（通信与信息系统专业论文）小区“一卡通”门禁控制系统的研究与设计.pdf

武汉理丁大学硕士学位论文 摘要 非接触式i c 卡是i c 卡领域的一项新兴技术，它是射频i y , 男3 j 技术和i c 卡技术 相结合的产物。由于非接触式i c 卡具有操作快捷、抗干扰性强、。c 作距离远、 安全性离、便于“一卡多用”等特点，在门禁控制、自动收费、身份识别等领 域具有接触式i c 卡所无法比拟的优越性，具有广阔的市场前景。目前，非接触 式i c 卡已j “泛应用于小区建设中，成为小区一# 通智能化管理的重要组成部分。 发卡器是小区“一卡通”门禁控制系统的重要组成部分之一，通过发卡器 向小区用户发放进出入各种门禁的小区用户卡。而发卡嚣的功耗和抗干扰性能 是评价发卡器重要指标之一，本文在对发卡器的设计中，从功耗和抗干扰性能 上作了。蝗改进。 本论文首先对非接触式i c 卡进行了概述，对目前国际上其有代表性的两大 非接触式i c 卡技术：l e g i c 技术和m i f a r e 技术进行了对l t 紧接着熏点介绍r p h i l i p s 公司的m i f a r e 技术，对m i f a r e 卡的内部结构、功能组成、存储结构以 及m 1 f a r e 非接触式i c 卡的读写组件m fr c 5 0 0 进行了全丽的阐述；随后介绍_ ：r 小区“卡通”门禁控制系统的基本模块及功能。并在此基础上，论文重点阐 述了小区“一卡通”门禁控制系统中发卡器配制的配置卡与用户卡的功能，给 出了发卡器的部分硬件电路圈，并给出了p c 机与发卡器通信的通信协议和发卡 器配制两种卡的工作流程图。该发卡器选用抗干扰能力强的p i c l 6 f 8 7 6 单片机， 结合软件方面适时的开启和关闭r f 场，使蕤个发卡器具有功耗低、抗干扰能力 强等特点。对于上位机软件的设计，本论文采用d e l p h i 作为小区“一膏通”门禁 控制系统的界面开发平台，重点介绍了v a c o m m 串口通信程序的设计，包括接明 通信协议和程序流程图以及串口收发模块的部分程序。v a c o m m 是一种新型绿色 控件，可移植性非常好，能安全、可靠、稳定并快捷的对串口通信进行控制： 本论文最后以登录系统界面为例，介绍了d l e l 曲i 连接后台数据库a c c e s s 的方法， 以及a c c e s s 数据库的优点。 在本文的最后，给出了发卡器配制配置卡和用户卡的部分程序源代码。 关键词：智能化小区，一卡通，门禁控制系统 i l 武汉理i ：大学硕j ：学位论文 a b s t r a c t c o n t a c t l e s si cc a r di so n ek i n do fn e wt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do f i cc a r d ，w h i c h i st h ec o m b i n a t i o no fr ft e c h n o l o g ya n di cc a r dt e c h n o l o g y b e c a u s ec o n t a c t l e s si c c a r dh a ss o m ea d v a n t a g e so v e rc o m m o ni cc a r ds u c ha si t sh i g l lw o r k i n gs p e e d ，g o o d a 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 eag o o dp r o s p e c tf o ri ti n m a n y f i e l d ss u c ha s i n t e l l i g e n t a c c e s sc o n t r o l ，a u t o m a t i c p 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 ，a n ds oo n a tp r e s e n t ，c o n t a c t l e s si cc a r dh a sb e e nw i d e l yu s e di n i n t e l l i g e n tr e s i d e n tz o n ec o n s t r u c t i o n ，a n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ea l l p u r p o s e c a r di n t e l l i g e n ta d m i n i s t r a t i o no f i n t e l l i g e n tr e s i d e n tz o n e c a r ds e n d e ri sa ni m p o r t a n tp a r ti na l l p u r p o s ec a r di n t e l l i g e n ta c c e s sc o n t r o l s y s t e mo fi n t e l l i g e n tr e s i d e n tz o n e u s e rc a r d su