（电路与系统专业论文）智能卡研究及基于RFID的汽车防盗装置的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

智能卡研究及基于r f i d 的汽车防盗装置的设计 摘要 随着现代计算机技术和通信技术的飞速发展，智能卡逐渐成为人民生活的 重要组成部分，而非接触式智能卡更以不可替代的优势成为未来智能卡的发展 趋势。非接触式智能卡采用射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f ic a t i o n ) ， 由于非接触式智能卡具有操作快捷、抗干扰能力强、工作距离远、安全性高、 便于“一卡多用”等特点，在自动收费、身份识别和电子钱包等领域具有接触 式智能卡所无法比拟的优越性，有着广阔的市场前景。 自九十年代初以来，随着汽车盗窃案的大量增加，推动了对有效防盗系统的 需求，同时也推动了应答器技术的发展，出现了一种新的解决方法，利用它可以 对授权及钥匙的真实性进行检测，此方法是通过对点火装置的闭锁实现电子防 盗功能。 在这方面国外已有很多工作成果，但国内在此方面的研究相对较少，为此 本论文研究并设计了一种能满足上述要求的基于射频识别系统的汽车防盗装 置。本论文首先对智能卡进行了概述，介绍了其概念、特点、分类、国际标准 及国内外发展状况：随后介绍了非接触式智能卡技术的基础：射频识别系统的 概念和基本的物理基础和工作原理；紧接着重点介绍了a t m e l 公司的基站芯片 u 2 2 7 0 b 和射频卡芯片t 5 5 5 7 ，并在此基础上论文详细阐述了基于射频识别系统 的汽车防盗装置的硬件和软件设计，硬件电路的设计包括i c 卡读写电路、语音 报警电路、电源监控电路、存储接口电路和串行通信电路的设计，软件的设计 包括系统读写卡电路的软件和其它功能电路的软件设计：论文的最后介绍了椭 圆曲线密码体制的数学原理和算法思想，提出了椭圆曲线密码体制在非接触式 智能卡中的应用及其独特的优点。 关键词：非接触式智能卡，射频识别，阅读器，应答器，椭圆曲线 as t u d yo fs m a r tc a r da n dd e s i g no f a u t o g u a r de q u i p m e n tb a s e do n r f i d a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fm o d e r n c o m p u t e r a n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，s m a r tc a r db e c o m e sa ni m p o r t a n tp a r to fp e o p l e sl i f e ，a n dc o n t a c t l e s s s m a r tc a r dh a sb e c o m et h ed i r e c t i o no fs m a r tc a r dm a r k e ti nt h ef u t u r e c o n t a c t l e s s s m a r tc a r du s e st h e t e c h n o l o g y o fr a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，b e c a u s e c o n t a c t l e s ss m a r tc a r dh a ss o m ea d v a n t a g e so v e rc o n t a c ts m a r tc a r ds u c ha si t sh i g h w o r k i n gs p e e d 、g o o da n t i c o l l s i o nq u a l i t y 、l o n gw o r k i n gd i s t a n c e ，t h e r ew i l lb ea g o o gp r o s p e c t f o ri t i n m a n y f i e l d ss u c ha sa u t o m a t i cp r i c i n g 、i d e n t i t y d i s t i n g u i s h i n g 、e l e c t r i cw a l l e ta n ds oo n b e c a u s eo ft h ei n c r e m e n to fa u t ot h i e v e dc a s ef r o m9 0 s ，t h ev a l i dg u a r d e q u i p m e n ta n dt r a n s p o n d e rh a sd e v e l o p e dr a p i d t h e r eb e c o m e san e wm e t h o dw i