关于非接触式IC智能(射频)卡及其读写设备内核技术的研究与应用开发.docx
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1、关于非接接触式IIC智能能(射频)卡及其读写写设备内内核技术术的研究究与应用用开发上海华华东磁记记录电子子公司张张敏前言当今世世界上非非接触式式IC智能能射频卡卡(内建建MCUU,ASIIC等)中中的主流流主要为为PHIILIPPS公司司的MIIFARRE技术术,已经经被制定定为国际际标准:ISOO/IEEC 1144443 TTYPEE A标标准。欧欧洲一些些较大的的IC卡片片制造商商以及IIC卡片片读写器器制造商商以及IIC卡片片软件设设计公司司等(例例如法国国的GEEMPLLUS公公司)大大都以MMIFAARE技技术为标标准,而而发展和和推进IIC卡行行业。通过阅读读本文,相相信有一一定
2、ICC卡经验验,技术术及具有有一定的的计算机机软/硬件技技术(尤尤其是微微处理单单片机MMCU技技术)的的同行定定能将本本文消化化之后而而能设计计出诸多多应用场场合的产产品,例例如,门门禁控制制系统(Door Access System),高速公路不停车收费系统,停车场收费管理系统,地铁非接触式IC智能射频卡的“刷卡”读写器,机关/企业内部考勤管理系统,医疗保险管理系统,公共交通收费管理系统,出租车收费管理系统,银行服务“一卡通”等等。第一章 MMifaare 1 非非接触式式IC智能能(射频)卡一 MMifaare 1非接接触式IIC智能能射频卡卡特点Mifaare 1 IIC智能能(射频)
3、卡的核核心是PPhillipss 公司司的Miifarre 11 ICC S550(-011,-022,-033,-044)系列列微模块块(微晶晶片)。它它确定了了卡片的的特性以以及卡片片读写器器的诸多多性能。Mifaare 1 IIC智能能(射频)卡采用用先进的的芯片制制造工艺艺制作。内内建有高高速的CCMOSS EEEPROOM,MCUU等。卡卡片上除除了ICC微晶片片及一副副高效率率天线外外,无任任何其他他元件。卡片上无无源(无无任何电电池),工工作时的的电源能能量由卡卡片读写写器天线线发送无无线电载载波信号号耦合到到卡片上上天线而而产生电电能,一一般可达达2V以上上,供卡卡片上IIC工
4、作作。工作作频率 13.56MMHZ。Miffaree 1射射频卡所所具有的的独特的的MIFFAREE RFF(射频频)非接接触式接接口标准准已被制制定为国国际标准准:ISSO/IIEC 144443 TYPPE AA 标准准。射频卡标标准操作作距离为为1000mm(由由MCMM5000 作为为读写器器核心模模块)和和25 mm (由MCCM2000 作作为读写写器核心心模块)。与卡片读写器的通信速率高达106Kbit/s。Miffaree 1 IC智智能(射频)卡上具具有先进进的数据据通信加加密并双双向验证证密码系系统;且且具有防防重叠功功能:能能在同一一时间处处理重叠叠在卡片片读写器器天线
5、的的有效工工作距离离内的多多张重叠叠的卡片片。Miffaree 1 IC智智能(射频)卡与读读写器通通信使用用握手式式半双工工通信协协议;卡卡片上有有高速的的CRCC协处理理器,符符合CCCITTT标准。卡片制造造时具有有唯一的的卡片系系列号,没没有重复复的相同同的两张张MIFFAREE 卡片片。卡片上内内建8KK(bitt) EEEPROOM存储储容量并并划分为为16个扇扇区,每每个扇区区划分为为4个数据据存储块块,每个个扇区可可由多种种方式的的密码管管理。卡片上还还内建有有增值/减值的的专项的的数学运运算电路路,非常常适合公公交/地铁等等行业的的检票/收费系系统。典典型的检检票交易易时间最
6、最长不超超过1000mss(0.1秒)(包括括卡片的的认证,6个扇区的读(768bit,2个扇区的认证),2个扇区的写操作(256bit)。卡片上的的数据读读写可超超过100万次以以上;数数据保存存期可达达10年以以上,且且卡片抗抗静电保保护能力力达2KKV以上上。二 MMifaare 1非接接触式IIC智能能射频卡卡功能组组成如图所示示为MIIFARRE 11 S550非接接触式IIC智能能射频卡卡的功能能组成图图。MIFARE 1 S50 CARD IC Clock Data Energy波形转换正弦=方波整流电压调节Modu./DeModu调制/解调 POR (复位)EEPORAntiC
