（计算机应用技术专业论文）基于etc应用的obu系统的研究与实现.pdf

摘受 基于e t c 应用的o b u 系统的研究与实现 摘要 e t c ( e l e e t r o n i ct o l lc o l l e e t i o n ) 电子费用收集系统，是针对智能交通 系统中不停车自动收费的应用场景，通过将射频通信技术和计算机技术以 及传感技术进行融合，实现交通领域自动收费的功能。目前，e t c 已成 为智能交通系统中的一个重要应用。 本文基于e t c 应用提出了一整套完整的车载设备( o b u ) 系统的软 硬件设计方案。方案中，o b u 采用了组合式的设计，即在实现了电子标 签2 4 g 射频功能的基础上，同时使用非接触式智能卡作为车辆信息的载 体，系统功能强大。在此基础上，可以方便的扩展通用储值卡、电子存折、 电子钱包、车辆稽查、运输管理等应用。其中，智能卡中c o s ( 卡片操 作系统) 的安全机制，如基于d e s 算法的数据加密，安全报文等可以保 障卡内数据以及通信过程的安全性。这种组合型的o b u 方案是适合我国 目前e t c 应用的一种可行方案。 本文主要开展了以下几方面的研究工作。针对o b u 中非接触智能卡 的射频技术( i s o1 4 4 4 3 协议) ，和p s a m 模块的接触式通讯协议( i s o 7 8 1 6 ) 以及2 4 g 射频通讯技术进行了全面、系统的研究，为o b u 读写器 部分和远程通信部分的设计奠定基础。详细介绍了，以t i 公司m s p 4 3 0 为核心，以射频集成芯片c c 2 5 0 0 为2 4 g 射频模块，以飞利浦m fr c 5 2 3 为非接卡读写模块的o b u 硬件以及整个系统的软件设计及实现。实验结 果表明，本系统各部分功能均已实现，满足应用需求。 关键词：车载设备，电子费用收集、射频识别。 a b s t r a c t e t c b a s e do b u s y s t e md e s i g na n dr e s e a r c h a b s tr a c t e t ci st a r g e t e da ti m p l e m e n ta u t o m a t i ct o l lc o l l e c t i o nf u n c t i o nt h r o u g h i n t e g r a t i n gt h er a d i of r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r t e c h n o l o g ya n ds e n s o rt e c h n o l o g yi nt h en o n s t o pa u t o m a t i ct o l l c o l l e c t i o n a p p l i c a t i o ns c e n a r i o a tp r e s e n t ，e t ch a sb e c o m ea ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o ni n t h ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t h ea u t h o rp r e s e n t e dac o m p l e t es e to fo b us y s t e mh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g nb a s e do ne t c a p p l i c a t i o n o b uu s e sc o m b i n e dd e s i g n ，b a s e d o nt h er e a l i z a t i o no ft h ee l e c t r o n i ct a g2 4 gr f , i tu s e sn o n c o n t a c t l e s ss m a r t c a r da st h ec a r r i e ro ft h ev e h i c l ei n f o r m a t i o n t h ef u n c t i o no ft h es y s t e mi s p o w e r f u l o n t h i sb a s i s ，i tc a nb e e a s i l ye x p e n d e d t ob eu s e di n g e n e r a l p u r p o s ev a l u ec a r d s ，e l e c t r o n i cp a s s b o o k ，e l e c t r o n i cp u r s e ，v e h i c l e i n s p e c t i o n ，t r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n ta p p l i c a