t h w h i c hw ec a nd e t e c ta u t h o r i z a t i o na n dk e y ，t h i sm e t h o dc a nr e a l i z ee l e c t r i cg u a r d f u n c t i o nb yc o n t r o l l i n ge l e c t r o ni g n i t i o ne q u i p m e n t t h e r ei sm u c hp r o d u c t i o ni n t h i sf i e l dn o w ，b u tf e wr e s e a r c hi nd o m e s t i c f i e l d t h i s p a p e rp r e s e n t s an e wk i n d o fr e s e a r c ha n d d e s i g n o fa u t o - g u a r d e q u i p m e n t b a s e do nr f i d a t f i r s t ，t h ep a p e rg e n e r a l l yi n t r o d u c e s s m a r t c a r d ，i n c l u d i n gi t sc o n c e p t 、f e a t u r e 、t y p e 、i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r da n dd e v e l o p i n g c o n d i t i o n t h e ni ti n t r o d u c e sc o n t a c t l e s ss m a r tc a r dc o n t a i n i n gt h ec o n c e p ta n d w o r k i n gp r i n c i p l eo fr f i d t h i sp a p e rg i v e se m p h a s i st ot h ei n t r o d u c eo f u 2 2 7 0 b a n dt 5 5 5 7o fa t m e lc o r p o r a t i o ni nd e t a i l b a s e do nt h e s e ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fa u t o g u a r de q u i p m e n tb a s e d0 nr f i d t h ed e s i g n o fh a r d w a r ec i r c u i ti n e l u d e si cr e a da n dw r i t ec i r c u i t 、v o i c ea l e r tc i r c u i t 、p o w e r m o n i t o ra n dc o n t r o l c i r c u i t 、s t o r a g e i n t e r f a c ec i r c u i ta n ds e r i a l p o r t t e l e c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t h ed e s i g no fs o f t w a r ei n c l u d e st h es o f t w a r eo fi cr e a d a n dw r i t ec i r c u i ta n do t h e rf u n c t i o n a lc i r c u i t ，a tl a s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e m a t h e m a t i c a lt h e o r i e sa n da l g o r i t h mp r i n c i p l eo fe l l i p t i cc u r v ec r y p t o s y s t e m s ， p r e s e n t st h eu s eo fe l l i p t i cc u r v ec r y p t o s y s t e m si n c o n t a c t l e s ss m a r tc a r da n di t s s p e c i a la d v a n t a g e s k e yw o r k s ：c o n t a c t l e s ss m a r tc a r d ， r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ， r e a d e r ， t r a n s p o n d e r ，e l l i p t i cc u r v e 插图目录 图2 1 射频识别系统的组成一 图2 2 阅读器的组成结构框图。 