（计算机应用技术专业论文）基于智能卡的实时监控考勤系统.pdf

摘 要 i 摘 要 随着电子信息技术的发展，智能卡已经在我们的生活中随处可见。非接触式 智能卡正逐渐取代传统的接触式智能卡，成为智能卡领域的新潮流。这必将导致 全人类未来生活方式的概念性演变，从而使智能卡成为 21 世纪人类重要、便利、 不可或缺的工具。 针对现有考勤系统存在的代刷卡等问题，文中提出了一种智能卡实时监控考勤系 统，系统利用现有智能卡读写模块的编程接口，进行二次开发。系统采用面向对 象设计方法，以计算机作为系统的核心，该系统能够单独工作也能够在公司的局 域网中连接起来一起工作。试验和测试结果表明，智能卡实时监控考勤系统能够 满足现代办公的需求，具有操作简单，成本低，易维护的特点。 论文在全面介绍非接触式智能卡系统的基础上，重点在于非接触式智能卡读 卡器设计与实现，分硬件和软件两方面论述。硬件方面包括主控模块、射频读写 模块、天线、通信模块、报警模块几部分。软件部分着重论述了主程序设计、对 mf rc500 的应用程序设计以及读卡器外围功能程序设计， 并介绍了后台管理软件 系统的组成，提供了数据库设计和软件流程图等。 最后，对本文的工作进行了总结，并给出了今后研究工作的展望。 关键词：监控；考勤；智能卡；管理系统；射频识别 abstract abstract with the rapid development of electronic information technology, smart cards are now very popular in our life. radio frequency identification card is becoming a new fashion in the application field of smart card, replacing the traditional contacting smart card. such must lead to a conceptual revolution of human beings future lifeway by which smart card be the most important, most convenient and most indispensable tool in the 21st century. for the inconvenient and question of using checking on attendance system, the paper brings forward a checking on work attendance management system using monitor and smart card. the system is programmed using the programming interface of present smart card product. the system uses the object-oriented design method. it can not only work singly, but also can communicate with local area network of the enterprise. the system can satisfy the modern work demand, and simple operation, cost low, easy to maintain. the articles feature is that it stands out the emphases basing on presenting contactless smart card system in the round. the stress of the paper is the design and realization of contactless smart card reader which is discussed respectively from the hardware and the software. the hardware involves main control module, radio frequency module, antenna, communication module, alarming modules and so on. the software aspect is emphasis on the plan of the main program, the design of mf rc500 application and the realization of the function of the readers outer