IC卡公交收费机设计（一）——MIFARE 1卡存储结构与特性

1、IC卡公交收费机设计一MIFARE 1卡存储结构与特性电子与信息工程学院课 程 目 标 MIFARE 1卡存储结构与读写操作 MIFARE 1卡值块结构与值操作 MIFARE 1卡防冲突特性与防冲突操作 MIFARE 1卡平安特性与存取控制设置工程开发IC卡公交收费系统系统需求分析：具备小额电子钱包功能，定额方式收费操作方便快捷工作距离3GHz。 按卡内芯片供电方式：卡内带电池的有源卡和卡内无电池、由读写器以无线感应方式供电的无源卡 按使用过程中的读写方式：只读卡ID卡和读写卡 带EEPROM 特点频段工作频率数据传输速率读写距离读写区域低频125134KHz慢适中(1m)较为均匀高频13.5

2、6MHz较快适中(1m)较为均匀超高频860960MHz快远(10m)很难定义不同频段射频卡的特点非接触式IC卡的国际标准标准组织阵营频段技术规范EPCglobal 全球产品电子代码管理中心 欧美企业 沃尔玛、思科、敦豪快递、麦德龙和吉列等 UHF(860-960 MHz )电子产品代码(EPC)、电子标签规范和互操作性、识读器-电子标签通信协议、中间件软件系统接口等ISO/IEC 国际标准组织/国际电工委员会 全球非盈利工业标准组织 多个频段识别卡与身份识别ISO/IEC14443自动识别ISO/IEC15693ISO/IEC18000UID 泛在技术核心组织 日本电子厂商、IT企业 2.4

3、5GHz和13.56MHz 电子标签超微芯片部分规格 非接触式IC卡的ISO/IEC国际标准注释：ICC集成电路卡CICCClose-Coupled ICC，紧密密耦合卡；PICCProximity ICC，称为接近近耦合卡；VICCVicinity ICC，称为邻近疏耦合卡。CD Coupling Device，是读写器中发射电磁波的局部 ISO/IEC14443国际标准现阶段ISO/IEC 14443草案主要有两个体系并存：ISO/IEC14443-Type A、ISO/IEC14443-TypeB。 TypeA：以PHILIPS公司为代表，包括SIEMENS、HITACHI、GEMPLU

4、S、G&D和Schlumberger等公司 TypeB：以ST意法半导体、MOTOROLA、ATMEL、韩国SAMSUNG和日本的NEC等公司为代表。 ISO/IEC18000国际标准18000-1：物理层18000-2：低于135KHz通信的空中接口的参数； 18000-3：在13.56MHz通信的空中接口的参数；18000-4：在2.45GHz通信的空中接口的参数；18000-5：5.8GHz通信的空中接口的参数；18000-6：860-960MHz通信的空中接口的参数；18000-7：433MHz通信的空中接口的参数；工程实现之第一步卡型选择低频非接触式ID卡高频非接触式逻辑加密卡超高频

5、非接触式IC卡数据传输速率低，防冲突性能差；没有加密，不平安数据传输率高，防冲突性能好，平安性高读写距离远，防冲突性能好；容易受周围环境干扰，读写器本钱高目前高频卡的产品主要包括：ISO14443TypeA卡Mifare 1 S50卡、Ultra Light卡 LEGIC Type A 卡、上海公交卡即华虹IC卡、复旦微电子Type A 卡ISO14443TypeB卡ATMEL RF020ISO15693电子标签卡PHILIPS I-Code2、TI Tag-it标签I-CODE电子标签卡 PHILIPS I-Code、上海贝岭BL75R02SONY Felica卡香港八达通、深圳通中国二代身

6、份证市场主流卡型Mifare 1非接触式IC卡 根本性能指标：卡内器件： 无线智能卡芯片Mifare MF1 IC S50 +天线线圈标准： 遵从ISO/IEC 14443 Type A 标准工作频率： 13.56MHz数据传送速率： 106kbit/s 9.4s/bitMifare 1卡片的存储结构 存储容量：10248位字长即1KB，存储介质：EEPROM分为16个扇区扇区0 15每个扇区有4个块Block块0、块1、块2和块3。每个块有16个字节。一个扇区共有 16 Byte4 = 64 Byte 块功能详解1厂商块地址：扇区0块0内容：IC卡厂商标志，包含卡序列号SN、卡类型号TagT