图2 3电感耦合方式，】 图2 4 负载调制，1 图2 5 时序法中的能量与数据传送1 图2 6 短圆柱形线圈或导体电路周围的磁力线路径1 图2 7 磁耦合导体回路的等效电路1 图2 - 8 磁耦合导体回路的等效电路图l 图3 1 射频识别系统硬件框图2 0 图3 。2u 2 2 7 0 b 的组成框图2 1 图3 3u 2 2 7 0 b 的单电源工作方式2 2 图3 - 4u 2 2 7 0 b 的双电源工作方式2 2 图3 5u 2 2 7 0 b 的电池供电工作方式2 3 图3 - 6 外部解调电路2 3 图3 - 7u 2 2 7 0 b 的应用电路2 5 图3 8 二极管反馈的振荡器控制回路图2 6 图3 - 9 天线线圈波形2 6 图3 1 0i s d 2 5 6 0 内部框图一2 8 图3 1 la t 8 9 s 5l 与i s d 2 5 6 0 的接口电路，3 0 图3 1 22 4 l c 6 5 引脚3i 图3 1 32 4 l c 6 5 与a t 8 9 s 5 1 的硬件连接3 1 图3 1 4m a x 2 3 2 与a t 8 9 s 5 1 的接口电路3 3 图4 1t 5 5 5 7 的内部结构框图3 4 图4 - 2t 5 5 5 7 存储体的结构3 6 图4 3 同步信号3 9 图4 4 基站读取数据流的时序图4 0 图4 5i c 卡读卡流程图4 2 图4 6 四种命令格式4 3 图4 7 发送数据时r f 区域状态，4 4 图4 8i c 卡写卡流程图4 4 图4 9 发送数据流子程序4 5 图4 1 0 语音报警程序框图4 6 图5 - 1 椭圆曲线加解密流程 表1 - 1 非接触式i c 卡国际标准 插表目录 表3 一lu 2 2 7 0 b 的引脚功能2 1 表3 - 2 数据传输率与输入电容、去耦电容的关系2 4 表3 3磁耦合因子与适合的应用电路形式2 4 表4 1 调制类型3 5 表4 2 配置寄存器3 7 表4 3比特率的设置3 7 表4 - 4 调制方式的设置3 8 表4 5p s k c f 的设置3 8 表4 - 6 发射最大数据块的设置3 9 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。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒月b 王些太堂 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谓 意。 学位论文作者签字确伊 签字日期：加年军月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒魍王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目b 王业太 ：l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，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：嘲乒 签字日期踟6 年参月6 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期： 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，回顾两年多来在硕士阶段的学习和研究工作，我得到了 很多老师和同学们的无私帮助和支持，没有他们我是无法顺利完成学业和论文 的。而他们所给予我的这切，并不是致谢这两个字所能够完全表达的。 首先我要衷心的感谢我的导师单承赣教授。近三年的研究生生涯，单老师 作为一位优秀的学者和老师，在学术上，他用渊博的学识和开阔的眼界来指导 我的科研工作；生活上，单老师更是给了我无微不至的关怀和照顾，同时也教 会了我许多为人处世的态度和道理。在此，我要衷心感谢单老师为我所做的一 切，我为有这样一个好的导师感到无比幸运。 感谢计算机与信息学院为我提供一个良好的学习环境；感谢多媒体实验室 的师兄、师姐、师弟、师妹们在学习上和生活上给予我的关心、支持和帮助， 正是有了他们，我才克服了学习和生活上的种种困难，与他们之间的纯洁友谊 我会永远珍惜。 最后要特别感谢我的父母和家人在这二十多年来给予我深深的关心和支 持，他们是我克服困难与不断进取的动力。 作者：丁传银 2 0 0 6 年3 月 1 1 智能卡的概念 第一章绪论 信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，也是我国产业化升级和实现 工业化、现代化的关键环节。智能卡系统应用是社会信息化的一个重要方面。 用于信息处理的卡片种类繁多，智能卡能够脱颖而出，其原因在于它与磁卡等 其它种类的卡相比有许多优点，如存储容量大、体积小、抗干扰能力强、安全 性高等。 