s e db yr e s i d e n t st oa c c e s ss o m ep l a c e a r es e n d e db yc a r ds e n d e r p o w e rc o n s u m p t i o na n da n t i - j a m m i n ga r eo n eo ft h e i m p o r t a n tg u i d el i n e s t h ec a r ds e n d e ri nt h i sp a p e ru s e ds o m em e a s u r et or e d u c et h e p o w e rc o n s u m p t i o na n di m p r o v et h ea n t i - j a m m i n g a tf i r s tt h i sp a p e rg e n e r a l l yi n t r o d u c e st h ec o n t a c t l e s si cc a r d ，a n dg i v e st h e c o m p a r eo fl e g i ct e c h n o l o g ya n dm i f a r et e c h n o l o g y ，w h i c ha r et h er e p r e s e n t a t i v e t e c h n o l o g i e so fc o n t a c t l e s si cc a r dt e c h n o l o g ya tp r e s e n t a f t e rt h a tt h em i f a r e t e c h n o l o g yd e v e l o p e db yp h i l i p ss e m i c o n d u c t o r si si n u o d u c e di nd e t a i l t h ep a p e r g i v e se m p h a s i st ot h ei n t r o d u e t i o no fm i f a r ec o n t a c t l e s si cc a r d si n n e rs t r u c t u r e 。 f u n c t i o n c o n s t i t u t i o n ，m e m o r y s t r u c t u r ea n dt h er e a d - w r i t e c o m p o n e n t ，m f r c 5 0 0 t h e ni td e s c r i b e st h eb a s i cm o d u l e sa n dt h e i rf u n c t i o n si nt h ea l l p u r p o s ec a r d i n t e l l i g e n ta d m i n i s t r a t i o no fi n t e l l i g e n tr e s i d e n tz o n e b a s e do nt h e s e ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h ef u n c t i o n so f c o n f i g u r a t i o nc a r da n du s e rc a r di nd e t a i l ，p a r t i a lh a r d w a r e c i r c u i td i a g r a m ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sb e t w e e np ca n dc a r ds e n d e r , m a dt h ef l o w c h a r to ft h ec a r ds e n d e ra r ed e p i c t e d t h i sd e s i g nu s e sp i c l 6 f 8 7 6 ，f o ri th a sg o o d r e l i a b i l i t y w i t ht i m e l yo p e n i n ga n dc l o s i n gr fi nt h es o f t w a r ep r o g r a m ，t h ec a r d s e n d e rh a sm a n yg o o df e a t u r e s ，s u c ha sr e l i a b i l i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n de t c t ot h ed e s i g no ft h ep r o g r a mo fp c ，t h i sp a p e ru s e sd e l p h ia st h ei n t e r f a c ee x p l o i t i n g i l l 武汉理。