基于单片机的IC卡读写系统设计

摘? 要? 以AT89C52单片机作为微控制器,基于MFRC500模块设计了非接触式IC卡读写器. 阐述了该系统的组成、工作原理以及相应的软硬件设计. 实践证明,该读写器运行稳定. 非接触式IC卡是IC卡领域的一项新兴技术，它是射频识别技术和IC卡技术相结合的产物。由于非接触式IC卡具有操作快捷、抗干扰性强、工作距离远、安全性高、便于“一卡多用”等特点，在自动收费、身份识别和电子钱包等领域具有接触式CI卡所无法比拟的优越性，具有广阔的市场前景。非接触式IC卡读卡器是非接触式IC卡应用系统的关键设备之一。本课题开发了一种读写距离为20~l00mm的非接触式IC卡读卡器，它可以应用于门禁控制、电子消费场合,如食堂售饭、公交和地铁电子售票等场合。 关键字：AT89C52，MFRC500，IC，读卡器 前言 1.1课题研究背景和意义 IC卡是集成电路卡(Integrated Circuit Card)的英文简称，在有些国家也称之为智能卡、智慧卡、微芯片卡等，IC卡是在较为原始的磁卡的基础上发展起来的，它的最初设想是由日本人提出来的。1969年12月，日本的有村国孝(Kunitka Arimura)提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并于1970年获得专利，那时叫ID卡(Identification Card)。1974年，法国的罗兰·莫雷诺(Roland Moerno)发明了带集成电路芯片的塑料卡片，并取得了专利权，这就是早期的IC卡。1976年法国布尔(Bull)公司研制出世界第一枚IC卡。早期的IC卡是接触式的，它有其本身不可克服的缺点，如接触磨损、交易速率慢、难以维护、基础设施投入大等。随着信息业和服务业的全球化，在一些场合，对信息载体的便携性、安全性及易用性等方面提出更高的要求，于是非接触式IC卡以其无机械磨损、容易维护、方便使用等优点，成为IC卡中潜力最大的新军而备受国内外业界的瞩目。非接触式IC卡是当今世界先进的射频技术和IC卡技术相结合的产物，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术和IC技术结合起来，解决了无源(卡中无电源)和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破，使卡片在靠近读写器表面时即可完成卡中数据的读写操作。非接触式IC卡一经问世，便立即引起广泛的关注。非接触式IC卡操作方便、快捷、抗干扰性高、可靠性高、安全性高的特点，使得它在一些接触式IC卡不适用或者无法使用的场所，具有无可比拟的优势，被广泛应用于电子钱包、铁路、地铁、公交、轮渡、高速公路、一般路桥收费、食堂售饭收费、门禁系统、考勤系统、身份证等领域。目前非接触式IC卡有很多不同的标准，如ISO14443A和ISO14443B等，符合不同标准的卡片在不同的领域内相互渗透和竞争。卡片类型的多样性决定了读卡器的多样性，而市场的多样性则决定了，即使是同类型的应用，也可能使用不同类型的卡片，若读卡器只能读取某一种类型的卡片，那么在处理这个应用时5，必将需要多台读卡器，造成资源的重复浪费，这样的读卡器必将不能适应市场的需求，这就对读卡器的读卡能力提出了更高的要求。设计出一种能读取多种类型卡片的读卡器，既是市场应用的需求，也是未来的发展趋势。目前，读卡器已经开始大量应用于各种“一卡通”系统中，这些应用对读卡器的功能要求越来越高，除了传统的对卡号的读取之外，需要能够对卡片进行更高层的数据操作，与PC设备之间能进行信息交流。为了适应这种发展趋势，非接触式IC卡的读卡器的开发与设计也迅速发展起来。 1.2国内外现状和发展趋势 智能卡的发展历史并不久远，且全球各地发展不均衡，其中欧洲发展早、最好。在中国，智能卡在各种应用领域全面开花，目前超过10个政府和行业推广应用了智能卡。近年来，中国的发卡量年增长率达到30%至40%已成为世界智能卡应用发展最快的国家之一。据Innovatnin国际发明组织统计，1988年10月到1989年9月全世界IC卡硬件产业中，IC卡及其读写设备数量分别为4200万张和87700台，其中法国分别占98%和71%，处于世界领先地位。目前，法国生产制造的IC卡不仅在数量上领先各国，其应用领域也灵活多样，如在金融、电信、医疗、保险、旅游、游戏和交通运输等各个领域都有IC卡的应用。’其中，电子金融卡及电话卡己达到经济生产规模。我国对IC卡行业的发展始于1993年左右，当时的中央领导特别是江泽民同志高度重视IC卡行业，高瞻远瞩，指示要发展我国自己的IC卡事业，建立“金卡工程”。虽然至今也只有短短的十几年左右时间，但已取得了不小的成就。目前在我国，随着金卡工程建设的不断深入发展，IC卡己在众多领域获得广泛应用，并取得了初步的社会效益和经济效益。2000年，全国IC卡发行量约为2.3亿张，其中电信占据了大部分市场份额。公用电话IC卡1.2亿多张，移动电话SIM卡超过4200万张，其它各类IC卡约6000万张。2001年IC卡总出货量约3.8亿张，较上年增长26%;发行量约3.2亿张，较上年增长40%。