智能卡的名称来源于英文名词“s m a r tc a r d ”，又称集成电路卡，即i c 卡 ( i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 。它将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装 成为卡的形式，其外型与磁卡相似。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( 第一张由双晶片、即微 处理器和存储器、组成的智能卡) ，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。在此后的十几年间，除法国的布尔公司之外，世界上 先后有m o t o r o l a 、t i 、t h o m s o n 、h i t a c h i 、o k i 、t o s h i b a 、s h a r p 、a t m e l 、g e m p l u s 、 s c h l u m b e r g e r 、p h i l i p s 等十几家公司相继投入了智能卡芯片和卡片成品的开发与 生产，形成了一个世界性的新兴技术产业。 目前，智能卡系统应用己经发展成为一个独立的跨学科的专业领域，它将 大量来自不同专业领域的技术综合在一起，诸如计算机技术、网络技术，数据 库处理技术、高频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、 制造技术和许多专业应用领域，是典型的多学科的应用系统。智能卡系统的技 术核心是卡用芯片技术，其应用和发展的基础在于微电子技术的提高。 1 2 智能卡标准及国内外发展现状 1 2 1 智能卡标准 智能卡标准是标准式智能卡设计制造与应用的支撑点，符合标准是智能卡 赖以生存的条件。智能卡的国际标准根据卡的类型分成两大类：接触式智能卡 国际标准和非接触式智能卡国际标准0 1 。接触式智能卡应用较早，其国际标准 比较完善。 i s o i e c7 8 1 6 是最广为人知的接触式智能卡标准，是智能卡遵循的主要国 际标准。i s o i e c 推出的7 8 1 6 国际标准已经有1 0 个部分，它们对智能卡的物理特 性、卡片触点尺寸与位置、电信号与传输协议、行业间交换命令、数据元以及 智能卡注册管理办法等作出了详细的规定“。1 。 非接触式智能卡近年来开始推广应用，其标准有些己经通过，有些正在制 定与讨论过程中。目前，国际化标准组织根据接口设备与智能卡作用距离的不 同而定义了几个国际标准，分别为i s o i e c1 0 5 3 6 、i s o i e c1 4 4 4 3 、i s o i e c 15 6 9 3 和i s o i e c18 0 0 0 等。非接触式智能卡国际标准主要规定了卡的物理特性、 射频能量和信号接口、初始化与防冲突、选择应答和传输协议、多卡激活等方 面”1 ”。 表1 1 非接触式l c 卡国际标准 标准卡类型 作用距离 i s o i e cl0 5 3 6 密耦台 0 1 0 m m i s o i e c14 4 4 3近耦合0 1 0 0 r a m i s o ，i e cl5 6 9 3 疏耦台 0 1 0 0 0 m m i s o i e c1 8 0 0 0 1 | 1 际标准“2 1 是针对所有频段的射频识别系统，对射频识别系 统中各个不同的频段都有阐述“”。 1 2 2 国内外发展现状 1 国外发展现状 智能卡自2 0 世纪7 0 年代问世以来发展迅速。全球的智能卡的发行量从1 9 9 2 年的2 6 亿张发展至j 2 0 0 0 年的2 0 6 亿张。各地市场份额为：亚太地区占6 5 2 ，欧 洲占1 8 _ 3 ，美国占1 4 ，其他国家占15 1 ；从应用类别看，电话卡占 6 0 6 8 ，s i m 卡占1 8 4 5 ，金融卡占8 7 4 ，其他占1 2 1 3 。2 0 0 2 年全球共发行 6 9 亿张的智能卡，其中欧洲占了6 0 ，亚洲占了3 0 。目前，国际上智能卡的 应用已经进入高速发展时期，2 0 0 3 年全球的智能片发行量已经达到6 3 亿张。 法国是推出智能卡最早、使用智能卡最多、生产厂商经济实力最雄厚、技 术水平最领先的国家。法国生产制造的智能卡不仅在数量上领先各国，其应用 领域也灵活多样。法国智能卡名牌厂商众多，诸j t l j g e m p l u s ，i n g e n i c o ， b u l l ，c k d 等。美国在智能卡产业的市场应用、普及方面赶不上法国。由于 美国的磁卡应用在全世界占首位，网络通信又很发达，为了保护已有设备的投 资，没有急于用智能卡全面替换磁卡，但在军用方面及研究智能卡技术方面， 仍然在大力进行。近年来美国政府为改变此种现状，积极支持并领导智能卡的 开发、研制与应用，美国智能卡产业迅速发展起来。 总的说来，国外智能卡技术发展趋势是非接触逻辑加密卡趋于成熟，双界 面c p u 卡应用技术水平逐步提高与完善，应用领域不断扩大、价格逐步下调， 使双界面c p u 卡的应用进入一个较快的发展阶段。