operation. it also introduces the composing of soft management system, provides flow chart of software and source program. at last, it discusses some measures that how to improve the reliability of system. at last, all the work is summarized and a research prospect if the subject in future is promised. keywords: monitor; smart card; check on work attendance; management system; rfid 独创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大学河北工程大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河北工程大学河北工程大学 有关保留、使用学位论文的规 定。特授权 河北工程大学河北工程大学 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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪 论 1.1 研究背景 1.1.1 所选课题的科学意义和发展前景 随着经济的发展、科学技术水平的提高，经济的电子化、信息化程度进步 增强，现代企业不仅需要现代化的设备和先进的生产力，更需要一个强有力的企 业管理制度及其相应的实现手段，以适应激烈竞争的市场。当前，许多公司仍然 采用传统的人工考勤方式1，而人工考勤存在着以下诸多弊端：在考勤过程中存在 许多人为因素，大大降低考勤数据的可靠性；各部门要有专门的员工负责考勤工 作，使得人员冗余、工作效率低；不利于对员工考勤的管理、不利于对员工业绩 的考核、不利于对员工工资核算。计算机实时考勤2逐步成为当今信息社会企业管 理的必然选择，以便对职工上下班考勤实施电子化管理，从而全面提高科学管理 水平。 智能卡技术3是一门产生于 20 世纪末的新兴课题，当第一次提出智能卡概念 时，由于当时的条件限制，从硅芯片的制造技术或者是成本而言可行性都不高。 随着芯片制造技术的发展和先进工艺的采用，接触式智能卡有了长足的发展。上 世纪末，以银行为代表的企业广泛发行了各种信用卡。这些卡以其保密性好、可 靠性高著称。 其后的非接触式智能卡4的出现为智能卡的发展开辟了一个全新的领域。 非接 触式智能卡和接触式智能卡相比，它继承了接触式智能卡容量大、安全性高的特 点，同时也克服了以接触方式工作的智能卡无法避免的缺点，如触点磨损、污染、 静电以及插卡不便的读写过程，使非接触式智能卡的使用更加自由，应用更加广 泛。 由于智能卡的潜在应用范围极广，尤其是非接触式智能卡的开发，得到了国 内外学术界和科技工作者的广泛关注和研究。 近几年来，射频识别系统5的发展极其迅猛。国内智能卡技术起步较晚，我国 智能卡行业的发展始于 1993 年左右建立的“金卡工程” 。目前已研制成功我国自 主版权的较大容量的存储卡、逻辑加密卡等，但是对于尖端的 cpu 卡和非接触式 智能卡的制卡技术及其相应的读、写卡设备技术仍处于落后状态。 非接触式智能卡的主流主要是 philips 公司的 mifare 技术，而且已经被制定 河北工程大学硕士学位论文 2 为国际标准： iso/iec 14443 type a 标准6。 欧洲一些较大的智能卡制造商和读写 设备制造商以及智能卡软件设计公司大都以 mifare 技术为标准，从而进一步推进 了智能卡技术的发展。 随着非接触式智能卡的高度安全保密性的日益提高，从目前的发展趋势来看， 随着制造技术和相关理论的完善、发展，微电子技术和计算机技术结合在一起， 已经将智能卡技术应用到电话卡、金融卡、移动电话、交通、医疗、身份证明、 智能付费等应用领域。提高了人们生活和工作的现代化程度。 1.1.2 国内外智能卡系统的研究现状 国外智能卡系统的研究现状 智能卡自20世纪70年代问世以来发展迅速。全球的智能卡的发行量从1992年 的2.6亿张发展到2000年的20.6亿张。各地区市场份额为：亚太地区占65.2%，欧洲 占18.3%，美国占1.4%，其他国家占15.1%；从应用类别来看，电话卡占60.68%， sim卡占18.45%，金融卡占8.74%，其他占2.13%。2002年全球共发行6.9亿张的智 能卡，其中欧洲占了60%，亚洲占了30%。目前，国际上智能卡的应用已经进入高 速发展时期，到 2003 年全球的智能卡发行量达到63亿张。