涉及范围十分广泛，实际包含金融卡之外的所有 领域，诸如电信、旅游、教育和公交等等。主要是作为电子证件，用来记录持卡人的各方 面信息，作为身份识别。如智能卡身份证、学生证、门禁卡、考勤卡、医疗证、住宿证等。 由于智能卡可以记录大量信息，并且可以分区存款，因此可以做到一卡多用，简化验证 的手续。 2 1 2 智能卡的特点 智能卡的概念是7 0 年代初提出来的，法国布尔( b u l l ) 公司于1 9 7 6 年首先创造出智能 卡产品，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、身份证明等多个行业，它将微电子技术 和计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度。 智能卡的外观是一块塑料或p v c 材料，通常还印有各种图案、文字和号码，称为“卡 基”；在“卡基”的固定位置上嵌装一种特定的智能芯片就成为我们通常所说的智能卡。根 据嵌装的芯片不同就产生了各种类型的智能卡，智能卡外观及内部构造如图2 3 所示。 9 浙江大学硬十学位论文智能卡f 作原4 剖析 圈2 3 智能卡外观履内部构造 智能卡芯片具有写入数据和存储数据的能力，智能卡存储器中的内容根据需要可以有 条件地供外部读取，完成供内部信息赴理和判定之用。正由于智能卡网络系统应用中具有 个人身份性和密文性的特点。所以智能卡一出现，就以其超小的体积、先进的集成电路等 优势迅速占领市场 智能卡较之以往的识别卡，具有以下特点：一是可靠性高，智能卡具有防磁、防静电、 防机械损坏和防化学破坏等能力。信息可保存1 0 0 年以上，读写次数在l0 万次以上，至 少可用1 0 年；二是安全性好，智能卡的出现大大提高了交易的方便性和安全性；三是存 储容量大；四是卡片种类丰富从垒球范围看，现在智能卡的应用范围已不再局限于早期 的通信领域，而广泛地应用于金融财务、社会保险、交通旅游、医疗卫生政府行政、商 品零售，体闲娱乐，学校管理及其它领域。“”2 1 而其中非接触式卡又具有以下优点： ( 1 ) 可靠性高：非接触式智能卡与读写器之问无机械接触，避免了由于接触读写而 产生的各种故障例如：由于粗暴插卡，非卡外物插入，灰尘或油污导致接触不良等原 因造成的故障。此外，非接触式卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落、静电击穿、弯 曲损坏等问题，既便于卡片的印刷，又提高了卡片的使用可靠性。 ( 2 ) 操作方便快速：由于非接触通讯，读写器在l o o m 范围内就可毗对卡片操作，所 以不必反复插拨卡，非常方便用户使用。非接触式卡使用时没有方向性，卡片可毗任意方 向掠过读写器，即可完成操作，这大大提高了每次使用的速度。 ( 3 ) 防冲突：非接触式卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰因 此，读写器可以“同时”处理多张非接触式智能卡这提高了应用的并行性，无形中提高 了系统工作速度。 ( 4 ) 可以适合干多种应用：非接触式卡的存储结构特点使它一卡多用，能应用于不 同的系统，用户可根据不同的应用设定不同的密码和访问条件 ( 5 ) 加密性能好：非接触武卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序 列号固化，不可再更改。非接触式卡与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证智能 1 0 浙江大学硕士学位论文智能卡工作原理剖析 卡的合法性，时智能卡也验证读写器的合法性。非接触式卡在处理前要与读写器进行三次 相互认证，而且在通讯过程中所有的数据都加密。此外，卡中各个扇区都有自己的操作密 码和访问条件鉴于智能卡具有以上无可比拟的优点，所以它很适宜应用于电子钱包，自动 收费系统等现金交易的场合。 2 2 智能卡工作原理 n x p 半导体( 由p h i l i p s 创建) 是世界上最早研制非接触式智能卡芯片的公司之一n 8 1 ， 曾拥有国际市场上同类产品的六成以上的份额，对非接触式智能卡在全世界的推广使用起 着不可替代的引导和推动作用。其代表性产品主要为：内含1 k 4 k 字节e e p r o m 的逻辑加 密卡芯片m i f a r es t a n d a r d 、3 8 4 位6 4 字节e e p r o m 的缩减型逻辑加密卡芯片m i f a r e l i g h t 和m i f a r eu 1 t r a l i g h t 、4 k 字节e e p r o m 的c p u 卡m i f a r ed e s f i r e ，以及双界面卡 芯片m i f a r ep l u s 、m i f a r ep r o 系列、m i f a r ep r o x 系列和s m a r tm x 系列。