随着3 g 等标准的出台和实 施，智能卡在生活中的应用将更多、作用将更重要，智能卡将成为人们生活中 不可缺少的一种工具。 2 2 国内发展现状 卡片应用系统进入我国的时问较晚，在“金卡工程”建设的大力推动下， 发展十分迅速。卡的应用由银行卡起步，而非银行卡的应用后来居上，远远超 过了银行卡的发展速度和规模。其中，发展最快的是各类行业性i c 卡，如电信 领域的公用电话i c 卡和移动通信s i m 卡、石化领域的加油卡、劳动和社会保障 部门的社会保障卡、建设部门的城市公用事业卡、工商行政管理部门的工商企 业卡、税务部门的税务卡、技术监督部门的组织机构代码片等。很多行业性i c 片的应用己制定了统一的行业标准。另外，由各地方、各单位发行的智能卡， 如校园卡、单位员工管理卡、食堂用餐卡、门禁卡、优惠卡等各种智能卡的应 用发卡数量也相当可观。我国通过引进智能卡封装生产线，国内智能卡的生产 厂发展至i j 3 0 多家，整体生产能力达到2 亿张左右。全国智能卡用电子产品的开发 和系统集成厂和公司也达到5 0 0 家左右。设计生产的产品品种有4 0 多种，涉及到 各种类别的卡片，包括存储卡、智能c p u 卡、接触卡、非接触卡、s i m ( s u b s c r i b e r i d e n t i t ym o d u l e ) 卡，u i m ( u s e r i d e n t i f i c a t i o nm o d u l e ) 卡等。 在当今世界经济发展日趋全球化、信息化的背景下，我国政府高度重视信 息化建设，当前信息产业已经成为我国的第一支柱产业。在这样一个有利的情 形下，中国市场对i c 卡的需求量迅速上升。1 9 9 9 年全国i c 长发行量约为1 7 亿多 张，2 0 0 0 年我国i c 卡共发行2 3 亿张，增长3 5 ；2 0 0 1 年中国i c 卡需求量约3 2 亿张，增长4 0 ：2 0 0 2 年我国i c 卡应用进入成熟、理性发展阶段，i c 卡发行量 约4 2 8 亿张，增长3 3 8 ，其中存储卡是主要的需求，发行约3 3 4 0 5 万张，占总 发卡量的7 8 0 4 ；2 0 0 2 年c p u 卡的需求增长迅速，发行约9 3 9 5 万张，占总发卡 量的2 1 9 6 。目前中国i c 卡市场对i c 卡的需求还处于一个比较低的产品层次 上，技术含量高的产品还比较少。 未来智能卡的发展主要朝着下面三个特点演变：高度的安全性；较大的容 量；要从现在单一的身份识别功能扩展到多用途功能、处理多种类型的数据， 因此总的来说，卡产品的发展趋势是将逐步朝着非接触卡、c p u 卡发展：从单一 的芯片技术向磁条、芯片等多技术相结合的方向发展；从单一的应用向多应用 方向发展：从单一的接触、非接触卡于向两者结合的混合卡方向发展。 1 9 9 3 年7 月2 日，电子部部长胡启立提出在全国组织实施涉及国民经济信息 化的“金桥”、“金卡”、“金关”工程，即“三金工程”。其中，金卡工程 的主要任务是：完善金融立法和制度、规范金融秩序，将消费转账纳入国家监 测体系，增强国家对经济的宏观调控和决策能力：减少现金流通量和货币发行 量，稳定币值，推行电子货币，实现支付手段的革命性变化；减少和杜绝非法 金融活动，有利于反腐倡廉、减少经济犯罪；为个人和企业提供方便、快捷、 安全的电子支付手段，促进市场繁荣、经济发展：统一标准，打破条块分割， 实现金融与信息服务协同一致的、跨行业的社会系统工程，建立完善的金融交 易卡发行与运行体系；促进信用卡业务联营，设备、网络、服务和信息资源的 共享，节约投资，减少风险：促进商业、旅游、金融和财税等行业管理现代化， 加速国民经济信息化进程；产用结合，全面带动我国电子信息产业的发展；体 现电子货币是信息时代崭新的货币形式，也是信息时代重要标志之一。 十多年来，金卡工程的实施加强了国家对经济的宏观调控，促进了金融、 商贸、旅游业的电子化与信息化建设，全面带动了电子信息产业的发展，同时 也提高了全民信息化的意识，推动了我国国民经济和社会信息化的进程。有理 由相信，在经济持续健康发展的未来，金卡工程必将有力地促进我国信息产业 的发展，有效提高人民生活水一平。作为首批启动的国家信息化重大工程，金 卡工程任重而道远，我国的以智能卡系统应用为代表的信息化历程任重而道远 1 5 1 3 智能卡的分类 智能卡是智能卡技术的核心，它的性能和成本对智能卡技术的推广和使用 起着举足轻重的作用，为了提高智能卡的标准化和通用性，国际标准化组织对 智能卡的接口和通讯协议作了详细规定。 按照数据读写方式，智能卡又可分为接触式i c 卡和非接触式1 c 卡两类： 接触式i c 卡：读写设备的触点和卡片上的触点相接触，进行数据读写：国 际标准i s o i e c7 8 1 6 系列对此类i c 卡进行了规定； 非接触式i c 卡：i c 卡与读写设备无电路接触，由非接触式的读写技术进行 读写( 例如，光或无线电技术) 。