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，诸如gemplus、ingenico、bull、ckd等。美国在智能卡产 业的市场应用、普及方面赶不上法国和日本。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7。 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cpu 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 cpu卡的应用进入一个较快的发展阶段。随着3g、emv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或缺 的一种工具 国内智能卡系统的研究现状 智能卡应用系统进入我国的时间较晚，在“金卡工程”建设的大力推动下， 发展十分迅速。智能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ic卡，如电信 第 1 章 绪 论 3 领域的公用电话ic卡和移动通信sim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卡等。很多行业性ic卡的应用 已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8。 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到30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500家左右。设计生产的产品品种有40多种，涉及到各种类别的卡片，包括存储 卡、智能 cpu 卡、接触卡、非接触卡、sim（subscriber identity module）卡， uim（user identification module）卡等，其最高设计能力已达到 0.35 微米9。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ic卡的需求量迅速上升。1999年全国ic卡发行量约为1.7亿多张，2000年我国 ic卡共发行2.3亿张，增长35%；2001年中国ic卡需求量约3.2亿张，增长40%；2002 年我国ic卡应用进入成熟、理性发展阶段，ic卡发行量约4.28亿张，增长33.8%， 其中存储卡是主要的需求，发行约33405万张，占总发卡量的78.04%；2002年cpu 卡的需求增长迅速，发行约9395万张，占总发卡量的21.96%10。目前中国ic卡市 场对ic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：一是高度的安全性；第二个 特点是要有较大的容量；第三个特点是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、cpu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、非接触卡向两者结合的 混合卡方向发展11。 1993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12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 河北工程大学硕士学位论文 4 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。 1.2 本文的主要研究内容和内容安排 本文主要研究内容： 本课题是对基于智能卡技术的实时监控考勤系统的研究。侧重以非接触式智 能卡射频识别技术、web 技术、单片机技术为核心，用户在刷卡的同时进行电子 摄像，摄像记录可即时显示在后台的 pc 机上，也可随刷卡记录进行存档以供日后 查询； 安装在 pc 机上的考勤管理软件能为管理人员提供准确的员工出勤的实时数 据，作为企业考核员工的依据。 本文总共分为五章，内容如下： 第 1 章 主要介绍课题的研究背景及本文的主要研究内容。 第 2 章 主要介绍智能卡相关理论和技术。 第 3 章 主要介绍智能卡实时监控考勤系统的硬件设计。 第 4 章 主要介绍智能卡实时监控考勤系统的软件设计。 第 5 章 关于智能卡系统可靠性的研究。 第 1 章 绪 论 5 1.3 小结 本章介绍了课题背景并对相关知识进行了概述，最后说明了课题的主要研究 内容和本文的内容编排。 河北工程大学硕士学位论文 6 第2章 智能卡相关理论和技术 2.1 引言 非接触式智能卡又称射频卡，感应卡，是最近几年发展起来的一项新技术： 智能卡的asic由一个高速（106kb波特率）的rf接口，一个控制单元和一个固定 容量的e2prom组成13。 