t i o n s a m o n gt h e m ，t h es e c u r i t y m e c h a n i s m so fc o s ( c a r do p e r a t i n gs y s t e m ) i nt h es m a r tc a r d ，s u c ha sd a t a e n c r y p t i o na l g o r i t h mb a s e do nd e s ，s e c u r i t ym e s s a g e ，e t c ，m a y p r o t e c tt h e s e c u r i t yc a r dd a t aa n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s s t h i sc o m b i n a t i o nt y p e o b u p r o g r a mi ss u i t e dt oo u rc u r r e n te t ca p p l i c a t i o n sa sav i a b l eo p t i o n t h i sp a p e rc a r d e do u tr e s e a r c hi nt h ef o l l o w i n ga r e a s t h ep a p e rm a d ea t h o r o u g hr e s e a r c ho nt h eo b un o n c o n t a c ts m a r tc a r dr ft e c h n o l o g y ( i s o 1 1 1 北京化丁人学硕f ：学位论文 14 4 4 3p r o t o c 0 1 ) a n dp s a mm o d u l ec o n t a c tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ( i s o 7 816 ) a sw e l la s2 4 gr fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h es t u d yl a i dt h e f u n c t i o nf o ro b ur e a d e r - w r i t e rp a r ta n dt e l e c o m m u n i c a t i o np a r t t h es y s t e m i si m p l e m e n t e dw i t hm s p 4 3 0 ，r fi n t e g r a t i o nc h i p sc c 2 5 0 0a n dp h i l i p sm f r c 5 2 3 e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mf u n c t i o n sh a v eb e e n a c h i e v e da n dm e e tt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：o b u ，e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ，r f i d 北京化工大学位论文原创性声明 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作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 幽 日期： 汐l d 诞 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属北京化工大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 一 日期： 日期： 汐f 口 l m ) 。 ( 1 ) 密耦合 具有很小作用距离的射频识别系统，典型距离为o 一1 0 c m ，通常称为密耦合系 统。密耦合系统是利用电子标签与读写器天线的无功近场区之间的电感耦合构成的无 接触的空间信息传输通道工作的，因此需要将标签插入到读写器中或放置到读写器天 线的表面才能完成信息的传输。这种系统一般局限在3 0 m h z 以下。由于密耦合的方 式电磁泄漏少，耦合获得的能量大，甚至可供电流消耗较大的微处理器工作，因而适 合对安全性要求较高而对作用距离没有要求的设备或系统中。 ( 2 ) 遥耦合 遥藕合系统的典型作用距离可以达到i 米。遥耦合系统又可细分为近耦合系统( 典 型作用距离为1 5 c m ) 与疏耦合系统( 典型作用距离为l 米) 两类。遥耦合系统是利用射 频标签与读头天线的无功近场区之间的电感耦合( 闭路耦合) 构成的无接触的空间信息 传输射频通道工作的。遥藕合系统的典型工作频率为1 3 5 6 m h z ，也有其他一些频率， 如6 7 5 m h z 和2 7 1 2 5 m h z 等。 ( 3 ) 远距离系统 远距离系统的典型工作距离为1 1 0 m ，个别系统具有更远的作用距离。所有的远 6 第二章射频技术j 智能卡技术幕础 距离系统均是利用电子标签和读写器天线辐射远场区之间的电磁耦合( 电磁波的发射 与接收) 构成无接触的空间信息传输通道工作的。远距离系统的典型工作频率为 9 1 5 m h z ，也有其他一些频率，如2 4 5 g h z 和5 s g h z 等。 2 1 2 编码分类 数字通信系统的所有传输信息都是以二进制“o ”和“l ”表示，在入信道发送前， 要对其进行编码以形成相应的传输码。与r f i d 系统相关的编码方法主要有： ( 1 ) n r z 编码 n r z 编码是基带信号的最简单表示形式，每个码元周期中，信号电平保持不变。 一般用正电平表示逻辑“l ”，零电平表示逻辑“0 ”。 ( 2 ) r z 编码 在第一个半比特周期中的高电平表示二进制的“1 ”，而持续整个比特周期的低电 平表示二进制的“o ”。 ( 3 ) 曼彻斯特编码 曼彻斯特编码亦称裂相编码或双相编码。每一码元均被分成互补的两半部分：当 前一半为高电平，后一半必为低电平时，表示逻辑“1 ”：当前一半为低电平，后一半 必为高电平时，表示逻辑“o 。这种编码的特点是每个码元的中心均存在跳变，若无 跳变则视为异常。1 5 0 正c 1 4 4 4 3 中的t y p e a 类型非接触式卡的反碰撞检测中，正是 利用了这个特性。 ( 4 ) 米勒编码和变形米勒编码 米勒编码又称为延迟调制码。在码元中点的电平存在跳变表示逻辑“l ”，没有跳 变表示逻辑“0 ”。而且前后码元交界处的电平跳变均表示连续的“o ”。变形米勒编码 系米勒编码的改进。将前者的每一个正或者负边沿用负脉冲代替。该编码形式己被 i s o i e c l 4 4 4 3 中的t y p e b 类型非接触i c 卡用于卡至机的通信。 北京化_ 丁大学硕十学位论文 n l 配编鸱 m m c h c s t e r 舢( 叹向) 荦灏性# l 零镉妈 筹础舣+ i j 编码 米勒编p 5 变形米毓编码 菱动编码 2 1 3r f i d 的分类 lolloolo ioiiooio l0ll l ll i l 0 ioll o 0l0 图2 3 射频识别系统中的数据编码 f i g 2 3r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e md a t ac o d i n g 电子标签根据电力来源，大致上可分为三类： 1 被动式标签( p a s s i v et a g ) 一内部没有电池，电力由读卡器发送出的电磁波提供，标签吸收电波之后 会转换成自身电力送回讯号 一优点是体积小、价格便宜、寿命长 一缺点是读取距离较短 一主要用于动物芯片、智能卡、防盗管理 2 半被动式标签( s e m i p a s s i v et a g ) 一通常与传感器结合 一与主动式标签一样附有电池，但是内部电力提供传感器监测周遭环境， 不足用来通讯，所以必须依靠读卡器提供的电磁波a 能回送讯号 8 第= 章射顿技术# 智能卡技木基础 一优点是读取距离较被动式标签长、抗干扰能力更强 一主要用于监测周遭环境温度或是震荡情况等 3 主动式标签( a c t i v et a g ) 一标签上酣有电池，会主动侦测周遭有无读卡器发送的讯号，并且提供本 身的数据给读卡器 一优点是电力充足所以数据通讯的范围较长，内存容量较大 一缺点是体积大、价格较贵、使用寿命较短 一主要用于军事、医疗或工业上 一r ) ) ( ( u l co ，_ - i _ - 【 _r (u盹)c cco ，圈l - 1 豳豳_ 1 一盘嗣叠 ? 、 一l u c 川毗cc 旷叠b 圈2 _ 4 标签示意图 f 嘻1 - 4 l a b e l d i a g r a m 北京化工大学硕士学位论文 表2 - 1 电子标签比较表动力来源 t a b l e2 - 1t a gc o m p a r i s o nt ；a b l e - p o w e rs o u r c e 被动式半被动式主动式 电力来源电磁感应或微波1 内含电池内含电池 2 电磁感应或微波 内含电池无有有 电力可得性 读卡器可读范围1 读卡器可读范围电池寿命内 2 电池寿命内 多标签读取在读卡器3 m 内，可 可同时读取超过 同时读取少于1 0 0 个1 0 0 0 个标签 标签 可读取距离5 m 以内大于5 m 5 - 1 0 0 m 内存容量6 4 8 kb i t s6 4 k 2 2 8 kb i t s 使用寿命长达1 0 年受限于电池寿命 重量。 