r 大学硕卜学位论文 p l a t f o r m ，a n di n t r o d u c e st h ed e s i g n o fv a c o m ms e r i a li n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n ， i n c l u d i n gt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，f l o wc h a r ta n dp a r t i a lp r o g r a m so fs e r i a l i n t e r f a c e sr e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gm o d u l e s v a c o m mi san e wp a t t e mc o m p o n e n t ， c a l lb et r a n s p l a n t e dw e l l ，a n dc a nc o n t r o ls e r i a li n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o ns a f e l y ， r e l i a b l ya n dq u i c k l y a tl a s t ，w i t ht h el o g i ni n t e r f a c ea st h ee x a m p l e ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h em e t h o do fd e l p h i sl i n k i n ga c c e s sd a t a b a s ea n dt h em e r i to fa c c e s s d a t a b a s e a sac o n s e q u e n c e ，t h e r ea r ep a r t i a lp r o g r a mc o d e so fc a r ds e n d e r c o n f e c t i n g c o n f i g u r a t i o nc a r da n du s e rc a r d ，a n dh a r d w a r ed e s i g nc i r c u i td i a g r a mo fc a r ds e n d e r o f t h ep a p e r k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tr e s i d e n tz o n e ，a l l - p u r p o s ec a r d ，i n t e l l i g e n ta c c e s sc o n t r o s y 7 s t e m 独创性声明 本人声明，j 母里交的论文楚本人在导p 雨指导下进行酌研究工作及取得的研究 成聚。尽我所知，除了文巾特粼加以栝注和致谢的地方外，论文中不包含其他入 已经发表或撰写过的研究成聚，也不包含为获得斌汉理工大学域其宅教裔机榴的 学位或证书而使用过的材料。与我一同1 ：捧的嘲志对本研究所傲的铙俺赏献均已 在论文中 乍了甥确的说明势表示了掰意。 美予论文使甩授极的说明 本人完全了解武汉理工大学有关像霉、使捌学位论文既勰定，即学授奄摄像 留、送交论文的复印侔，允诲论文被查阕和鹰阕；学校可以公布论文豹全部或部 分内饔，i i j 以采甩影印、缡姆戴其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解蟹藤废遵守此规定) 签名：i i 蒸 导师签名： 琢翔：窑鲢：羔塑 武汉理r = 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着2 1 世纪计算机网络带来的信息革命，近年来人们将现代高科技和信息 技术引入智能化住宅小区，人们认为小区的智能化最终体现在于小区内独谚家 庭中运用多元信息技术达到监控与信息交互的程度( 或能力) 。最近国家建没部 住宅产业化办公室提出了关于住宅小区智能化的基本概念：“即住宅小区智能化 是利用4 c ( 计算机、通讯与网络、自控、1 c 忙) 技术，通过有效的传输网络， 将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅d , i k 的服务与管理提供高技术的智能化手段，以期实现快捷高效的超值服务和管理 提供安全舒适的家居环境。” 当前中国j f 面临住宅建筑的高峰期，而且这高峰期又发生在i t 技术l i 速发 展的世纪之交。中国的数字社区、智能小区的建设发展规模和速度是世晃其它 任何国家和地区都无可比拟的。中国无疑即将成为、也必将成为世界的数字社 区建设、网络住宅建设的领跑者。建设数字社区和智能小区的关键是建设小区 的信息平台和控制管理两大平台，而最能反映小区智能化集成度的是运行在小 区控制管理平台之上的小区“一卡通”【1 1 。一卡通系统是目前智能化社区的一种 先进型，科学性，集成化，综合化程度高的设施，为人流、物流的有效管理提 供了设备保障口i 。 随着人类文明的发展和科技的进步，各种各样的卡( 借阅卡、储蓄卡、购 物卡、工作卡等) 在人类的生活中扮演着越来越重要的角色，可以说 方便 了人们的生活。