非接触式智能卡主要由ic芯片和环形天线两部分组成， 天线被封装在标准pvc 卡中。读写设备电路向智能卡发出一组固定频率的电磁波。智能卡内有一个lc串 连谐振电路，其频率与读写设备发射的频率相同。在电磁波的激励下，lc谐振电 路产生共振，从而使电容内有了电荷。在这个电容的另一端，接有一个单向导通 的电子泵，将该电容内的电荷送到另一个电容存储，当所积累的电荷达到2v时， 此电容可作为电源为芯片上各电路模块提供工作电压。芯片内的数据是调制在环 形天线上发射出去的，同时读卡器传来的数据也通过天线接收。 2.1.1 mifare1 卡简介 mifare1卡14的核心是philips ic s50系列微晶片，其内部包括8k高速cmos e2prom，数字逻辑模块和一个高效率射频天线模块。卡片无源，工作时使用的电 源能量由卡片读写器天线发送无线电载波信号耦合到卡片上天线产生，其电压可 达2v以上，足以满足卡片上的ic电路供电需要。 mifare1卡的工作频率为13.56mhz，读写距离为110cm，读写速度可以达到 106kb/s。此外，在信道保证和数据完整性方面，mifare1标准还提供了信道检测， 存储部分冗余校验，三次认证以及防冲突机制等功能，保证了数据交换过程的安 全。现在，mifare1系列射频卡使用的mifare1标准15已经被制定为非接触ic卡的国 际标准，mifare1射频卡的主要性能指标如下： 8kb e2prom； 分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节，以块为存取单位； 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32位； 具有防冲突机制，支持多卡操作； 无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通信逻辑电路； 数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次； 第 2 章 智能卡相关理论和技术 7 工作频率为13.56mhz； 通信速率为106kb/s； 读写距离为10mm以内(与读写器有关)； 从结构上看，射频卡内部可以分为射频接口模块、数字逻辑电路和e2prom存 储模块3个部分，其结构如图2-1所示。 图2-1 mifare1射频卡内部结构 fig.2-1 inner structure of mifare1 card rf射频接口模块 mifare1的射频接口电路终于要负责处理天线上接收到的1356mhz的无线电 调制频率信号。一方面将其送调制/解调模块进行处理，得到数据内容，另一方面 使用波形转换模块进行波形转换，将正弦波转换成方波，然后对其整流滤波，又 电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终输出供给卡片上的各 电路。 数字逻辑模块 数字逻辑模块是mifare1内部电路的核心，负责射频卡通信的冲突检测、认证、 逻辑控制、数据读写等一系列工作。 冲突检测模块 当多张mifare1卡片在卡片读写器天线的工作范围之内时，冲突检测模块将启 动工作避免多张卡片的通信重叠，造成混乱。这种情况下，读写器会在程序员控 制下首先与每一张卡片进行通信，取得各张卡片的序列号。由于每一张mifare1卡 的序列号是唯一的。因此读写器可以根据卡片上的冲突检测模块，由程序员来控 制读写器，根据卡片的序列号来选定一张卡片，被选中的卡片将直接与读写器进 行数据交换，未被选择的卡片处于等待状态，随时准备与卡片读写器进行通信。 认证模块 mifare1卡片的存储器被分为16个扇区，每个扇区都可分别设置各自的密码， 射频接口模块 e2prom 存储 模块 冲突检测 机制 认证模块 控制及算术运 算模块 e2prom存储 器接口模块 数据加密模块 河北工程大学硕士学位论文 8 互不干涉。因此当读写器选中一张卡片时，在对相应的扇区进行读写等操作前， 必须对卡片上已经设置的密码进行验证，如果匹配，则允许进一步的读写操作。 这部分功能是通过卡上的认证模块与读写器的相应部分配合实现的。 为保证mifare1卡数据通信中的安全性和可靠性，卡和读写器之间的通信使用 三次认证令牌机制16，其步骤如下： a环 mifare1向mifare1读写器发送一个随机数据rb。 b环 读写器收到rb后，向mifare1发送令牌数据token ab，其中包含了读写 器发出的一个随机数据rb。 c环 mifare1卡收到token ab后，对token ab的加密部分进行解密，并校 验第一次由a环中mifare1发送的随机数rb是否与b环中接收到的token ab中的 rb相一致。 d环 如果c环校验是正确的，则mifare1卡继续向读写器发送令牌token ba。 e环 读写器收到令牌token ba后，对token ba中的rb进行解密，并校验 由b环中的读写器发出的随机数ra是否与d环收到的token ba中的ra相一致。 