7、ype及卡容量字节等关键数据。特性：只读，平安防伪例：卡类型号TagType卡序列号SN卡容量字节SIZE块功能详解2数据块块02每块16字节。可由区尾块中的存取控制位access bits配置为： 读写块：用作一般的数据操作，可用读/写命令直接读/写整个块值块：用作定值操作，可以进行加值/减值INC/DEC的运算。数据块数据的读/写/加值/减值条件： 符合该块存取条件的要求 + 通过该扇区的密码认证。 块功能详解 3区尾块 Sector Trailer每个扇区的块3为区尾块，包含： KEY A6B+ Access bits4B+KEY B6B 例： A0A1A2A3A4A5 FF078069

8、 B0B1B2B3B4B5 密钥A默认值存取控制位默认值密钥B默认值MIFARE 1卡特点：支持城市一卡通EEPROM存储器结构提供多应用： 1K字节EEPROM，16个扇区, 4数据块/扇区，16字节/块。用户可以定义每一个存储器块的访问条件。每个扇区(每应用)拥有各自独立的密钥,支持带密钥层次的多应用。适合定额收费： 卡芯片中内建有增值/减值的专项数学运算电路，非常适合公交/地铁等行业的定额收费系统MIFARE 1卡防冲突特性利用每张卡全球唯一的SN实现二进制树状搜索防冲突算法。例：SN1：420A7E00SN2：420A7E01SN3：421A7E01冲突1选择SN2、SN3冲突2选择S

9、N3POWER OFF状态IDLE状态READY状态ACTIVE状态HALT状态RESETREQUEST 命令ANTICOLLISION命令启动防冲突循环读取卡回送的UIDSNHALT命令SELECT UID命令应用：AUTENTICATION/READ/WRITE/INC/DEC命令WAKE UP 命令MIFARE 卡防冲突流程MIFARE 1卡特点：支持多卡同时操作卡芯片与读写芯片中都内嵌防冲突模块，可实现真正的硬件防冲突，可高速识别天线范围内的多张卡，适应多人同时刷卡。MIFARE 1卡的平安特性密码认证：所有扇区需通过密码认证才能进行读/修改操作。存取控制：所有块可通过设置存取控制条件

10、限制存取。Mifare 1 卡的密码认证方式 Mifare 1 卡的密码的认证采用了三次相互认证的方法，具有很高的平安性。 A环 ：Mifare 1卡向读写器发送一个随机数据RB；B环 ：读写器收到RB后向Mifare 1卡片发送一个令牌数据TOKEN AB=用读写器中存放的密码加密后的RB+读写器发出的一个随机数据RA；C环 ：Mifare 1卡片收到 TOKEN AB 后，用卡中的密码对TOKEN AB的加密的局部进行解密得到RB，并校验第一次由A环中Mifare 1卡片发出去的随机数RB是否与B环中接收到的TOKEN AB中的RB相一致；假设读写器与卡中的密码及加/解密算法一致，将会有R

11、B=RB，校验正确，否那么将无法通过校验；D 环 ：如果C环校验是正确的，那么Mifare 1卡片用卡中存放的密码对RA加密后发送令牌TOKEN BA给读写器 ；E环 ：读写器 收到令牌TOKEN BA后，用读写器中存放的密码对令牌TOKEN BA中的RA随机数进行解密得到RA；并校验第一次由B环中读写器发出去的随机数RA是否与D环中接收到 的TOKEN BA中的RA相一致；同样，假设读写器与卡中的密码及加/解密算法一致，将会有RA=RA，校验正确，否那么将无法通过校验；A环 ：Mifare 1卡取随机数RB=1100，KEY1=1010，加密/解密算法：异或，发送RB给读写器B环 ：读写器取

12、随机数RA=0011，KEY2=1010，加密/解密算法：异或，接收RB对RB加密：TOKENB=RB异或KEY2=0110，发送TOKENB+RAC环 ：Mifare 1卡片对TOKEN B解密： RB=TOKENB异或KEY1=1100=RB，校验正确；D 环 ：Mifare 1卡片对RA加密TOKENA=RA异或KEY1=1001 ；E环 ：读写器 收对TOKEN A解密：RA=TOKENA异或KEY2=0011=RA，校验正确Mifare 1 卡存取控制设置Access bits存取控制位：定义该扇区中4个块的访问条件，及定义数据块的类型读写或值Mifare 1 卡出厂初始化时，所有扇

13、区块3的初始化值均为 A0A1A2A3A4A5 FF078069 B0B1B2B3B4B5 卡初始化后的存取控制条件为： 密码A永不可读，校验密码A或密码B正确后可以修改； 密码B在校验密码A或密码B正确后可读，可修改； 存取控制位在校验密码A或密码B正确后可读，可修改； 数据块在校验密码A或密码B正确后可读，可修改。 公交卡密钥存取条件的设置对象：各扇区块3存取条件：密码A永不可读，校验密码A或密码B正确后可以修改密码B在校验密码A或密码B正确后可读，可修改；存取控制位在校验密码A或密码B正确后可读，可修改；存取控制位对块3的控制结构密码A密码A存取控制 存取控制密码B密码BC1X3C2X3