但是随着卡的层出不穷，在一定程度上，它又变成了累赘，所 以说“卡通”是发展趋势。所谓小区“一卡通”，是指把智能卡作为信息的载 体和进出某个系统的“通行证”，居民的信息和其他资料都存放于此卡中，此卡j 对各个系统均适用。在使用之前，物业管理部门根据居民的申请，利用发卡器 给居民发卡，决定该卡的使用范围和权限。在小区“一蕾通”中，非接触式i c 卡又将在此之中发挥它极其重要的作用m 。 非接触式l c 卡技术是近几年发展起来的一种新技术，它成功地将射频识别 武汉理_ 大学硕+ 学位论文 技术和l c 卡技术结合起来，将具有微处理器及大容量存储器的集成电路芯片和 天线封装于塑料基片中。外形与普通信用卡基本相同，信息被卡中的集成电路 进行存储和处理，卡中存储器分多个分区，呵以做到一卡多用，而且其有很强 的安全保密性，读写器采用兆频段和磁感应技术，通过无线方式对卡中的信息 进行读写，并采用高速率的半双：e 通信协议。随着此项技术的不断繁荣和发展， 原先局限于金融、商业、通信等领域的智能卡应用逐渐向智能小区延伸。目莳， 非接触式i c 乍已广泛应用于小区建设中，成为小区智能化的一个重要组成部分。 接触式卡由于卡和读写器要接触就势必会有损耗，因此对于门禁控制系统 的应用而言，非接触式i c 卡技术是首选。现在非接触式i c 卡更容易兼容不同 的格式和不同的功能。非接触式i c 卡的局限之一是需要获得足够的能量去运行 内嵌的i c 芯片，因为i c 芯片越复杂就需要越多的能量。非接触式i c 卡能提供 几乎所有接触式卡的功能。生物辨识技术要求能得到有效用户的数据库，以及 他们的生物辨识样板或注册数据，并发送到读卡器l ：进行比较鉴别。相比之卜 非接触式i c 卡则提供了一种用来携带数据的方式即有效的创建了个虚拟 网络，因为用户可以携带着数据到任何需要的地方。 “一鼻通”门禁控制系统的出现不但使监控非法闯入者的功能得以实现， 而且还为钥匙j 这个名词引入了新的概念，即它不再仅仅是钥匙，早期看起 来比较简单的机械式门禁控制系统现在已发展为像电脑一样的卡了，非接触式 i c 卡给门禁行业带来了重要的功能，对门禁行业意义重大。它们可以存储大量 数据，可读也可更新，可以提供高级加密和密码来保护存储的数据，还可咀通 过计算程序提供处理能力。当然门禁控制系统有可能出现新的规范将e 物 辨识和门禁权限数据存储在卡里并加密，这样就只有本地的读卡器才可以使用 该数据。生物辨识将用来解读卡罩的数据并获得通行许可。读卡器必须通过某 种方法与授权数据库连接并可根据需要更新卡罩的信息f 4 | 。 1 2 本课纛相关螗研究进晨及瑾状 门禁控制管理系统是新型现代化安全管理系统，集微机自动识别技术和现 代安全管理措施为一体，涉及电子、机械、光学、计算机技术、通讯技术、生 物技术等诸多新技术。它是解决重要部门出入口实现安全防范管理的有效措施。 适用各种机要部门，如银行、宾馆、机房、军械部、机要室、办公间、停车场 智能化小区、工厂等。在数字技术、网络技术飞速发展的今天，门禁控制技术 武汉理工大学硕士学位论文 也得到了迅猛的发展。门禁系统早已超越了单纯的门道及钥匙管理，它已经逐 渐发展成为一套完整的出入管理系统，在小区门禁控制管理等管理工作中发挥 着巨大的作用。在该系统的基础e 增加相应的辅助设备可以进行电梯控制、车 辆进出控制，物业消防监控、保安巡检管理、餐饮收费管理等，真正：耍现区域 内一1 卡通智能管理【5 】。 # 接触式l c 卡系统相对于以往传统的接触式系统( 如l c 卡，磁卡，条码 卡，t m 等系统) 具有更多的优点： ( 1 ) 通过这套系统，可以实现对人员权限的明确界定。无论是内部人员或 外部人员，都可以通过设置，对其权限进行清楚地界定，以方便管理。 ( 2 ) 在特定的范围内可以自由进出或进行消费等活动，并对人员的交易等 情况进行记录，以备查询。这样极大地解除了人员管理的压力，并可以在提高 安全度的情况下达到节约人力的效果。对于考勤，卡证制作、电子巡更、就餐、 停车场管理等功能，只需一张非接触式i c 卡就能非常方便地解决，因此不必再 受卡太多的困扰，也不必因接触式卡的极易损坏而烦恼。 ( 3 ) 高效、集成、智能化是现代化管理的客观需求，它可以提高j f 作效率、 降低运行成本。但是，智能忧管理系统在其设计和操作过程中的复杂性阻碍了 系统集成的进程。为了解决这一矛盾，推广具有人工智能的“一卡通”系统在 智能化管理中的应用，是噩待解决的一个课题。 ( 4 ) 高效、集成、智能化同样也是现代管理的重要内容和发展标志，“ 卡通”系统有助于解决其中的若干难题，实现小区中各子系统之间的联系，实 现内部各子系统之问的信息交换、统一管理和联动控制。 现在的非接触式i c 卡系统燕合趋势有两个方向。第个是整合背景运算系 统，在这方面，用户可以使用许多应用功能，而且整合在一超的系统会提供 适当的信息和数据。另种整合形式是在用户的许可证上。在一张卡罩整合多 重技术给予用户多种使用功能，然而这些系统是独立于背景运算系统的所以 用户必须为每种应用分别注册。 未来也许会将更多的系统整合在一起，也许不会再限制在设施的围墙内。 例如，使用进入设旌的卡可以和汽车及家中车库的卡兼容。非接触式卡也可以 用来存储私人医生记录，驾驶执照，信用卡信息，还有计算机密码，非现金交 易，公共交通和电话费预付系统等等。 