如果上述的每一个步骤都能正确通过验证，则认为整个的认证过程成功。此 时读写器将可以对刚才认证通过的卡片上的这个扇区进行下一步操作。如果有其 中一步未通过验证,则整个认证过程失败，必须从新开始。 整个认证过程如图 2-2 所示。 图 2-2 三次认证的令牌原理框图 fig.2-2 principle of three times attestation 控制及算术运算模块 它是整张卡片的控制中心，主要是对卡片的各个模块进行微操作控制，协调 卡片中的各个操作步骤。此外它还负责对收发的数据进行算术运算处理以及递增、 递减、crc运算等操作。 e2prom存储器接口模块 该部分是对卡片上的e2prom存储器进行控制的电路部分，mifare1内置mcu 通过该模块对卡上的e2prom进行读写控制。 数据加密模块 该模块完成对数据加密处理记忆密码保护、 加密的算法可以为des标准算法或 (a)rb (b)token ab mifare1 射频卡 读卡器 (d) token ba (c) (e) 第 2 章 智能卡相关理论和技术 9 其他算法。 e2prom存储模块 该模块主要用于存储数据， 使用e2prom存储的数据可以在卡片失掉电源后被 继续保存。mifare1射频卡这一单元容量为8kb，分为16个扇区。 2.1.2 mifare1 卡存储结构 mifare1卡片的存储容量为81921位字长，采用e2prom作为存储介质，整个 结构划分为16个扇区，编为扇区015。每个扇区有4个块，分别为块0、块1、块2 和块3。每个块包含16个字节，这样一个扇区共有16b4=64b。全部存储空间共有 64个块，分别编号为063。 mifare1卡的存储结构17如下表2-1所示。 表 2-1 mifare1 卡的存储结构 table 2-1 saving structure of mifare1 card 块 0 数据块 0 块 1 数据块 1 块 2 数据块 2 扇区 0 块 3 密码 a 存取控制 密码 b 控制块 3 块 0 数据块 4 块 1 数据块 5 块 2 数据块 6 扇区 1 块 3 密码 a 存取控制 密码 b 控制块 7 0 数据块 60 1 数据块 61 2 数据块 62 扇区 15 3 密码 a 存取控制 密码 b 控制块 63 在mifare1的64个块中，扇区0的块0用于存储该张智能卡的序列号和生产厂商 的标志信息，这部分的内容是在卡出厂前就被固化好了的，因此是只读的。 mifare1卡片每个扇区的块0，块1，块2都是用于保存数据，块3用于对该扇区 的控制，被称作是控制块。在16个字节中，包括了密码a，密码b和存取控制，其 具体结构如表2-2： 河北工程大学硕士学位论文 10 表 2-2 mifare1 卡扇区的结构 table 2-2 structure of mifare1 cards area 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 密码 b 存取控制 密码 a mifare1卡中， 每个扇区均可以根据实际情况的需要设置各自独立的密码a， 密 码b和存取控制。其中存取控制是4个字节，共32位，扇区中的每个块的存取条件 是由密码和存取控制共同决定的。每个块在存取控制中都有3个控制位，以决定密 码a密码b对对应块的读写权限。 块0： c10 c20 c30 块1： c11 c21 c31 块2： c12 c22 c32 块3： c13 c23 c33 各个控制位在块0的存取控制字节的位置如下表2-3所示。 表 2-3 块 0 的存取控制字 table 2-3 saving and control key of piece 0 bit 7 6 5 4 3 2 1 0 字节 6 c20_b c10_b 字节 7 c10 c30_b 字节 8 c30 c20 字节 9 mifare1的存取控制位中，读数据块和控制位的存取控制的定义是不同的。其 中对数据块的存取控制如下表2-4所示。 表 2-4 mifare1 对数据块的存取控制 table 2-4 saving and control to data piece 控制位（x=0,1,2） 访问条件（对数据块 0,1,2） c1x c2x c3x read write increment decrement transfer restore 0 0 0 keya|b keya|b keya|b keya|b 0 1 0 keya|b never never never 1 0 0 keya|b keyb never never 1 1 0 keya|b keyb keyb keya|b 0 0 1 keya|b never never keya|b 0 1 1 keyb keyb never never 1 0 1 keyb never never never 第 2 章 智能卡相关理论和技术 11 1 1 1 never never never never 上表中，对访问条件项中的各个内容意义如下： keya|b：表示执行该操作必须验证通过密码a或着密码b； keyb：表示执行该操作必须通过密码b； never：表示任何条件下均不执行该操作； mifare1的扇区中的块3作为控制块，其对应的控制位的功能与数据块是不同 的。