其内嵌芯片除了存储单元、控制逻辑外，增 加了射频收发电路。这类卡一般用在存取频繁，可靠性要求特别高的场合。国 际标准i s o i e c1 4 4 4 3 系列阐述了对非接触式i c 卡的有关规定。 按照其组成结构，智能卡可以分为一般存储卡、加密存储卡、c p u 卡和超 级智能卡： 非加密存储器卡( m e m o r yc a r d ) ：其内嵌芯片相当于普通串行e 2 p r o m 存储器，有些芯片还增加了特定区域的写保护功能，这类卡信息存储方便，使 用简单，价格便宜，很多场合可替代磁卡，但由于其本身不具备信息保密功能， 因此，只能用于保密性要求不高的应用场合； 加密存储器卡( s e c u r i t yc a r d ) ：加密存储器卡内嵌芯片在存储区外增加 了控制逻辑，在访问存储区之前需要核对密码，只有密码正确，才一能进行存 取操作，这类信息保密性较好，使用与普通存储器卡相类似； c p u 卡( s m a r t c a r d ) ：c p u 卡内嵌芯片相当于一个特殊类型的单片机，内 部除了带有控制器，存储器，时序控制逻辑等外，还带有算术单元和操作系统， 由于c p u 卡有存储容量大，处理能力强，信息存储安全等特性，因此，广泛用 于信息安全性要求特别高的场合； 超级智能卡：在卡上具有m c u 和存储器并装有键盘、液晶显示器和电源， 有的卡上还具有指纹识别装置等。 按照数据交换方式分类，智能卡可以分为串行和并行两种： 串行i c 卡：智能卡和外界进行数据交换时，数据流按照串行方式输入输出。 当前应用中大多数i c 卡都属于串行i c 卡类，串行i c 卡接口简单，使用方便，国 际标准化组织为之专门开发了相关标准； 并行i c 卡：与串行i c 卡相反，并行i c 卡的数据交换以并行方式进行，由此 可以带来两方面的好处，一是数据交换速度提高，二是在现有技术条件下存储 容量可以显著增加。有些厂商在这方面作出了探索，并有产品投入使用，但由 于没有形成相应的国际标准，大规模应用方面还存在一些问题。 当今卡片冲刺生活的时代，非接触式智能长代表了卡行业的发展方向。非 接触式智能卡采用射频识别技术，该技术使用的是一种利用电磁波进行信号传 输识别的方法。 非接触式智能卡与传统的接触式i c 卡相比，它在继承了接触式i c 卡的优点 的同时，如大容量、高安全性等，又克服了接触式所无法避免的缺点，如读写 故障率高，由于触点外露而导致的污染、损伤、磨损、静电以及插卡这个不便 的读写过程等。非接触式智能卡完全密封的形式及无接触的工作方式，使之不 受外界不良因素的影响，从而使用寿命完全接近i c 芯片的自然寿命，因而卡 本身的使用频率和期限以及操作的便利性都大大的高于接触式i c 卡。同时，非 接触式智能卡国际标准i s o i e c1 4 4 4 3 。i s o i e c1 5 6 9 3 ，i s 0 i e c1 8 0 0 0 等的 诞生，使之兼容接触式i c 卡，从而为非接触式智能卡带来了无穷无尽的潜力“。 1 4 本文的研究内容与章节安排 本论文“智能卡研究及基于r f i d 的汽车防盗装置的设计”以智能卡技术为 基础，以射频识别技术的实际应用为背景，提出了基于射频识别技术的汽车防 盗装置的解决方案。该方案的基本原理是将汽车启动的机械钥匙与应答器相结 合，即将小型应答器直接装入到钥匙把手内。当个具有正确识别码的钥匙插 入点火开关后，汽车才能用正确的方式进行启动。该装置能够提供输出信号控 制点火系统，尽管非法人员以破坏方式进入汽车内部，也不能通过配制钥匙启 动汽车达到盗窃的目的。同时本文在最后也对基于椭圆曲线密码体制( e c c ) 的智能卡安全性进行了分析，这为以后的工作打下了坚实的基础。 其主要内容包括： 第一章：简单介绍了智能卡的简史及智能卡系统的概念；并叙述了国内外 在智能卡领域的研究状况；最后介绍了论文的主要研究内容及论文章节安排。 第二章：主要介绍了射频识别( r f i d ) 系统的概念、射频识别系统的组成 及射频识别系统的分类，并在最后着重阐述了射频识别系统的物理基础和基本 的工作原理。 第三章：提出了基于r f i d 的汽车防盗装置的系统硬件设计方案，内容包括： 射频基站芯片u 2 2 7 0 b 的特性和射频卡读写电路的设计，语音报警电路、存储接 口电路及电源监控电路的设计，最后给出了调试时所需的串行通信电路的设计。 第四章：提出了基于r f i d 的汽车防盗装置的系统软件设计方案，内容包 括：重点描述了射频卡t 5 5 5 7 的性能和工作原理，设计出系统软件中最主要的 读写卡软件，并在最后给出系统其它电路的软件设计。 第五章：本章对椭圆曲线的基本理论做了比较详细的阐述，分析了椭圆曲 线密码体制的算法原理，给出了椭圆曲线密码体制在智能卡中的应用，并指出 了它独特的优点。 第六章：本章是本论文研究工作的总结。一方面对全文进行了总结，另一 方面提出了今后的一些工作方向。 