最轻最重 体积较小 中 较大 价格较低 中 最贵 技术成熟度较高较低 应用动物芯片、智能卡、监测周遭环境温度或军事、医疗或工业 防盗管理是震荡情况等 一主动式：内存空间较大、通讯距离较长； 成本较高、体积较大、有使用年限、需更换电池 - 被动式：价格便宜、体积小、寿命较长； 内存空间不大、通讯距离较短 电子标签根据频率的高低，大致上可分为四类： 1 低频( l o wf r e q u e n c y ) 一使用的频段在1 0 0 5 0 0 k h z 之间 一以1 2 5 k h z 、1 3 5 l ( h z 最为常见 一优点：不易受干扰，当标签靠近金属或是液体的物品时，还能够发射有 效发射讯号 一缺点：读取距离短、无法同时辨识多个标签 一主要用于门禁系统、动物芯片、汽车防盗器 1 0 第二章射频技术与智能卡技术基础 2 高频( h i g hf r e q u e n c y ) 一使用频段在1 0 1 5 m h z 之间 一以1 3 5 6 姗z 最为常见 一优点：感应距离较长、读取速度较快，而且可以同时间辨识多个标签 一主要应用于图书馆管理、产品管理、智能卡等 3 超高频( u l t r ah i g hf r e q u e n c y ) a ) 使用频段在4 3 3 “9 5 0 m h z 之间 b ) 以4 3 3 m h z 、8 6 8 9 5 0 m h z 最为常见 c ) 优点：读取距离较远、传输速率较快、可同时读取辨识大量标签、天线可用 蚀刻或印刷方式制造 d ) 缺点：在金属和液体的物品上读取率不佳 e ) 主要用于铁路车厢监控、仓存管理 4 微波( m ic r o w a v e ) a ) 使用频段在1 g h z 以上 b ) 其中以2 4 5 g h z 及5 8 g h z 最为常见 表2 - 2 电子标签比较表频率 t a b l e2 - 2t a gc o m p a r i s o nt a b l e - f r e q u e n c y 低频( l f )高频( h f )超高频( u t t f )微波( m i c r o w a v e ) 频率 10 0 5 0 0 k h z1 0 1 5 m l t z4 3 3 9 5 0 m h zi g h z 以上 1 2 5 k h z 4 3 3 删z2 4 5 g h z 常见频段 1 3 5 6 姗z 1 3 5 k i l z8 6 8 9 5 0 m h z5 8 g h z 系统型态被动式被动主动式被动主动式被动主动式 全球接受频率是是部分部分 通讯距离5 0 c m 以内1 5 m 以内 3 1 0 m3 l o a 传输功率 7 2 d b ua m4 2 d b i i a ml o m w 4 w 4 w 成熟度成熟成熟新技术开发中 读取方式电磁感应电磁感应微波共振微波共振 价格低中高高 环境影响 x金属潮湿潮湿 数据传输率 低高较高最高 内存( b y t e s ) 6 4 l k2 5 6 51 2 k5 4 5 1 21 6 6 4 i s o l 8 0 0 0 2i s o l 8 0 0 0 一3i s 0 1 8 0 0 0 6i s 0 1 8 0 0 0 4 i s o 对应标准 t w ot y p et w om o d et w ot y p et w om o d e 被动式 被动式 被动半主动式 被动式半主动式 北京化工大学硕士学位论文 2 2 智能卡技术基础 2 2 1 智能卡分类 按卡内镶嵌芯片的不同可将智能卡睁1 0 1 分为存储器卡、逻辑加密卡和c p u 卡三类。 ( 1 ) 存储器卡 存储器卡卡内嵌入的芯片为存储器芯片，这些芯片多为通用e e p r o m ( 或f l a s h m e m o r y ) ；无安全逻辑，可对片内信息不受限制地任意存取；卡片制造中也很少采取 安全保护措施；不完全符合或支持i s o i e c7 8 1 6 国际标准，而多采用2 线串行通信 协议( 1 2 c 总线协议) 或3 线串行通信协议。存储器卡功能简单，没有( 或很少有) 安全 保护逻辑，但价格低廉，开发使用简便，存储容量增长迅猛，因此多用于某些内部信 息无需保密或不允许加密的场合。 ( 2 ) 逻辑加密卡 逻辑加密卡由非易失性存储器和硬件加密逻辑构成，一般均为专门为i c 卡设计 的芯片，具有安全控制逻辑，安全性能较好；同时采用r o m 、p r o m 、e e p r o m 等存储技 术；从芯片制造到交货，均采取较好的安全保护措施；支持i s o i e c7 8 1 6 国际标准。 逻辑加密卡有一定的安全保证，多用于有一定安全要求的场合。 ( 3 ) c p u 卡 c p u 卡也称智能卡、保密微控制器卡、加密微控制器卡( 片内带加密协处理器) ， 在i c 卡家族中出现最晚，也最具生命力。c p u 卡的硬件构成包括c p u 、存储器( 含r a m 、 r o m 、e e p r o m 等) 、卡与读写终端通信的i 0 接口及加密运算协处理器c a u ，r o m 中则 存放有c o s ( c h i po p e r a t i o ns y s t e m ，片内操作系统) 。c p u 卡具有很高的数据处理和 计算能力以及较大的存储容量，应用的灵活性、适应性很强。同时，c p u 卡在硬件结 构、操作系统、制作工艺上采取了多层次的安全措施，这保证了其极强的安全防伪能 力。它不仅可验证卡和持卡人的合法性，而且可鉴别读写终端，已成为一卡多用及对 数据安全保密性特别敏感场合的最佳选择。虽然通常将所有i c 卡都称作智能卡，但 严格地讲，只有c p u 卡才真正具有智能特征，也即只有c p u 卡才是真正意义上的“智 能卡 。 