这里主要介 绍在全球影响最大、应用最广泛的m i f a r es t a n d a r d 中的m i f a r e ls 5 0 卡芯片。 2 2 1m i f a r e l 智能$ 5 0 卡 m i f a r e ls 5 0 非接触式卡( m f l 卡) 符合m i f a r e i 国际标准，容量为8 k 位，数据保存 期为1 0 年，可改写1 0 万次，读无限次。m f l 卡不带电源，自带天线，内含加密控制逻辑 电路和通讯逻辑电路，卡与读写器之间的通讯采用国际通用的d e s 和r e s 保密交叉算法， 具有极高的保密性能n 引。 主要指标： 容量为8 k 位e e p r o m 卡内1 k 字节e e p r o m 划分为16 个扇区，每区4 块，每块1 6 字节，各个扇区可以 独立采取多种形式的密钥保护，实现一卡多用和一卡通每个扇区有独立的一组密 码及访问控制。 每张卡有唯一序列号，为3 2 位。 防冲突机制：同一时间内可处理多张卡，并且在处理卡片时可防突发的读或写或 读写中断现象动态读写当对某张卡片进行处理时，其它卡可进入或离开射频区域 快速防冲突协议，每增加一张卡对整个处理过程来说仅增加l m s 。 无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路 数据保存期为1 0 年，可改写10 万次，读无限次 工作温度：- 2 0 。c - - 5 0 ( 湿度为9 0 5 ) 浙江大学硕l 学位论文 智能卡i 作原理剖析 工作频率：13 5 6 1 0 a z * 通信速率 通信速率：1 0 6 b p s 读写距离：l o c m 以内( 与读写器有关) 2 2 2 工作原理 卡片的电气部分只由一个天线和a s i c 组成，没有其它外部器件 天线：卡片的天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到i s o 卡片中。 a s i c ：卡片的a s i c 由一个高速( 1 0 6 k b 波特率) 的接口，一个控制单元和一个8 k 位 e e p b o m 组成，智能卡的电路结构如图24 所示 匿甄蠹羽 i 圈豳 脑圈 田24 智能卡电路构成 系统发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，另一部分则是数据信号，指 挥芯片完成数据的读取，修改存储等，并将返回值发送至读写器。 系统读写器通过天线向m f l 卡发射一组频率为13 5 6 m l t z 的电磁液，卡片内有一个频 率与系统读写器发出的频率相同的l c 串联谐振电路，在电磁波的激励下，l c 谐振电路产 生共振，从而使电容内有了电荷，接在这个电容另一端的单向导通电子泵，会将电容内的 电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2 v 时，此电容可做为电源为其它电路 提供工作电压，包括复位信号、时钟信号等，然后开始进行和读写器之间的双向数据适信。 在进行数据信号通信时，读写器将要发送的信号，编码后加载在频率为135 6 m h z 的 载波信号上，经天线向外发送当前正在读写器工作区域内的m f l 卡m f l 卡接收到此脉冲 信号后，卡内芯片中的有关电路对此信号进行解调、解码、解密，从中提取出相关的数据， 然后对命令请求密码、权限等进行判断。若为读命夸，控制逻辑电路则从存储器中读取 有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线发送给读写器，读写器对接收到的信号进 行解调、解码、解密并将处理后的结果送入读写器智能单元。若为修改信患的写命令，有 关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写e e p r o m 时所需的高压，以便对 一胀一 浙江大学硕上学位论文智能卡工作原理剖析 e e p r o m 中的内容进行改写。若判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息n7 1 。智能 卡与读卡器之间的常用接口如图2 5 所示。 虚； j 系统接 + 键：金额的累加，品种的累加 + _ ，一键：用于切换页面，其中“一”有清除的复用功能 清除键：消除上一次的输入 确认键：对所有金额加和后，对卡进行消费确认 另一类就是功能按键键： e s c 键：返回 设定键：直接进入参数设定界面 查询键：直接进入参数查询界面 普通键：直接进入普通消费界面 定值键：直接进入定值消费界面 品种键：直接进入品种消费界面 特殊键：直接进入特殊消费界面 f i 键：在消费界面中使用特殊功能 1 4 浙江大学硕士学位论文智能收费系统功能设计 f 2 键：使用现金支付 3 2 系统功能设计 本课题研究的智能收费系统的功能主要分为五大部分，分别为参数设置，参数查询， 充值，通信和消费n2 1 。 