6 2 1 引言 第二章射频识别( r f i d ) 技术 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 技术是从八十年代逐渐走 向成熟的一种自动识别技术，是当前最受人们关注的热点技术之一，该项技术 既传统也充满新意和活力。射频识别是无线电识别的简称，即通过无线电波进 行识别。它源于无线电通信技术，综合了现代计算机智能控制、智能识别、计 算机网络等高新技术，顺应了计算机集成制造系统、电子商务等热点应用的发 展需要。射频识别应用电磁场，以非接触、无视觉、高可靠的方式传递特定识 别信息。由于大规模集成电路技术的日益成熟，使得射频识别系统的体积大大 减少，从而进入了实用化阶段。射频识别技术具有无接触、工作距离大、精度 高、信息收集处理快捷及较好的环境适应性等一系列优点，极大地加速了有关 信息的收集和处理，在近年来获得了极为迅速的发展。 r f i d 应用领域众多( 如票务、身份证、门禁、电子钱包、物流、动物识别、 体育运动等等) i t - 1 8 p 已经渗透到人们日常工作和生活的各个方面，给人们的 社会活动、生产活动、思维观念、行为方法带来了巨大的变革。应用和不断增 长的市场需求是技术发展的动力，射频识别系统的产品是市场增长最快的电子 产品之一( 其它如手机、娱乐类电子产品等) ，具有极好的产业前景。 2 2 射频识别系统的组成 一个典型的射频识别系统由两个部分组成，应答器( 又称电子标签、射频 卡) 、阅读器( 又称读写器、读卡器) ，其基本组成如图2 一l 所示。应答器应置 于要识别的物体上或由个人携带，应答器是信息的载体；阅读器可以具有读或 读写功能，这取决于系统所用应答器的性能。 图2 - 1 射频识别系统的组成 2 2 1 应答器 应答器是射频识别系统真正的数据载体，由线圈( 天线) 和用于存储有关 7 应用标识信息的存储器及微电子芯片组成。基于不同的应用，对应答器的体积、 性能等的要求也各不相同。一般来说应答器的主要功能、特点有：具有信息存 储、处理能力：可接收、发送无线信号，外围部件少，功耗低，能在低电压下 工作；依据不同需要，具有无线、射频微波探测器、调制器、解调器、控制逻 辑即存储器等部件；多种工作距离。 应答器的主要电气性能参数有：工作频率、读写能力、数据传输速率、信 息数据存储量、多应答器识读能力( 也称防冲突能力或防碰撞能力) 、信息安全 性能等。 应答器的数据量通常在几个字节到几千个字节之间。但有一个例外，这就 是1 比特应答器，它进行“是”或“否”的应答，在需要简单监控的场所是适 合的，它的价格便宜，在百货商场的商品防盗系统中获得大量的应用。 简单系统的应答器的数据不多，通常大多是序列号码，在加工芯片时写入， 以后就不能改变。而在很多应用中，需要从阅读器( 读写器) 向应答器写入数 据，为了存储数据，在应答器中主要采用三种类型的存储器；e e p r o m 、铁电 随机存储器f r a m 和静电随机存取存储器s r a m 。e e p r o m 是电感耦合方式 中应答器主要采用的存储器，其写入过程中的功耗大，擦写寿命约为1 0 万次。 f r a m 是一种新的，非瞬态存储技术。f r a m 存储单元的基本原理是铁电效应， 即一种材料在不存在电场的情况下，保持其电报化的能力。 2 2 2 阅读器 阅读器应能完成下述功能：向应答器提供射频能量；从应答器中读出数据 或写入数据至应答器；完成数据信息处理，并实现应用操作；如果需要，应能 和高层处理应用交互。 虽然因频率范围、通信协议、数据传输方法的不同，各种阅读器会有很大 的区别和差异，但是所有的阅读器在上述功能上是很相似的。 图2 2 给出了阅读器的组成结构框图。图中各部的功能简述如下：发送通 道：对载波信号进行功率放大：向应答器传送操作命令及写数据。接收通道： 接收应答器传送至阅读器的响应及数据。载波产生器：采用晶体振荡器，产生 所需频率的载波信号，并保证载波信号的频率稳定度。时钟产生电路：通过分 频器形成工作所需的各种时钟。m c u ：微控制器是读写器工作的核心，完成收 发控制、向应答器发命令及写数据、数据读取与处理、与高层处理应用系统的 通信等工作。天线：与应答器形成耦合交连。 叫 反选堪坦 i m 冈f 、c 叫；星h 载波产生器 天线 u 【一 纠接收通道l 2 3 射频识别系统的分类 图2 - 2 阅读器的组成结构框图 射频识别系统根据不同的标准有不同的分类方法，主要有以下几种分类： 根据射频识别系统的工作频率( 通常把阅读器发送信号时使用的频率称为 射频识别系统的工作频率) 可以分为： 低频( l f ) ，工作频频率低于1 3 5 k h z ，最常用的是1 2 5 k h z ： 高频( h f ) ，工作频率为1 3 5 6 m h z 7 k h z ； 超高频( u h f ) ，s e 作频率为4 3 3 m h z 、8 6 0 9 6 0 m h z ： 微波，工作频段为2 4 5 g h z 和5 8 g h z 。 根据应答器与阅读器作用距离的不同，射频识别系统可以分为： 密耦合，作用距离为0 1 c m ： 疏耦合，作用距离为1 1 0 0 e m ； 远距离，作用距离为l m 以上。 