另外，通常还根据卡与外界数据交换界面的不同可将智能卡分为接触式i c 卡、非 接触式i c 卡和双界面i c 卡。 ( 1 ) 接触式i c 卡 接触式i c 卡以符合i s o i e c7 8 1 6 标准的多个金属触点为卡芯片与外界的信息传 输媒介，成本低，实施相对简便。 ( 2 ) 非接触式i c 卡 非接触式i c 卡符合i s o i e c1 4 4 4 3 标准，无金属触点，借助无线收发传送信息， 1 2 第二章射频技术与智能卡技术基础 因此在接触式i c 卡难以胜任的交通运输等诸多场合有较多应用。 ( 3 ) 双界面i c 卡 兼备接触式和非接触式两种接口的复合卡。 2 2 2 智能卡硬件结构 本文所设计的o b u 系统中，涉及到对c p u 卡的操作，因此重点介绍c p u 卡的 硬件结构。c p u 卡硬件结构一般由微处理器，各种存储器，协处理器，通信接口，中 断控制逻辑等部分组成。下图为智能卡结构示意图和芯片照片，各部分的功能如下： 输入输出接口微处理器协处理器 r o m 只读存储器 随机存储器可编程存储器 图2 巧智能卡结构示意图 f i g 2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fs m a r tc a r d 北京化i 学磺学位论支 圈2 曲6 芯片照片 f i g 2 - 6 p h o t o o f t h e c h i p ( 1 ) 微处理器( c p u ) 智能卡微处理嚣一般采用8 1 6 位r i s cc p u ，主要由时钟逻辑、中断逻辑、定时 器逻辑、串行通信、并行1 0 、片选逻辑、总线接口、指令逻辑、算术逻辑、寄存器文 件等部分组成。 ( 2 ) 存储器 智能卡的存储器一般分为程序存储区( r o m ，e e p r o m f l a s h ) ，数据存储区 ( e e p r o m f l a s h o t p ) 和内存区r a m 。程序存储区用于存储c o s 和一些固定数 据，容量一般在3 2 2 5 6 k b ；数据存储区用于存储卡片个人化信息，容量一般在8 - 6 4 1 0 3 ； r a m 空间用于存储数据和应用程序。容量分2 k b 、4 k b 、8 k b 、1 6 k b 、3 2 k b 几种。 ( 3 ) 协处理器 为了确保数据安全，智能卡中必须实现数字加密数字签名等运算。由于运算都 是极复杂的，完全依靠c p u 来软件实现算法，其速度将是很慢的。为了提高速度， 必须采用硬件支持。因此，我们在智能卡中设计了密码硬件协处理器，通常有d e s 协处理器，r s a 协处理器等。此外还设计了随机数发生器，c r c 计算等硬件。 ( 4 ) 通信接口 通信接口分为接触式接口和非接触式射频接口，用于与外界读卡器等交换数据。 其中接触方式下工作时符合i s o i e c 7 8 1 6 标准，采用1 卸协议；在非接触方式下工作 时符合i s o i e c l 4 4 4 3 标准采用t y p e a b 协议。 ( 5 ) 中断控制 智能卡芯片一般包括定时器中断，数据收发中断和异常中断。异常中断主要是出 于安全性的考虑。通常芯片中会设计一些传感器，如电源电压感应，时钟感应，温度 第二帝射频技术j 智能卡技术幕础 感应，光感应，紫外线感应等，当检测到异常状况时，产生中断或保护以抵御外界的 攻击。 2 3 智能卡规范概述 2 3 1i s o i e c7 8 1 6 规范概述 i s o i e c 7 8 1 6 t 1 1 l 是i c 卡遵循的主要国际标准，该标准也引用了以前制定的有关识 别卡标准。i s o i e c 推出的7 8 1 6 国际标准已有1 0 个部分，分别对i c 卡的物理特性、 卡触点的尺寸与位置、电信号与传输协议、行业间交换命令、数据元以及i c 卡注册 管理办法等做出了详细规定。i s 0 7 8 1 6 是接触式智能卡必须遵循的国际规范。 表2 - 3i s 0 7 8 1 6 国际规范 t a b l e2 3i s 0 7 8 1 6i n t e m a t i o n a ln o r m s 章节内容说明 p a nl 物理特性 卡片抗x 射线、紫外线、扭曲等方面的特性 p a n2 尺寸和触点分布 卡片物理尺寸、触点位置和尺寸等 p a r t3 电信号和传输协议卡片的电学特性、传输协议定义、a t r 及p p s 规则 p a r t4 交：垃命令格式卡片读卡器之间的数据交互，a p d u 格式细。话 p a r t5 编码规则和府刖i d 接触式卡智能卡麻川的命名方式与注册系统 p a r t 6 ：i 。业数据单元与麻州交互的数据对象 p a r t7 1 0 特定的应用协议部分 结构化查询语句，与安全有关的指令与安全参数 2 3 2i s o i e c1 4 4 4 3 规范概述 国际标准i s o i e c1 4 4 4 3 t 1 2 - 1 5 1 分为四个部分：第一部分是物理特性的介绍，第二部 分是关于射频能量和信号接口，第三部分是关于初始化和防冲撞，第四部分是关于传 输协议。