智能收费系统的网络架构为单对多，一台服务器通过以太网和多台终端相连。通过以 太网络，服务器可访问位于任何物理位置的终端，可集中管理大量的分布控制系统。系统 网络布局如图3 2 所示心p 2 1 1 。 打印机技卡机i c 卡 图3 2 智能收费系统网络布局结构示意图 收费系统的功能主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 智能收费系统可以独立运行，利用自身的f l a s h 存储数据，非常适合移动或一 切不具备联网条件的场所；也可联网运行，并将数据上传服务器n 引。 ( 2 ) 收费系统的读卡模块对智能卡的读写有一个完整的流程，任何人为中断都不会 改变卡片内的信息，加强对卡内数据的保护。 ( 3 ) 支持众多功能，如普通，定值，折扣，限次，信用消费，个人密码验证等乜”。 ( 4 ) 系统支持功能模块屏蔽，由此可以从一套终端系统衍生出各种不同系统，包括 收费机，充值机，补贴机，查询机等，具有很好的灵活性。 3 2 1 参数设置 ( 1 ) 按“设定”键，或者在主菜单界面中按“1 ”键都能进入参数设置界面。在参数 设置界面中，系统可以进行如下一些操作： ( 2 ) 设置机号。对终端机的机号进行设置，在屏幕提示“请输入机号后，输入机 号，按“确定”键。这样c p u 自带f l a s h 中用来存放机号的固定区域就更新为当前值。 ( 3 ) 设置时间。设置终端机时间有两种方式，一是可以通过键盘输入来更新时钟管 1 5 浙江人学硕上学位论文智能收费系统功能设计 理芯片中对应寄存器的值。二是由服务器通过以太网主动下发当前时间。 ( 4 ) 设置密码。设置用于进入参数设置界面和充值界面的密码。f l a s h 中有固定区域 用来存放密码，只有在键盘写入的值和此区域中的值的比对正确后才能修改密码n 7 1 。 ( 5 ) 清除消费记录。清除保存在本地f l a s h 中的消费记录 ( 6 ) 设置消费类别。设置卡片的消费类别，主要用于特殊消费。 3 2 2 参数查询 按“查询”键或者在功能选择界面中“2 ”数字键进入参数查询界面。查询不需要输 入操作密码。在这个界面中系统可以进行机号查询，当前时间的查询。也可以查询当日的 消费或充值记录条数，消费或充值总金额，另外还可以查询剩余的存储空间，以便于及时 备份数据。 3 2 3 充值 在主菜单界面中按“3 ”数字键就能进入充值界面。从安全角度考虑，进入充值界面 需要输入操作员的编号和操作密码，在每条充值记录中都会带有操作员的编号，表明这条 充值记录的来源，以便于管理。 充值分为两种，一种是现金充值，在充值时，收费系统会先读取卡中金额，然后根据 收取的现金，将更新后的金额显示在屏幕上并写入卡内。 另一种是补贴充值，在充值界面按下f 1 键，屏幕右上方显示“特殊”字样，即普通 充值切换到了补贴充值的功能，补贴根据上位机下发的参数进行设置及显示，需要配置的 有补贴种类和补贴的金额。补贴种类分为累加式和封顶式。 累加式：卡内金额不会作废，自动累加 封顶式：卡内金额过期会自动清零 补贴金额会直接显示在充值界面的充值金额显示行，用户只需将卡在读卡器上刷卡即可完 成本次补贴操作。 3 2 4 通信 本系统要求具有基于t c p i p 协议的网络通信功能，即所设计的收费系统终端通过以 太网与服务器进行消费信息的传输心扣2 卯，通信内容包括以下几个部分： ( 1 ) 上传消费记录。在财务结算或财务数据核对时，需要将终端机中保存在f l a s h 中的数据上传至服务器。服务器首先下发命令和机号，对应机号的终端机收到命令后，将 保存在扩展f l a s h 中的数据以2 5 6 个字节为单位进行上传。 ( 2 ) 上位机下发品种目录。品种目录主要应用于品种消费，目录设置为三层。服务 1 6 浙江人学硕七学位论文 智能收费系统功能设计 器在每下发一层目录之前，需要先下发命令，终端机会根据命令中包含的参数自动计算， 并找到相应的位置进行存储。然后终端机就会接收来自服务器端下发的品种目录和单价， 存储于指定的单元。 ( 3 ) 清除本地记录。该命令和参数设置中的清除消费记录的功能相同。 ( 4 ) 清除品种目录。一旦消费的品种发生变化，则可以通过该命令将保存在终端机 中品种目录清除，然后再重新下发新的品种目录。 ( 5 ) 下发配置参数。设置终端机一系列参数，主要包括特殊消费中的消费类别，消 费折扣，补贴金额，补贴模式等，以及一系列开关标志等。 通信结束