武汉壤工大学硕十学位论文 1 3 本文的主要研究内容 本课题来源于深圳市会安通电子有限公司关于小区“一卡通”门禁擦制系 统的研究下作。 该项目要完成的总体目标就是要对小区进行智能化控制和管理，通过发卡 器配制不同卡型，通过一卡通系统控制整个小区的门禁管理，将门禁系统的现 状和用户进，出入门的相关信息送入小区管理中心软件进行信息存储、备份和控 制，达到对小区进行智能控制和管理的功能。 在项目进行中，作者独立完成了发卡器的设计和开发。包括底层固件的编 程，调试，原理设计，以及上位机中心管理软件通信程序界面的设计和丌发。 而对于门禁控制系统的门禁控制器的设计和开发未参i = 孑。 本文的篇章结构为： 第章为引言，简要介绍了本论文选题的背景和意义，综述了小区“一卡 通”门禁控制系统的国内外研究现状，以及本人的研究工作。 第二章为m i f a r e l 非接触式i c 卡的概述，大体介绍了m i f a r e l 卡的内部 结构和功能组成，存储结构，与读写器的通讯过程以及非接触式i c 卡的国际标 准。 第三章为m fr c 5 0 0 的介绍。包括m fr c 5 0 0 的特性，应用，内部结构， 与c p u 的接口连接以及天线设计等方面的内容。 第四章为串行通信接口的介绍。包括r s 一2 3 2 c 的总线标准接口，电气特性， 电平转换，与计算机的连接图以及r s - - 4 8 5 的标准等方丽的内容。 第五章简要介绍了小区“一卡通”门禁控制系统的模块组成以及各部分的 功能。详细论述了发卡器的设计和开发，包括p c 机与发卡器之间配制配置卡与 用户卡的通信协议，硬件电路以及工作流程圈等，并讲述了降低发长器功耗的 措施。 第六章对上位机中心管理软件的接口通信程序设计做了详细的论述。包括 接口所用控件v a c o m m ，接口通信协议，接口工作流程以及连接a c c e s s 数据库 的步骤和方法。 第七章对全文的总结，在此研究的基础上针对不足之处给出了展望，提出 了改进的方法，并对下一步工作做了简要规划。 4 武汉理丁大学硕十学位论文 第2 章m i f a r e i 菲揍麓式i c 卡 小区“一卡通”门禁控制系统利用了计算机技术、通讯与网络技术、自控 技术以及i c 卡技术。本章就着重对i c 卡技术进行介绍，包括m i f a r e l 非接触 式l c 卡内部结构和功能的组成，存储结构以及与读写器通汛等相关内容，并介 绍了非接触式i c 卡的国际标准。 2 1i c 卡简介 2 1 1i c 卡的分类 i c 卡按卡与外界数据传送的形式不同【6 1 ，分为接触式i c 号和非接触式i c # 。 接触式i c 卡通过8 个触点从读写器获取能量和交换数据，非接触式i c 卡通过射频 感应从读写器获取能量和交换数据，所以非接触式i c 卡又叫射频卡。接触式l c 卡的读写操作速度较慢，在公交、考勤等需要频繁读写卡的场合很不方便，而 且i c 卡的触点暴露在外，容易损坏和搞脏而造成接触不良。非接触式i c 卡是根 据电磁感应原理产生的，它的读写操作只需将卡片放在读写器附近一- 定的距离 之内就能实现数据交换，无需任何接触，使用非常方便、快捷，不易损坏。o 接触式i c 翱剧七较，非接触式i c 卡具有以下优点f 7 i ： 1 ) 可靠性高。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，既便于卡片的印刷，又提高了卡片的使用可靠性。例如：由j 二孝h 暴 插卡、非卡外物插入、灰尘、油污导致接触不良等原因造成的故障；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： 2 ) 操作方便、快捷。由于非接触通讯，读写器在l c m 1 0 c m 范围内就町以 对卡片进行操作，所以不必像i c 卡那样进行插拔工作；非接触式i c 卡使用时没 有方向性，卡片可以任意方向掠过读写器表面，可大大提高每次使用的速度； 3 ) 防止冲突。非接触式l c 卡中有防冲突机制，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i c 卡，提高了应用的弗行性， 无形中提高了系统工作速度； 4 ) 叫+ 以适应于多种应用。非接触式i c 卡的存储器结构特点使它一卡多用： 武汉理上人学硕士学位论文 可应用于不同的系统，用户可以根据不同的戍用设定不同的密码和访问条件； 5 ) 加密性能好。非接触式i c 卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出，一前 已将此序列号固化，不可再更改。它与i c 卡读写器之间采用双向验证机制和三 次相互确认，卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件，而且具有传递数 据加密，传输密码和访问密码保护【8 j 。 基于以一 二优点，非接触式i c 卡在公交、门禁、校鼠、企事业人事管理等充 面有广泛的应用。目前我国引进的非接触式i c 乍主要有p h i l i p s 公司的m i f a r e , f n a t m e l 公司的t e m i c 卡。而p h i l i p s 公司的m i f a r e 卡现在是市场的主流产品，应 用越来越广。