i s o i e c1 4 4 4 3 标准又分为i s o i e c1 4 4 4 3 a 和i s o i e c1 4 4 4 3 b 。i s o i e c 1 4 4 4 3 a 标准的代表产品是p h i l i p s 公司的m i f a r e 射频卡；符合i s o i e c1 4 4 4 3 b 标 准的代表产品是s t 、m o t o r o l a 、s a m s u n g 、o t i 和n e c 公司生产的产品。 ( 1 ) i s o i e c1 4 4 4 3 1 物理特性 该部分描述了射频卡的尺寸应与国际标准i s o i e c7 8 1 6 中的规定相符，即 8 5 7 2 m m 5 4 0 3 m i n x 0 7 6 m m 士容差。除此以外，还应满足在紫外线、x 射线、交流电 北自化t 人学日l 。学论r 场、静电、静磁场、工作温度、动态弯曲和动态扭曲等方面提出的要求。 ( 2 ) i s o i e c1 4 4 4 3 2 射频能量和信号接口 该部分描述了在近耦合设备( p c d ) 和近耦合卡( p i c c ) 之问提供能量和半双工通讯 的射频信号特征。p c d 产生耦合到p i c c 的r f 电磁场，用以传送能量并被调制束用 于通信。射频工作频率，是l35 6 m h z ：t ：7 k h z 。p c d 设备产q 晌磁场强度在可擞作距 离范m 内任何地方都不应小于晟小场强和_ = 于最大场强，在此范围内p i c c 应能不问 断的连续工作。最小场强h m i n 其值有效值为l5 a m ，最大场强h m a x 其值有效值为 75 a m 。 有两种信号接口t y p ea 和t y p eb 。读下j 器在空c 1 状态叫根据检测到 的类型是 t y p ea 或t y p eb 而变换调制方式，而只允许其巾一种通信的信号接口t 叮以被激活。 两种通信接ll 如图所示。 p c d t op i c c t 捧e at y p eb a s k f 0 0 a s k l o m o “n e dm 1 日1 0 5 k b msn r z - l1 05 断讹 o l 。i 。i 1 o 1 o i 。l ， l o a d o d u l a t o n s u b c arr l e r f c l63 u b c 甜r f 忙。6 o c kb p e k m ar l c l - 韩l er1 0 e k b b sn r z l1 0 孰吼； o l 。j 。】l 。i ，ol 。l ， 图2 7t y p ea 和t y p eb 接口的通信信号 f i g2 - 7 c o m m u n i c a t i o ns i g n a lo f t y p e aa n d t y p e b ( 3 1i s o i e c1 4 4 4 3 3 初始化和防冲突 i s o i e c l 4 4 4 3 的这一部分舰定了邻近卡( p i c c s ) 进入邻近耦合设备( p c d s ) 时的 轮寻，通信初始化阶段的字符格式，帧结构，时序信息。r e q 和a t q 命令内容，从 多卡中选取其中的一张的方法，初始化阶段的其它必须的参数。 i s o i e c1 4 4 4 3 - 3 规定了t y p e a ，t y p e b 的防冲突机制。二者防冲突机制的原理 完全不同。前者是基于b i t 冲突检测协议，后者则是通过字节、帧及命令完成防冲突。 防冲突机制使非接触i cp 能进行并行操作，及在多张卡同时进入有效操作区后，可 对其进行有条小紊的操作，这样就使选定卡片的数据不受其它 数据r 扰，携带有 多种卡的用户可不必司找正确的一张卡，只h j 算法编程，读写机具即可臼动做到选取 一确的一张 进行后续操作。这样方便了操作，提高了应川的升行性，也提高了系统 第二章射频技术j 智能卡技术皋础 的速度。 ( 4 ) i s o1 4 4 4 3 4 数据传输 i s o i e c l 4 4 4 3 的这一部分规定了非接触的半双工的块传输协议并定义了激活和 停止协议的步骤。这部分传输协议同时适用于a 型卡和b 型卡。 2 , 4 智能卡操作系统 2 4 1c o s 软件架构 c o s 的全称是c h i po p e r a t i n gs y s t e m ( 片内操作系统) 1 6 - 1 9 j ，它一般是紧紧围绕着 它所服务的智能卡的特点而开发的。由于不可避免地受到了智能卡内微处理器芯片的 性能及内存容量的影响，因此，c o s 在很大程度上不同于我们通常所能见到的微机上 的操作系统( 例如d o s 、u n i x 等) 。首先，c o s 是一个专用系统而不是通用系统， 种c o s 一般都只能应用于特定的某种( 或者是某些) 智能卡中，不同卡内的c o s 般是不相同的。这是因为c o s 一般都是根据某种智能卡的特点及其应用范围而特 定设计丌发的，尽管它们在所实际完成的功能上可能大部分都遵循着同一个国际标 准。