控制位对控制块的存取控制如表2-5所示。 表 2-5 mifare1 对控制块的存取控制 table 2-5 saving and control to control piece 例如：当块3的存取控制位c13 c23 c33=100时，表示： 密码a：不可读，验证keya或keyb正确后，可写（更改） 。 存取控制：验证keya或keyb正确后，可读、可写。 密码b：验证keya或keyb正确后，可读、可写。 在默认情况下，mifare1卡的各个扇区控制块的内容如表2-6所示。 表 2-6 mifare1 卡的各个扇区控制块 table 2-6 control pieces of each areas 此时密码b的默认密码是“b0，b1，b2，b3，b4，b5，b6” ，而密码a的默 认密码是“a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6” ，存取控制位内容如表2-7所示。 表 2-7 mifare1 默认控制字节 table 2-7 control keys 密码 a 存取控制 密码 b c13 c23 c33 read write read write read write 0 0 0 never keya|bkeya|bnever keya|b keya|b 0 1 0 never never keya|bnever keya|b never 1 0 0 never keyb keya|bnever never keyb 1 1 0 never never keya|bnever never never 0 0 1 never keya|bkeya|bkeya|bkeya|b keya|b 0 1 1 never keyb keya|bkeyb never keyb 1 0 1 never never keya|bkeyb never never 1 1 1 never never keya|bnever never never 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 b5 b4 b3 b2 b1 b0 6980 07 ff a5 a4 a3 a2 a1 a0 密码 b 存取控制 密码 a 河北工程大学硕士学位论文 12 位 字节数 字节内容 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 byte6 ffh 1 1 1 1 1 1 1 1 byte7 07h 0 0 0 0 0 1 1 1 byte8 80h 1 0 0 0 0 0 0 0 byte9 69h 0 1 1 0 1 0 0 1 由此，可以得到各个块的控制位的初始值如表2-8所示。 表 2-8 mifare1 默认控制位 table 2-8 control key c10 c20 c30 块 0 0 0 0 c11 c21 c31 块 1 0 0 0 c12 c22 c32 块 2 0 0 0 c13 c23 c33 块 3 0 0 1 mifare1卡的各个扇区是相互独立的存储区，使用各自独立的密码和存取控制 设定，并提供了两级密码管理和数种不同的存取控制方式，因此，可以对各个扇 区根据需要灵活设定存取控制，就很方便的实现一卡多用，权限控制等各种复杂 的功能，极大的提高了实际应用能力。 2.1.3 mifare1 卡与读写器的通信 mifare1卡与读写器的通信过程可以分为下面几个过程： 复位应答 mifare1卡读写器上电复位后，就进入了复位应答模式，此时读写器会尝试对 在其有效工作范围内的卡按照事先定义好的协议和波特率进行通信，校验该射频 卡是否为mifare1卡。 防冲突机制 对通过卡片类型验证的mifare1卡，如果在读写器操作范围内有多张卡片，防 冲突机制检测所有的卡片的序列号以便对各张卡片进行区分，并根据控制命令选 中其中的一张卡片进行下一步操作，未被选中的卡片处于等待状态。 选择卡片 第 2 章 智能卡相关理论和技术 13 读写器根据控制逻辑选中一张卡片，得到其序列号，同时返回其容量代码。 三次认证 选定要进行操作的卡片后，读写器根据命令选择要访问的扇区号，并对该扇 区的密码进行密码校验。校验方式使用三次认证令牌机制，就可以通过加密流进 行相互通信了。