其典型型号为m 1 f a r e l $ 5 0 ，它有1 k 字节e e p r o m 用于存放数据， 分成1 6 个区，每个区都有自己的密码，完善的安全机制使之具有一卡多用的特 性。m i f a r e 卡是一种智能卡( s m a r tc a r d ) ，内建有中央微处理机( m c u ) 和a s i c 等， 使卡能在安全保密性、认证逻辑、算术运算等微操作控制中有序进行。 目前国际上具有代表性的两大非接触式1 c 卡技术是l e g i c 技术和m i f a r e 技术。l e g i c 技术是由瑞士k a b a 公司提供的非接触式i c 卡读写技术，m i f a r e 技术是由p h i l i p s 公司提供的非接触式j c 常读写技术。 这两种技术都采用1 3 5 6 m h z 的近距离非接触式l c 卡通讯频率标准，其读 写速度和读写距离是相同的，在通讯安全上均采用符合i s 0 9 7 9 8 国际标准的3 次互感校验技术，以对卡和读写设备的合法性进行相互校验；在数据通讯上均 采用d s a 算法对通讯数据进行加密，以确保卡上的数据不被非法的修改。但是 这两种技术也有很多不同点，现将这两种技术的不同点比较如下： 1 ) m i f a r e 采用密码读写控制方式，即读写设备的监控程序要掌握相应的 系统密码才能对i c 卡内的数据进行不同操作( 如读、写、增值、减值等) 。l e g i c 采用授权读写控制方式，即读写设备必须先获得“设备授权卡”的授权后彳能 读写本系统的i c 卡，而卡的初始化又必须经过上级授权卡的授权，并且只可以 在专用的授权设备上进行。 2 ) m i f a r e 读写模块与监控计算机之间采用符合单片机外部总线标准的并 行标准，读写过程可由监控程序逐步控制。l e g i c 模块与监控计算机之间采用 串行通讯方式，读写进程由模块自动完成。 3 ) 在防冲突功能上，m i f ：a r e 允许多卡同时进入读写范围，再由读写设备 武汉理r 大学顽 学位论文 逐一处理。l e g i c 采用同时间内只能读写一张卡的防冲突模式。 2 2m i f a r e i 卡介绍 2 2 1m i i g a r l g l 卡结构及功i 童组成 m i f a r e l 非接触式l c 卡的核心f 9 ，”1 是p h i l i p s 公司的m i f a r e li c $ 5 0 ( 0 1 ， 一0 2 ，0 3 ，0 4 ) 系列微模块( 微晶片) 。它所具有的独特的m i f a r e r f ( 射频) 非接触式接口标准已被定为国际标准：i s o i e c1 4 4 4 3t y p e a 标准。目前许多较 大的i c 卡卡片制造商的非接触式卡制造均以m i f a r e 技术为标准。该昔片上有 8 k be e p r o m 存储容量，并划分为1 6 , - 扇区，每个扇区划分为4 个数据存储块。 各扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存 取控制。因此一张卡可以同时运用在1 6 个，1 _ ：= 同的系统中，且可以根据每个系统 的实际情况决定各区的密码及数据形式。卡片上还内建有增值、减值的专项的 数学运算电路j 。文中所介绍的发卡器与l c 卡读卡器所使用的卡就采用 m i f a r e l # 。 m i f a r e l 卡中i ”1 包含一块a s i c 微晶片和。个高频天线，其基本工作原理是： 读写器中的m i f a r e 基站向m i f a r e 卡发一组固定频率( 1 3 。5 6 m h z ) 的电磁波， 卡片内有一个l c 串联谐振电路，其频率与基站发射的频率相同，在电磁波的激 励下，l c 谐振电路产生共振，使f 片内具有电荷，当所积累的电荷达到2 v 时， 卡片中芯片将卡内数据发射出去或接收基站对卡片的操作。 m i f a r e l 的框图如图2 1 所示，整个卡片包含了两个部分：r f 射频接1 电 路和数字电路部分l ”i 。 r f 射频接口电路：在r f 射频接口电路中，主要包括有波形转换模块，它可 以将i c 卡读写器上的1 3 5 6 m h z 的无线电调制频率接收，一方面送调制解调模 块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其进行整流滤波， 由电压调节模块对电压进行进步的处理，包括稳压等，最终将输出电压供给 卡片上的各个电路。p o r 模块主要是对卡片上的各个电路进行 p o w e r o n r e s e t ( 上电复位) ，使各电路同步启动工作。 数字电路部分l j 4 t ”j ：主要包括请求应答模块、防重叠功能模块、选择模块、 认证及存取控制模块、控制及算术运算单元、r a m 瓜o m 单元、数据加密单元、 存储器及其接口电路i “l 。 武汉理l 一人学硕士学位论文 图2 1m i f a r e li c $ 5 0 的组成框图 ( 1 ) 请求应答模块( a n s w e rt or e q u e s t ) ： 当一张m i f a r e l 卡片处在卡片读写器的天线工作范围之内时，读写器向卡 片发出r e q u e s t a l l ( 或r e q u e s ts t d ) 命令后，请求应答模块将启动，将仁片b l o c k 0 中的卡片类型( t a g t y p e ) 号共2 个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第 一步通信联络。 