其次，与那些常见的微机上的操作系统相比较而苦，c o s 在本质上更加接近于监 控程序，而不是一个真j 下意义上的操作系统，这一点至少在目前看来仍是如此。这是 因为在当前阶段，c o s 所需要解决的主要还是对外部的命令如何进行处理、响应的问 题，这其中一般并不涉及共享、并发的管理及处理。 c o s 最基本的结构可分为三部分：即应用层、系统管理层和驱动层。其中，驱动 层提供i o 及存储区读写的基本功能，系统管理层负责整个c o s 的安全机制、文件系 统、掉电保护等，同时也提供基本的c o s 管理指令( 如个人化、卡片发行等) 支持， 应用层则是针对不同的行业应用提供命令解释和执行。下图所示： 应用层 系统管理层 驱动层 命令执行及响戍、算法实现 文件系统、掉电保护等 i o 、存储器读写等 图2 - 8c o s 基本结构 f i g2 - 8c o sb a s i cs t r u c t u r e c o s 的启动流程一般为：系统初始化，启动数据，交互处理a p d u ，根据i o 的不 同参数选择特定的协议进行解析。c o s 对收到的每一条命令按照右图流程进行处理。 1 7 、l厂、，-、。，j 北京化- t 人学硕l j 学位论文 c o s 的核心思想，等待接收命令，接收到命令开始处理，返回处理结果，继续等待接 收下一条命令。 2 4 2 文件系统 图2 - 9 c o s 启动流程图 f i g 2 - 9c o ss t a r tf l o w 对智能卡的文件来说基本上分为两类：第l 类是目录文件，它被称为“专用文件” d f ( d e d i c a t e df i l e ) ：第2 类是装有实用数据的文件，它被称之为“基本文件 e f ( e l e m e n t a r yf i l e ) 。专用文件( d f ) 可以看做是一个文件箱，其中装有其他更低层 的在逻辑上归属在一起的d f 或e f 。e f 又可以划分为针对外部世界的些工作e f 和针对操作系统的一些内部e f 。整个卡片的文件系统可以通过文件标识符链表进行 遍历，如下图所示： 1 8 第二章射频技术i 智能卡技术皋础 图2 1 0 文仲系统结构图 f i g 2 1 0f i l es y s t e ms t r u c t u r e e f l i 主文件( m f ) 根目录被规定为主文件m f ( m a s t e rf i l e ) ，当智能卡被复位后，它就被默认选中。主 文件m f 包含了所有其他目录和所有的文件。它是一个特殊类型的d f ，它代表了智 能卡内适用于文件区域的存储器的全部范围。在每个智能卡中都必须有一个主文件。 2 专用文件( d f ) 目录文件常被称为专用文件( d f s ) ，可以根据需要建立在主文件( m f ) 之下。 “目录文件”这个名字频繁地被用于这些文件，尽管这是与i s o i e c7 8 1 6 4 标准罩所 写“d f ”的正式定义相反的。目录文件是可以把其他的文件( d f s 或e f s ) 组织到一 起的一个目录。一个目录文件可以包含另外的多个目录文件。原则上，对目录文件的 层面数没有限制。然而，在主文件之下多于两层的目录文件已是少见的了，因为在智 能卡罩存储器的存量是非常有限的。 3 基本文件( e f ) e f 中包含数据( 普通无结构数据或记录数据) 。c o s 给此e f 分配空间以存储数 据。一旦数据空i 日j 被分配给某e f ，就不能再分配给其它任何文件，即使该文件没有 使用这一部分空间。e f 的文件体包含了应用或者系统所需的数据，具体数据内容由 相关规范确定。在目前的c o s 设计中，c o s 支持四种结构的文件： 透明文件 线性定长文件 线性变长文件 循环文件 四种文件的结构如下图所示： 1 9 厂叫虬盯 曲 北京化- t 人学硕i ：学位论文 2 4 3 安全管理机制 文件头 记录i 记录2 记录3 记录n 1 记录n 文件头 记录i 记录2 记录3 记录n i 记录n 图2 1 l 文件结构图 f i g 2 - 1 1f i l es t r u c t u r e ( 1 ) 安全状态 安全状态是智能卡在当前所处的一种状态，这种状态是在智能卡进行复位应答或 者处理某命令之后得到的，安全状态常可以用智能卡在当前已经满足的条件的集合来 表示。 ( 2 ) 安全属性 安全属性实际上是定义了执行某个命令所需要的一些条件。只有智能卡满足了这 些条件，该命令才是可以执行的。因此，如果将智能卡当前所处的安全状态与某个操 作的安全属性相比较，那么根据比较结果很容易达到安全控制的目的。 ( 3 ) 安全机制 与安全状态相联系的是安全机制。安全机制可以认为是安全状态实现转移所采 用的转移方法和手段。通常采用的方法有鉴别与合适，数据加密解密，文件访问的安 全控制。具体来说就是通过a p d u 命令完成内部认证、外部认证、p i n 检验、数据加 密、数据解密、安全报文m a c 校验和操作权限的检验等。 如果命令数据含有m a c 码，c o s 则通过命令数据产生m a c 码，并与命令中的 m a c 比较，若一致则进行后续操作，否则，返回错误状态信息。