由于mifare1卡在设计中规定了每个扇区均使用各自独立的密码， 因此如果要对另一个扇区进行操作，必须重新进行密码校验。 mifare1卡与读写器通信的流程图如图2-3所示。 图2-3 mifare1射频卡与读写器的通信 fig.2-3 communications between m1 and machine 操作 通过认证后，就可以对扇区中的快进行操作了，对卡的操作共有7种： 读（read） ：读一个块； 写（write） ：写一个块； 加（increment） ：对数值块进行加值； 减（decrement） ：对数值块进行减值； 存储（restore） ：将块中的内容存到数据寄存器中； 传输（transfer） ：将数据寄存器中的内容写入块中； 中止（halt） ：将卡置于暂停工作状态； 传输 读 卡 写 卡 增 值 减 值 存 储 中 止 防冲突 选择卡片 三次认证 复位应答 复位应答 复位 河北工程大学硕士学位论文 14 2.2 mifare1 读写模块 wm11t6 介绍 2.2.1 wm11t6 简介 11t6射频读写模块18是采用最新mifare技术的微型嵌入式非接触式ic卡读写 模块。内嵌iso 14443 type a协议解释器，并具有射频驱动及接收功能，以简单 实现对mifare1等卡片的读写操作，读写距离最大可达100mm（与卡片及天线设计 有关） 。 该模块提供标准异步串行通讯接口，输出ttl电平。用户可不必了解非接触智 能卡读写模块的协议标准及底层驱动，只需通过串行通讯发送相关指令，即可实 现对卡片的所有操作。 该模块适用于标准读写器 （只需进行电平转换即可直接连接到pc机） 、 手持机、 收费机、门禁器、考勤机及其它各种收费系统及一卡通应用系统19。 2.2.2 引脚定义 该模块尺寸为标准dip32封装， （40mm13mm） ，天线有三种。如图2-4所示。 32 31 18 17 tx1 tx2 gnd vcc rx gnd txd rxd 1 2 15 16 图2-4 wm11t6模块 fig.2-4 wm11t6 mold vcc：5v rx：天线接收 gnd：地 tx1：天线发送1 第 2 章 智能卡相关理论和技术 15 txd：模块发送（接单片机） tx2：天线发送2 rxd：模块接收（接单片机） gnd：天线地 此模块内部嵌入了phlips公司的模块级读卡核心芯片mf rc500。芯片是读卡 器工作的基础，下面对该芯片的有关内容加以说明。 2.3 mifare1 读写核心模块 mf rc500 介绍 2.3.1 mf rc500 介绍 嵌入式读写芯片mf rc50020是与非接触式ic卡实现无线通信的核心模块，也 是读写器读写非接触式ic卡的关键接口芯片。它是应用1356mhz非接触式通信中 高集成读卡ic系列中的一员，该读卡ic系列利用了先进的调制和解调概念，完全 集成了在13 56mhz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议， 并且支持iso 1443 type a所有的层。其内部的发送器部分不需要增加有源电路，能直接驱动近距离 操作的天线，可达100mm。接收部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于 接收iso 1443 type a兼容的应答器信号。数字部分可处理iso 1443 type a帧和 错误检测奇偶crc，此外它还支持快速crypto加密算法用于验证。方便的并行接口 可直接连接到任何8位微处理器，这样给读写器设计提供了极大的灵活性。 2.3.2 mf rc500 芯片主要特性 缓冲输出驱动器使用最少数日的外部元件连接到天线； 近距离操作（可达100mm） ； 支持mifare双接口卡ic和is0 14443a i 4部分； 加密并保护内部非易失性密匙存储器； 并行微处理器接口带有内部地址锁存和irq线； 灵活的中断处理； 自动检测微处理器并行接口类型； 方便的64字节发送和接收fifo缓冲区； 带低功耗的硬件复位； 软件实现掉电模式； 可编程定时器； 唯一的序列号； 用户可编程的启动配置； 位和字节定位帧； 河北工程大学硕士学位论文 16 数字模拟和发送器部分各自独立的电源输入脚； 内部振荡器缓冲连接13.56mhz石英晶体低相位抖动； 时钟频率滤波； 短距离应用中发送器天线驭动器为3.3v； 高集成度模拟电路用于卡应答的解调和解码； 2.3.3 mf rc500 芯片主要引脚简介 rc 500芯片的引脚图21如下图2-5所示。 图 2-5 mf rc500 芯片主要引脚 fig.2-5 the main lead feet of mf rc500 d7d0：数据地址总线，用于传送命令和数据。 a2a0：寄存器地址位20。 nwr/nrd：寄存器写入/读出数据选通。 xin/xout ： 晶 体 振 荡 器 输 入 与 输 出 ， 同 时 xin 也 作 为 外 部 时 钟 (fosc=13.56mhz)。 