IC卡公交收费机设计(一)

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卡安全特性与存取控制设置,项目开发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）,不同频段射频卡的特点,非接触式IC卡的国际标准,非接触式IC卡的ISO

2、/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部分,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、GEMPLUS、G&D和Schlumberger等公司 Ty

3、peB：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；,项目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 超高频非接触式IC卡,数据传输

4、速率低，防冲突性能差；没有加密，不安全,数据传输率高，防冲突性能好，安全性高,读写距离远，防冲突性能好；容易受周围环境干扰，读写器成本高,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 RF020 ISO15693（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BL75R02 SONY Felica卡香港八达通、深圳通 中国二

5、代身份证,市场主流卡型,Mifare 1非接触式IC卡,基本性能指标： 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/bit）,Mifare 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

6、：IC卡厂商标志，包含卡序列号SN、卡类型号TagType及卡容量字节等关键数据。 特性：只读，安全防伪 例： 420A7E0036 88 0400 4481740630373937H,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 （S

7、ector Trailer） 每个扇区的块3为区尾块，包含： KEY A（6B）+ Access bits（4B）+KEY B（6B） 例： A0A1A2A3A4A5 FF078069 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

8、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： SN1：420A7E00 SN2：420A7E01 SN3：421A7E01,冲突1 选择SN2、SN3,冲突2 选择SN3,POWER OFF状态,IDLE状态,READY状态,ACTIVE状态,HALT状态,RESET,REQUEST 命令,ANTICOLLISION命令 启动防冲突循环 读取卡回送的UID（SN）,HALT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,MIFAR

9、E 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卡的安全特性,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，具有很高的安全性。,（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

10、RA； （C）环 ：Mifare 1卡片收到 TOKEN AB 后，用卡中的密码对TOKEN AB的加密的部分进行解密得到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；若读写器与卡中的密码及加/解密算法一致，将会有RB=RB，校验正确，否则将无法通过校验； （D） 环 ：如果（C）环校验是正确的，则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

11、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，若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，否则将无法通过校验；,（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+RA （C）环 ：Mifare 1卡片对TOKEN B解密： RB=TOKENB异或KEY1=1100=RB，校验正确； （

12、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

13、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,存取控制位的结构,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,存取控制位的结构,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

14、认。,存取控制位对数据块的控制结构,存取控制位的结构,扇区14存取控制字节=EF 07 81 69H 将扇区14块3的内容修改为 FFFFFFFFFFFFEF078169FFFFFFFFFFFF,MIFARE 1卡特点：支持开放环境下的安全可靠应用,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

15、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，打开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0（KEYSET0），密码A（KEY 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

16、、1、2进行读/写操作。记录读取的卡数据，标明各块的类型及卡的类型号、序列号、容量及各扇区的密码和访问权限。 注意：不得随意修改各扇区块3的数据，特别是访问权限字节，以免造成扇区被锁死。,MIFARE 1卡值操作: 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1块0做值块初始化，读出并记录块0数据，说明值块格式；对扇区1块0做加值/减值操作，读出并记录操作结果。,防冲突测试 （1）分别读出并记录二张MIFARE 1卡（分别记为1#卡、2#卡）的序列号，及其扇区0块1的内容，记录在报告上。 （2）将二张MIFARE 1卡同时放置在读写器天线有效工作范围内，在RFDEMO软件中执行读操作，根据读出的SN找出被选中的卡（例如为1#卡）。 （3）在RFDEMO软件中执行写操作，修改扇区0块1的内容并将数据记录在报告上。 （4）将被选中的卡撤离读写器天线有效工作范围，读出另一张卡（例如2#卡）的扇区0块1的内容，并将数据记录在报告上。 （5）取走（4）中的卡，重新读