对文件的操作，先 要进行权限检验，看是否满足权限要求，同时还要对数据进行必要的加密或解密处理。 此外，c o s 还通过对敏感数据采用密文存储，重要信息进行校验保护，掉电保护措施 等来保障数据的安全性和完整性。 2 0 第三章o b u 系统架构设计 3 1 系统概述 3 1 1e t c 系统构成 第三章o b u 系统架构设计 e t c 系统是通过安装于车辆上的车载装置和安装在收费站车道上的天线之间进行 无线通信和信息交换。主要由车辆自动识别系统、中心管理系统和信号控制系统等组 成。 自动识别系纠2 1 之5 】有车载单元( o nb o a r du n i t ，0 b u ) 、路侧单元( r o a ds i d eu n i t ， r s u ) 、地感线圈等组成。0 b u 中存有车辆的识别信息，一般安装在汽车挡风玻璃内侧 的汽车平台的左，中，右皆可；r s u 安装于收费站旁边，射频天线被安装在收费站的 龙门架上，它通过微波技术从车内的射频电子标签卡上读取有关信息；地感线圈安装 于车道地面下。 中心管理系统有大型的数据库，存储大量注册车辆和用户的信息。当车辆通过收 费站口时，r s u 与0 b u 之间进行双向通信和数据交换；中心管理系统获取车辆识别信 息，如汽车i d 号、车型等信息和数据库中相应信息进行比较判断，根据不同情况来 控制管理系统产生不同的动作，如计算机收费管理系统从该车的预付款项账户中扣除 此次应交的过路费，或送出指令给其它辅助设施工作。 信号控制子系统主要由交通显示设备( 红，黄，绿灯等设备) 和自动栏杆等组成， 用于提示驾驶员f 确使用不停车收费车道。通常，还配有其它辅助设施，如违章车辆 摄像系统用于监控。 3 1 2e t c 工作流程 e t c 是一种利用专用短程微波通讯技术，通过路侧单元( r s u ) 与车载单元( o b u ) 的信息交换，自动识别车辆，采用电子支付方式，自动完成车辆通行费扣除的全自动 收费方式。e t c 的工作方式如图所示，图中包括了读写天线，地感线圈、自动栏杆以 及车载设备o b u 和路侧单元r s u 部分。 2 1 北京化工大学硕士学位论文 图3 1e t c 结构图 f i g 3 - 1e t cs t r u c t u r e 其系统工作流程为：装有o b u 模块的车辆进入r s u 读卡器识别范围，首先压到 触发线圈，启动读写天线，e t c 系统检测到车辆进入e t c 车道，r s u 与安装在汽车 上的o b u 自动进行信息交换。读卡器读取o b u 模块信息并把信息发给r s u 控制器， 控制器再将信息发给系统中心进行核对，判别车辆电子标签是否有效。如有效则进行 交易；无效则报警并保持车道封闭。如交易成功，系统控制栏杆抬升，通行信号等变 绿，费额显示牌上交易信息，车辆通过落杆线圈后，栏杆自动回落，通信信号等变红。 整个收费过程无需人工干预，用户可不停车快速通过e t c 收费车道。系统保持交易 记录，并将其上传至收费站服务器中，等待下一辆车进入。其工作流程图如图所示。 图3 - 2e t c 系统流程图 f i g3 - 2e t cs y s t e mf l o wc h a r t 第三章o b u 系统架构设计 由于高速公路电子不停车收费过程的特殊性，就要求具备如下的一些特点。读取 时间较短，由于车辆的运行速度非常快，为了充分发挥e t c 收费系统的优势，就要 求收费站阅读器与车载r f i d 标签卡之间的通信非常快，同时还要保证读取数据的准 确性。读取距离较远，由于r f i d 标签卡要求放置车辆的挡风玻璃某一位置，而考虑 到经过车辆的类型的不同，收费站阅读器天线又固定安装在一定的高度上，此时阅读 器和标签之间的通信距离一般都在m 级的单位。所以系统中就要选择特定频段 的r f i d 系统。读取范围较大，由于经过收费站车辆的类型各异，标签的位置就很难 确定，此时就要求阅读器天线系统的识别有一定的范围面积，这样才能保证各种类型 的车辆标签的读取。 3 2o b u 系统设计 3 2 1 单片式设计方案 单片式电子标签在物理结构上是一个不可拆分的整体，既存储了车牌号、车型等 车辆物理参数，也记录了用户的消费帐号、帐户金额方面的信息。采用单片式电子标 签构成e t c 系统面临以下一些问题。 ( 1 ) 投资大，风险高 采用单片式电子标签建立的e t c 系统必须自身构成一个完整的封闭式系统，即在 路网内所有的入口和出e l ( 即使是大多数交通量小、车道数量少的收费站) ，都必须 设置一条以上的e t c 专用收费车道，车道资源消耗大，利用率差。这将造成e t c 系 统的建设一次性投资大，建设周期长，风险高。在联网收费情况下该问题尤其突出。 ( 2 ) 支付方式单一 单片式电子标签只支持后台帐号扣款结算，不支持使用储值卡。由于该种结算方 式存在透支的风险，一般只对信用度较高的用户推广使用，大大增加了电子标签推广 的难度。 ( 3 ) 运营管理复杂，系统可靠性差 由单片式电子标签构建的e t c 系统将独立于i c 卡人工半自动收费( 简称m t c ) 系统，两个系统