mfin/mfout：接口输入接受和输出发送符合iso 14443a的数字串行数据流。 tx1/tx2：发送经过调制的1356mhz能量载波。 irq：中断请求输出中断事件请求信号。 rx：接收器输入卡应答输入脚该应答为经过天线电路耦合调制的1356mhz载 波。 ale：地址锁存使能为高时将ad0ad5锁存为内部地址。 ncs：片选选择和激活mf rc500的微处理器接口。 aux：辅助输出,该脚输出模拟测试信号，该信号可通过testanaoutsel寄存器 选择。 tx1 avss vmid tx2 mfout tvss avdd tvdd rx mfin aux dvss a0a3 d0d7 nwr ale irq ncs m f r c 5 0 dvdd nrd rst xin xout 第 2 章 智能卡相关理论和技术 17 2.4 小结 本章首先对非接触式智能卡即mifare1卡进行了简介，然后介绍了mifare1卡 的存储结构和控制存取方法以及mifare1卡与读卡器之间的通信。随后对本课题中 使用的mifare1读写模块wm11t6进行了较为详细的论述，并分析了读写模块中的核 心模块mf rc500。 河北工程大学硕士学位论文 18 第3章 智能卡实时监控考勤系统的硬件设计 3.1 引言 读卡器是智能卡系统中卡片与用户之间的桥梁。一个应用系统（应用软件） 要从一个非接触的数据载体（应答器）中读出数据或写入数据到一个非接触的数 据载体中去，它需要一个非接触式读卡器作为接口。读卡器的基本任务就是启动 数据载体（应答器） ，与这个数据载体建立通信并且在应用软件和一个非接触式数 据载体之间传送数据。非接触式射频通信的所有具体细节，如建立通信、防止碰 撞或身份验证，均由读卡器处理。 3.1.1 读卡器技术指标 文中所设计的非接触式智能卡读卡器技术指标如下： 1. 读写卡片类型：mifare 1 ,type a22（符合 iso/iec 14443-14 标准） 2. 工作频率：13.56mhz 3. 读写距离：0100mm 4. 通信速率：105.9kbps 5. 射频输出：通过功率匹配将天线线圈直接连接到功率输出级，或通过 50 同轴电缆来馈送到天线线圈 6. 供电电压：5v10%（100ma） 7. 工作温度：-20+70 8. 存储温度：-45+125 9. 外形尺寸：100mm58mm14mm 10.接口：标准 rs232（读卡器） ，8 位并行口（读写模块） 11.安装方式: (1) 读卡器方式：采用标准串口与 pc 机相连 (2) 模块方式：采用插针或直接焊接在系统板上 (3) 电子摄像：采用usb与后台pc机相连 第 3 章 智能卡实时监控考勤系统的硬件设计 19 通信模块 主控模块 摄像模块 报警模块 射频模块 天 线 智能卡 3.1.2 硬件系统结构框图 系统采用51系列单片机at89s52作为核心处理器，摄像模块的主要功能是在考 勤的同时进行电子摄像；通讯模块主要进行考勤数据的通讯处理；读写模块对非 接触式智能卡进行读写操作；时钟电路即提供时钟功能；存储模块主要是对主要 数据进行存储和缓存；电源模块对整个系统提供合适、稳定的电源。上位机通过 串口与读卡器主控模块相连，发送读卡、写卡等命令，接收主控模块的数据与操 作报告。读卡器通过射频模块及其辅助天线与卡片通信，实现与卡片的交易。如 图3-1所示。 图 3-1 硬件系统结构图 fig.3-1 structure of hardware 读卡器与智能卡之间的接口采用的是 mifare 技术的射频接口，它与 iso/iec14443 type a 标准兼容。mifare 射频接口主要基于电磁感应原理23。 mifare 卡片是无源卡，因此能量由读卡器传输给卡片。能量传输的同时，进行数 据的双向传输。 根据读卡器的构成框图设计的电路原理总图见附录c。下面分节对其各个模块 的设计进行具体介绍。 3.2 考勤系统电路的具体实现 3.2.1 at89s52 系列单片机 控制器选用51系列单片机at89s5224。该单片机的特点是： 与mcs51兼容； 内带8k支持在系统编程的flash，编程次数为100次； 电压工作范围为5v； 工作频率：0hz33mhz； 256字节内部ram； 3个16位定时/计数器； 8个中断源； 河北工程大学硕士学位论文 20 低功耗模式和掉电模式； 支持从掉电模式中中断唤醒； 看门狗定时器； 双数据指针； 掉电标志； 灵活的isp编程方式(字节和页模式)； 此外，at89s51/52和at89c51相比新增加了许多功能，这将使单片机在工作过 程中具备更高的稳定性和电磁抗干扰性。首先，at89s52支持isp在线编程，这使 生产及维护更为方便。其次，at89s52内部增加了片内看门狗定时器，这将有利于 坚固用户应用系统，提高系统可靠性。再次，