7、ollisionATRDigital Section 数字电路部分Select ApplicationAuthentication & Access ControlControl &Arithm. Unit ROMCrypto UnitRAMRF-Interface 射频接口电路卡片天线整个卡片片包含了了两个部部分,RRF射频频接口电电路和数数字电路路部分。(一). RRF射频频接口电电路在RF射射频接口口电路中中,主要要包括有有波形转转换模块块。它可可将卡片片读写器器上的113.556MHHZ的无无线电调调制频率率接收,一一方面送送调制/解调模模块,另另一方面面进行波波形转换换,将正正弦波转
8、转换为方方波,然然后对其其整流滤滤波,由由电压调调节模块块对电压压进行进进一步的的处理,包包括稳压压等,最最终输出供供给卡片片上的各各电路。POR模模块主要要是对卡卡片上的的各个电电路进行行POWWER-ON-RESSET(上上电复位位),使使各电路路同步启启动工作作。(二)。在数字电路部分模块中:1 ATTR模块块:Ansswerr too Reequeest(“请求求之应答答“)当一张MMifaare 1卡片片处在卡卡片读写写器的天天线的工工作范围围之内时时,程序序员控制制读写器器向卡片片发出RREQUUESTT alll(或或REQQUESST sstd) 命令令后,卡卡片的AATR将将
9、启动,将将卡片BBlocck 00 中的的卡片类类型(TTagTTypee)号共共2个字节节传送给给读写器器,建立立卡片与与读写器器的第一一步通信信联络。如果不进进行第一一步的AATR工工作,读读写器对对卡片的的其他操操作(RReadd/Wrritee等)将将不会进进行。卡片的类类型(TTagTTypee)号共共2个字节节,可能能为:000044H2AAntiiColllissionn模块:防防止(卡卡片)重重叠功能能如果有多多张Miifarre 11卡片处处在卡片片读写器器的天线线的工作作范围之之内时,AntiCollision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
10、与每一张卡片进行通信,取得每一张卡片的系列号。由于Mifare 1卡片每一张都具有其唯一的系列号,决不会相同,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MCM中的AntiCollision防重叠功能配合卡片上的防重叠功能模块,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。AntiiColllissionn模块(防防重叠功功能)启启动工作作时,卡卡片读写写器将得得到卡片片的序列列号Seeriaal NNumbber。序序列号SSeriial Nummberr存储在在
11、卡片的的Bloock 0中,共共有5个字节节,实际际有用的的为4个字节节,另一一个字节节为序列列号Seeriaal NNumbber的的校验字字节,这这在以后后章节中中详细论论述,包包括对序序列号SSeriial Nummberr的校验验方法等等。序列号SSeriial Nummberr中实际际有用的的4个字节节,可能能为:0007ee0a442h 。3Seelecct AAppllicaatioon 模模块:主主要用于于卡片的的选择。当卡片与与读写器器完成了了上述的的二个步步骤,程程序员控控制的读读写器要要想对卡卡片进行行读写操操作,必须须对卡片片进行“Sellectt” 操操作。以以使卡片
12、片真正地地被选中中。被选中的的卡片将将卡片上上存储在在Bloock 0中的的卡片的的容量“Sizze” 字节传传送给读读写器。当当读写器器收到这这一字节节后,将将明确可可以对卡卡片进行行深一步步的操作作了。例例如,可可以进行行密码验验证等等等。读写器收收到的“Sizze” 字节可可能为:88hh4Auutheentiicattionn & Acccesss Coontrrol 模块:认证及及存取控控制模块块在确认了了上述的的三个步步骤,确确认已经经选择了了一张卡卡片时,程程序员对对卡片进进行读写写操作之之前,必必须对卡卡片上已已经设置置的密码码进行认认证,如如果匹配配,则允允许进一一步的RRe
13、add/Wrritee操作。Mifaare 1 卡片上上有166个扇区区,每个个扇区都都可分别别设置各各自的密密码,互互不干涉涉。因此此每个扇扇区可独独立地应应用于一一个应用用场合。整整个卡片片可以设设计成“一卡通通”形式来来应用。三遍认证证:如图所示示为三遍遍认证的的令牌原原理框图图。Mifare 1 卡片非接触式卡片读写器(A)RRB (E)(B)TOKKEN AB (C) (DD)TOOKENN BAA认证过程程是这样样进行的的:(A)环环:由Miifarre 11卡片向读读写器发发送一个个随机数数据 RRB;(B)环环:由读读写器收收到RBB后向Miifarre 11卡片发发送一个个令