根据应答器的供电方式可以分为： 无源( p a s s i v e ) ，无源应答器有内装电池，在阅读器的阅读范围之外时，应 答器处于无源状态，在阅读器的阅读范围之内时，应答器从阅读器发出的射频 能量中提取其工作所需的电能； 半无源( s e m i - p a s s i v e ) ，半无源应答器内装有电池，但电池仅对应答器内 要求供电维持数据的电路或应答器芯片工作所需的电压作辅助支持，应答器电 路本身耗电很少。应答器未进入工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源 应答器。当进入阅读器的阅读范围时，受到阅读器发出的射频能量的激励，进 入工作状态时，用于传输通信的射频能量与无源应答器一样源自阅读器； 有源( a c t i v e ) ，有源应答器的工作电源完全由内部电池供给，同时应答器 电池的能量供应也部分地转换为应答器与阅读器通信所需的射频能量。 根据射频识别系统的基本工作方式可以分为： 双工系统，在此系统中，应答器的应答响应信号与阅读器的发射信号同时 9 存在； 时序系统，在此系统中，阅读器的电磁场周期性地接通，在这些间隔中应 答器向阅读器发送信号并被识别出来。 2 4 射频识别系统的工作原理 射频识别系统是利用无线电波对记录物体进行读写。射频识别的距离可达 几十厘米至几米，并且可以传输大量的保密信息。 射频识别系统的基本工作原理是阅读器加电工作后发出定向查询的射频信 号，当应答器进入读写器的有效查询范围内，将自身存储的电子信息发送给阅 读器，由应答器发送的应答信号经阅读器接收处理后获得应答器所存储的电子 信息。应答器中所存储的电子信息代表了待识别物体的标识信息，应答器相当 于待识别物体的身份认证。从而射频识别系统实现了非接触物体的识别目的。 应答器与阅读器之问的数据传输是通过空气介质以无线电波的形式进行 的。一般地，我们可以用两个参数衡量数据在空气介质中的传播，即数据传输 的速度和数据传输的距离。因应答器发出的无线信号是很弱的，信号传输的速 度与传输的距离就很有限。为了实现数据远距离、高速度传输，必须把要传输 的数据信号叠加在一个规则变化的信号比较强的电波上，这个过程就是调制， 规则变化的电波就是载波。在射频识别系统中，载波一般由阅读器发出并进行 调制，而实现数据的调制也有许多方法，如调幅、调频、调相等等，射频识别 系统一般采用调幅方式。 2 4 1 射频识别的数据传输 阅读器与应答器之间的数据传输是建立射频技术的基础上的。通常我们把 从阅读器到应答器的数据传输称之为下传，从应答器到阅读器的数据传输称之 为上传。阅读器和应答器之间的耦合方式按其作用原理可以分为电场耦合和电 磁波耦合两大类。前者采用电感偶合方式，后者采用反向散射方式。我们这里 只介绍电场耦合方式。 电感耦合应答器由一个电子数据作载体，通常是由单个微型芯片以及作天 线用的大面积的线圈等组成。 电感耦合方式的组成结构如图2 3 所示。电感耦合应答器几乎都是无源的， 其能量靠阅读器供给。电感耦合方式的工作频率为1 3 5 6 m h z 和小于l3 5 k h z 频段。 图2 - 3 阅读器中u s 是射频源，l 1 c 1 构成谐振电路谐振于u s 的频率上， r s 是射频源u s 的内阻，r l 是电感线圈l l 的损耗电阻。u s 在l i 线圈上产生l 】 的高频电流i 在谐振时最大，高频电流产生的磁场穿过线圈，并有部分磁力线 穿过距阅读器电感线圈l ；一定距离的应答器的电感线圈l 2 。由于所用工作频 1 0 率范围内的波长比阅读器与应答器线圈之间的距离大好多倍，因此两线圈间的 电磁场可以当作简单的交变磁场。穿过电感线圈l 2 的磁力线，通过感应，在 l 2 上产生电压u 2 ，将其整流后，即可产生应答器工作所需的直流电压。电容器 c 2 的选择应使l 2c 2 构成对工作频率谐振的回路，这样，使电压u 2 达到最大值。 电感线圈l l 和l 2 也可以看作是一个变压器的初次级，只不过它们之间的 耦合很弱。因为电感耦合系统的效率不高，所以主要适用于低电流电路。 磁场h 图2 - 3 电感耦合方式 应答器至阅读器的数据传输采用负载调制的方法。负载调制的原理图如图 2 - 4 所示。 图2 - 4 负载调制 如果应答器以二进制码串控制开关芯片上的场效应管，则应答器线圈上的 负载电阻按二进制码串的1 、0 变化而接通和断开，该变化通过l 2 映射到l l ， 使l l 上的电压亦按此规律变化，该电压变化通过滤波放大电路。并经解调后恢 复为应答器端控制开关的二进制码串，因此，二进制码串信息从应答器传到了 阅读器。 由于阅读器天线与应答器天线之间的耦合很弱，阅读器天线上表示有用信 号的电压波动在数量级上比阅读器的输出电压小。因为检测这些很小的电压变 化需在电路上花费巨大开销，所以利用由天线电压振幅调制所产生的调制波边 带。 如果应答器的附加负载电阻以很高的时钟频率办接通或断开，那么在阅读 器发送频率厶的距离上产生两条谱线，它们是容易检测到的。我们把这种新