如果不进行第一步的请求应答工作，读写器对卡片的其他操作( r e a d w r i t e 等) 将不会进行。卡片的类型( t a g t y p e ) 号拭2 个字节，可能为：0 0 0 4 h 。 ( 2 ) 防重叠功能模块( a n t i c o l l i s i o n ) ： 如果有多张m i f a r e l 卡片处在i c # 读写器天线的一：作范围之内时， a n t i c o l l i s i o n 模块的防重叠功能将被启动工作。在程序员控制下的卡片读写器将 会首先与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的序列号。由于m i f a r e l 卡片 每一张都具有其唯一的序列号，绝不会相同，因此卡片读写器根据卡片的序列 号来识别，区分已选的卡片。卡片读写器中的a n t i c o l l i s i o n 防重叠功能配合号片 上的防重叠功能模块，由程序员来控制读写器，根据专片的序列号来选定张 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。 a n t i c o l l i s i o n ( 防重叠功能) 模块启动工作时，卡片读写器将得到卡片的序 武汉理“r 夫学硕十学位论文 列号s e r i a ln u m b e r 。序列号s e r i a ln u m b e r 存储在卡片的b l o c ko 中，共有5 个字节， 实际有用的为4 个字节，另一个字节为序列号s e r i a ln u m b e r 的校验字节。序列号 s e r i a ln u m b e r 中实际有用的4 个字节，可能为：0 0 7 e o a 4 2 h 。 ( 3 ) 选择模块( s e l e c t a p p l i c a t i o n ) ： 主要用于卡片的选择，当卡片与读写器完成了卜述的两个步骤，程序员控 制的读写器要想对卡片进行读写操作，必须对卡片进行“s e l e c t ”操作，以使卡 片真j f 地被选中。被选中的卡片将卡片上存储在b l o c k 0 中的卡片的容量“s i z e ” 字节传送给读写器。当读写器收到这一字节后，将明确可以对卡片进行避步 的操作了。例如，可以进行密码校验等等。读写嚣收到的“s i z e ”字节可能为： 8 8 h 。 ( 4 ) 认证及存取控制模块( a u t h e n t i c a t i o n & a c c e s sc o n t r 0 1 ) ： 在确认了上述的三个步骤，确认已经选择了一张卡片时，程序员对卡片进 行读写操作之前，必须对卡片上已经设置的密码进行三级认证，如果匹配，则 允许进一步的r e a d 、确t e 操作”1 。 m i f a r e l 卡片上有1 6 个扇区，每个扇区都可分别设置各自的密码，互不千 涉。因此每个扇区可独立地应用于一个应用场合。整个卡片可以设计成“ 通”形式来应用。 ( 5 ) 控制及算术运算单元( c o n t r o l a r i t h m e t i cu n i t ) ： 这单元是攘个卡片的控制中心，是卡j 中内建的中央微处理机( m c u ) 单元，是卡片的“头脑”。它主要进行对楚个卡片的各个单元进行微操作控制， 协调卡片操作的各个步骤；同时它还对各种收发的数据进行算术运算处理，递 增递减处理，c r c 运算处理等。 ( 6 ) r a m r o m 单元： r a m 主要配合控制及算术运算单元，将运算的结果进行暂时存储。如果某 些数据需要存储到e e p r o m 中，则由控制及算术运算单元取出送到e e p r o m 存 储器中；如果某些数据需要传送给读写器，则出控制及算术运算单元取出，经 过r f 射频接口电路的处理，通过卡片上的天线传送给卡片读写器。r a m 中的数 据在卡片失掉电源后( 卡片离开读写器天线的有效工作范围内) 将被清除。 同时，r o m 中还固化了卡片运行所需要的必要的程序指令，由控制及算术 运算单元取出去对每个单元进行微指令控制，使卡片能有条不紊地与卡片读写 器进行数据通信。 武汉理= 人学硕士学位论文 ( 7 ) 数据加密单元( c r y p t ou n i t ) ： 该单元完成对数据的加密处理及密码保护。加密的算法可以为d e s 标准算法 或其他。 ( 8 ) 存储器及其接口电路( e e p r o mi n t e r f a c e e e p r o mm e m o r y ) ： 该单元主要用于存储数据，e e p r o m 中的数据在卡片失掉电源后( 卡片离 开读写器天线的有效工作范围内) 仍将被保持，用户所要存储的数据被存放在 该单元中。 2 2 2m i f a r e l 卡存健结构 m i f a r e l 卡片中的存储单元容量为8 1 9 6 b i t ( 1k b y t e ) ，分为1 6 个扇区，每个 扇区有6 4 b ，由4 块( 块0 、块l 、块2 、块3 ) 组成，( 我们也将1 6 个扇区的6 4 个块 按绝对地址编号为o 6 3 ) 每块有1 6 b 。