14、牌数数据TOOKENN ABB,其中中包含了了读写器器发出的的一个随随机数据据 RAA;(C)环环:Miffaree 1卡卡片收到到 TOOKENN ABB 后,对对TOKKEN AB 的加密密的部分分进行解解密,并并校验第第一次由由(A)环中中Miffaree 1卡卡片发出出去的随随机数RRB是否否与(BB)环中中接收到到的TOOKENN ABB中的RBB相一致致;(D) 环:如果(CC)环校校验是正正确的,则则Miffaree 1卡卡片向读读写器发发送令牌牌TOKKEN BA给给读写器器;(E)环环:读写写器收到到令牌TTOKEEN BBA后,读读写器将将对令牌牌TOKKEN BA中中的R
15、BB(随机机数)进进行解密密;并校校验第一一次由(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;如果上述述的每一一个环都都为“真”,都能能正确通通过验证证,则整整个的认认证过程程将成功功。读写写器将能能对刚刚刚认证通通过的卡卡片上的的这个扇扇区可以以进入下下一步的的操作(READ/WRITE 等操作)。卡片中的的其他扇扇区由于于有其各各自的密密码,因因此不能能对其进进行进一一步的操操作。如如想对其其他扇区区进行操操作,必必须完成成上述的的认证过过程。认证过程程中的任任何一环环出现差差错,整整个认证证将告失失败。必必须从新新开始。如果事先先不知卡卡片上的
16、的密码,则则由于密密码的变变化可以以极其复复杂,因因此靠猜猜测密码码而想打打开卡片片上的一一个扇区区的可能能性几乎乎为零。这里提醒醒一下程程序员和和卡片的的使用者者,必须须牢记卡卡片中的的16个扇扇区的每每一个密密码,否否则,遗遗忘某一一扇区的的密码,将将使该扇扇区中的的数据不不能读写写。没有有任何办办法可以以挽救这这种低级级错误。但但是,卡卡片上的的其他扇扇区可以以照样使使用。上述的叙叙述已经经可以充充分地说说明了MMifaare 1 卡卡片的高高度安全全性,保保密性,及及卡片的的应用场场合多样样性,一一卡多用用(一卡卡通)。5Coontrrol & AAritthmeeticc Unnit
17、 控制及及算术运运算单元元:这一单元元是整个个卡片的的控制中中心,是是卡片的的“头脑”。它主主要进行行对整个个卡片的的各个单单位进行行微操作作控制,协协调卡片片的各个个步骤;同时它它还对各各种收/发的数数据进行行算术运运算处理理,递增增/递减处处理,CCRC运运算处理理,等等等。是卡卡片中内内建的中中央微处处理机(MCU)单元。6RAAM/RROM 单元:RAMM主要配配合控制制及算术术运算单单元,将将运算的的结果进进行暂时时存储,如如果某些些数据需需要存储储到EEEPROOM,则则由控制制及算术术运算单单元取出出送到EEEPRROM存存储器中中;如果果某些数数据需要要传送给给读写器器,则由由
18、控制及及算术运运算单元元取出,经经过RFF射频接接口电路路的处理理,通过过卡片上上的天线线传送给给卡片读读写器。RAM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,RROM中中还固化化了卡片片运行所所需要的的必要的的程序指指令,由由控制及及算术运运算单元元取出去去对每个个单元进进行微指指令控制制。使卡卡片能有有条不紊紊地与卡卡片的读读写器进进行数据据通信。7Crryptto UUnitt 数据据加密单单元:该单元完完成对数数据的加加密处理理及密码码保护。加加密的算算法可以以为DEES标准准算法或或其他。8EEEPRROM INTTERFFACEE/EEEPROO
19、M MMEMOORY EEEPRROM存存储器及及其接口口电路:该单元主主要用于于存储数数据。EEEPRROM中中的数据据在卡片片失掉电电源后(卡卡片离开开读写器器天线的的有效工工作范围围内)仍仍将被保保持。用用户所要要存储的的数据被被存放在在该单元元中。MMifaare 1卡片片中的这这一单元元容量为为81996biit(11 Kbbytee)。分分为166个扇区区。三 Miffaree 1 IC智智能(射频)卡的物物理组成成及卡片片上天线线的研究究在卡片上上的微晶晶片外面面一般封封装了保保护层。保保护层可可以防止止微晶片片被折叠叠,扭曲曲等众多多对卡片片实施非非正常的的物理性性损坏。同同时
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- 关于 接触 IC 智能 射频 及其 读写 设备 内核 技术 研究 应用 开发
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