14、C3X3readwritereadwriteread write000neverKEYA|BKEYA|BneverKEYA|BKEYA|B010neverNeverKEYA|BneverKEYA|Bnever100neverKEYBKEYA|BneverneverKEYB110neverNeverKEYA|Bnevernevernever001neverKEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|B011neverKEYBKEYA|BKEYBneverKEYB101neverNeverKEYA|BKEYBnevernever111neverNeverKEYA|Bneverneve

15、rneverC2X3_bC2X2_bC2X1_bC2X0_bC1X3_bC1X2_bC1X1_bC1X0_bC1X3C1X2C1X1C1X0C3X3_bC3X2_bC3X1_bC3X0_bC3X3C3X2C3X1C3X0C2X3C2X2C2X1C2X0BX7BX6BX5BX4BX3BX2BX1BX0存取控制位的结构11111111000001111000000001101001公交卡预付费金额存取条件设置对象:扇区1块02存取条件: 校验密码A或密码B正确后可读，可修改。存取控制位对数据块的控制结构C1XYC2XYC3XYReadWriteIncrement Decr，Transfer，res

16、tore000KEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|B010KEYA|Bnevernevernever100KEYA|BKEYBnevernever110KEYA|BKEYBKEYBKEYA|B001KEYA|BneverneverKEYA|B011KEYBKEYBnevernever101KEYBnevernevernever111NeverneverneverneverC2X3_bC2X2_bC2X1_bC2X0_bC1X3_bC1X2_bC1X1_bC1X0_bC1X3C1X2C1X1C1X0C3X3_bC3X2_bC3X1_bC3X0_bC3X3C3X2C3X1C3X0C2X3

17、C2X2C2X1C2X0BX7BX6BX5BX4BX3BX2BX1BX0存取控制位的结构11111111000001111000000001101001公交卡流水号存取条件设置对象：扇区14块0存取条件： 校验密码A/B正确可读，永不可修改。其他各块条件默认。存取控制位对数据块的控制结构C1XYC2XYC3XYReadWriteIncrement Decr，Transfer，restore000KEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|B010KEYA|Bnevernevernever100KEYA|BKEYBnevernever110KEYA|BKEYBKEYBKEYA|B001KEYA

18、|BneverneverKEYA|B011KEYBKEYBnevernever101KEYBnevernevernever111NeverneverneverneverC2X3_bC2X2_bC2X1_bC2X0_bC1X3_bC1X2_bC1X1_bC1X0_bC1X3C1X2C1X1C1X0C3X3_bC3X2_bC3X1_bC3X0_bC3X3C3X2C3X1C3X0C2X3C2X2C2X1C2X0BX7BX6BX5BX4BX3BX2BX1BX0存取控制位的结构11101111000001111000000101101001扇区14存取控制字节=EF 07 81 69H 将扇区14块3的

19、内容修改为FFFFFFFFFFFFEF078169FFFFFFFFFFFFMIFARE 1卡特点：支持开放环境下的平安可靠应用高保密性： 全球唯一SN； 密钥及传输密码保护，各扇区密码独立且有三套KEYSET0、1、2二个KEY A、KEY B密码。 密码认证采用三次相互认证； 存取控制位保护，用户可以定义每一个存储器块的访问条件 RF信道数据加密 高可靠性： 无线通讯链路使用各种校验机制确保数据可靠传输实训 MIFARE 1卡的读写操作与存储结构 按标志连接非接触式IC卡读写器的电源线，电源指示灯闪亮一下表示连接正确。注意电源+5V与地不可接反。按标志连接非接触式IC卡读写器与PC机间的通信线，翻开MIFARE系列非接触式IC卡演示软件MWRF，确认通信正常。装载密码Load Key操作:在RFDEMO软件界面中选择密码集0KEYSET0，密码AKEY A，将扇区0-14的密码A设置为全F，而将扇区15的密码A设置为全0。启动密码下载，下载过程中红色指示灯点亮；下载完毕后红色指示灯熄灭。 MIFARE 1卡读写操作: 将MIFARE 1卡按任意方向置入MIFARE开发板天线有效工作范围内，对MIFARE 1卡的扇区0、1和15的块0、1、2进行读/写操作。记录读取的卡数据，标明各块