存储结构如图2 2 所示。 块0数据块 0 扇区0 块l数据块 1 块2 数据块 2 块3 密码a 存取控制密码1 3控制块 3 块0数据块 4 扇区1块1数据块5 块2数据块6 块3密码a存取控制密码 ；控制块 7 块0数据块 6 0 扇区1 5块1数据块 6 1 块2数据块 6 2 块3 密码a存墩控制 密码b控制块 6 3 图2 2m i f a r e l 存储结构 每个扇区的块0 t ”】、块l 、块2 为数据块，可用于存储数据。数据块可作两种 应用：一是用作一般的数据保存，可以进行读、写操作。二是用作数据值，可 以进行初始化值、加值、减值、读值操作。在数据块中，除了第0 扇区的块0 ( 即 o 武汉理r 大学硕士学位论文 绝对地址0 块) 外，其他数据块均可用于存储数据。第0 扇区的块0 ，它用r 存放 厂商代码已经固化，不可更改。每个扇区的块3 为控制块，包括了该扇区的密 码a ( 6 字节) 、存取控制( 4 字节) 、密码b ( 6 字节) 。具体结构如下： l a o a l a 2 a 3 a 4 a 5f f 0 78 06 9b o b lb 2b 3b 4b 5 i ni ij 密码a ( 6 字节)存取控制( 4 字节)密码b ( 6 字节) 每个扇区有两组密码即密码a 、密码b ，且各扇区的密码都是独晓的，可以 根据实际需要设定各自的密码。存取控制为4 个字节，共3 2 位，并且与密码一样， 每个扇区的存取控制也是独立的。扇区中的每个块( 包括数据块和控制块) 的 存取条件是由密码和存取控制共同决定的。对于扇区中的每块，包括数据块、 控制块，在该扇区的存取控制中都有相应的三个控制位来与之对应，定义如卜- ： 块0 ： c 1 0 c 2 0 c 3 0 块1 ：c 1 lc 2 1c 3 1 块2 ： c 1 2c 2 2c 3 2 块3 ： c 1 3c 2 3c 3 3 各块的三个控制位以正和反两种形式存储于存取控制字节中，它们决定了 该块的访问权限( 如进行减值操作必须验证k e y a ，进行加值操作必须验证k e y b ，等等) 。三个控制位在存取控制字节中( 其中字节9 为备用字节) 的位置如表 2 1 所示，表中b 表示取反。 表2 1 控制位分布 b i t 7 65 4 321 0 字j 0 6c 2 3bc 2 2bc 2 1bc 2 0bc 1 3bc 1 2bc l lbc j 0b 字节7 c 1 3c 1 2c 1 1c l oc 3 3bc 3 2bc 3 1bc 3 0b 字节8c 3 3c 3 2c 3 lc 3 0c 2 3c 2 2c 2 lc 2 0 字节9 对于数据块和控制块，各个控制块的不同组合代表的控制含义不一样。表2 2 是数据块( 块0 、l 、2 ) 的存取控制，表2 - - 3 是控制块的存取控制( k e y a i b 表示密码a 或密码b ，n e v e r 表示任何条件下不能实现) 。 武汉理t 大学硕士学位论文 表2 2 数据块控制位组合定义 存取控制位密码a存取控制 密码b c 1 3c 2 3 c 3 3r e a dw r i t e r e a d w r i t er e a dw r i t e o00n e v e r k e y a l bk e y a l b n e v e r g e y a lbk e y a l 8 o10n e v e rn e v e r k e y a b n e v e r k e y a i b n e v e r 100n e v e r k e y bk e y a i b n e v e rn e v e r k e y b l10n e v e rn e v e r k e y a lb n e v e rn e v e rn e v e r 0 0l n e v e rk e y a f bk e y a f bk e y a l bk e y a | bk e y ab olln e v e r k e y b k e y ab k o y b n e v e t k e y b 1o l n e v e rn e v e r k e y a ；bk e y b n e v e rn e v e r jl l n e v e rn e v e r k e y a 【b n e v e rn e v e rn e v e r 表2 3 存取控制位组台定义 数据块控制位访问条件( 对数据块0 、1 、2 ) c l x c 2 x c 3 xr e a dw r i t ei n e r e m e l l l d e c r e m e n t ，t r a n s f e r r e s t o f e 0 0 0 k e y a bk e y a l bk e y a | bk e y a jb o l 0 k e y a i 8 n e v e rn e v e rn e v e r 100 k e y a i bk e y b n e v e rn e v o r l10 k e y a l bk e y bk e y bk e y ab 00l k e y a b n e v e r