从应用领域来看，公用电话IC卡发行超过1.7亿张，SIM卡发行5500万张，公交IC卡为320万张，社保领域发卡为1400万张，其它发卡为8000万张。已研制成功我国自主版权的较大容量的存储卡，逻辑加密卡等。 1.3技术发展综述 当今卡片冲刺生活的时代，非接触式IC卡代表了卡行业的发展方向。非接 触式IC卡采用射频识别技术，该技术是一种利用电磁波进行信号传输识别的方 法。非接触式IC卡与传统的接触式IC卡相比，它在继承了接触式IC卡的优点的同时，如大容量、高安全性等，又克服了接触式所无法避免的缺点，如读写故障率高，由于触点外露而导致的污染、损伤、磨损、静电以及插卡这个不便的读写过程等。非接触式IC卡完全密封的形式及无接触的工作方式，使之不受外界不良因素的影响，从而使用寿命完全接近IC芯片的自然寿命，因而卡本身的使用频率和期限以及操作的便利性都大大的高于接触式IC卡。同时，非接触IC卡国际标准ISO/IEC14443、ISO/15693等的诞生，使之兼容接触式IC卡，从而为非接触式IC卡带来了无穷无尽的潜力。随着非接触式IC卡的广泛应用，这种技术得到了迅速的发展，从目前看来，非接触式IC卡主要有以下几个发展趋势。 (1)大容量 社会对“一卡多用”的迫切需求使得目前非接触式IC卡内8~16K存储容量远远不能满足要求。将来用户携带的一张IC卡内可以有多个分区，用作电子钱包、电子车票、身份证和护照等电子个人身份识别、电子医疗档案、工作证、保险证以及电话付费等许多领域，这必将促使卡内存储器的容量向更大的方向发展。除了目前已经广泛使用的EEPROM存储器，国外一些公司也开发了一些新的存储器技术，比如Flash+技术和铁电技术，铁电存储器(FeARM)有望成为未来IC卡行业使用的主要存储器。 (2)更强的处理能力 IC卡在各个领域的广泛应用对其处理能力提出了更高的要求，提高处理能 力的方法有两种，一是借助于具有扩展寻址模式的先进指令组，它能提高翻译机和编译器的效率;二是向更高的具有32位数据通路的MCU，技术的进步还可以使内部时钟频率从5Hz增加到10MHz。 (3)高安全性 高安全性是IC卡最大的特点之一，但IC卡的发展使得用户对其安全性提出了更高的要求。这一方面体现在使用更加复杂的加密方式令破译更加困难，另一方面体现在提高卡内微处理器的速度及增加以M的容量使得加密过程更加短暂，以便节省用户时间。这要求未来的IC卡使用更强计算能力的处理器来支持，这不仅对于支持嵌入式固件特别重要，而且对于确保其应用程序在一个安全的环境中装载和运行也及其重要，具有512位或1024位的公开密钥计算能力的加密协处理器将能满足更高的安全性要求。 (4)低功耗 无论非接触式IC卡的内部带不带电池，卡内芯片的低压低功耗设计都是非常重要。对于有源非接触式IC卡可以延长电池的使用时间，即延长卡的使用寿命;对于无源非接触式IC卡可以增加卡的工作距离。 (5)远距离 由于远距离卡在使用速度和方便性上都超过了近距离卡，使其成为非接触式IC卡发展的必然趋势。 (6)发展复合式IC卡 复合式卡也成为双界面卡，既有触点也有天线，所以既能提供接触式使用， 又能提供非接触式使用，使用更加灵活方便。现在很多国际大公司都开发成功 了双界面IC卡，并已投入使用。 1.4卡安全性研究现状 随着IC卡应用范围的不断扩大，而且在大多数的应用中，IC卡是作为敏感 数据的载体或是用作电子钱包进行商务和交易活动。因此，为了谋取非法的利益，针对IC卡的各种各样的攻击性的犯罪现象己经出现，而且有增长的趋势，IC卡应用系统又是一个开放式的系统，任何一个人都可以轻易的获得某一个应用系统中的卡，并将其拿去进行详细的分析，因此CI卡的安全和保密性就显得日益重要。根据各种攻击所采用的手段和攻击的对象的不同，我们一般可以把它们归纳为以下四种方式: ⑴第一种行为是直接对CI卡进行物理攻击，获得CI卡后，取出芯片，利 用各种手段分析其中的数据，例如对数据在加密算法的运行中引起的电流/电压 变化进行分析的DPA方法，利用紫外线直接照射E2PROM擦除安全保护字节等。 ⑵第二种行为是使用伪造的IC卡，以期进入某一系统。 ⑶用户进入系统，对系统进行实质上未经授权的访问。 ⑷第四种行为则是一种主动攻击方式，它是直接对IC卡与外部通信时所交 换的信息流进行截听、修改等非法攻击，以谋取非法利益或破坏系统。针对上述的攻击行为，为了保证IC卡应用系统的安全，各国的研究人员都在致力于研究各种类型的安全保密措施，对于第一种攻击，关键的防范措施在于集成电路制造技术的提高，使IC卡芯片可以防止外界对其进行分析和非法的物理修改，这种攻击只能在设备很好的实验室里进行，因此攻击的代价很高，在一般的IC卡应用系统中，这种攻击行为几乎不会出现。在应用层次上，我们主要考虑的是后面三种攻击方式，它们是IC卡应用系统中比较容易实施也很常见的攻击方式，因此它们是IC卡应用系统安全性研究的主要内容。 1.5 本文主要研究内容 1)以MF RC500为核心，结合AT89C52、液晶屏、x5045等设计了一套单片机控制IC操作的控制系统，其中包括了读写器、液晶屏、键盘接口等软硬件的设计。 2)系统的对MF RC500芯片的操作流程进行研究，并使用C51语言开发了读写器的底层控制软件，并把对卡的不同的操作编成子程序模块，方便系统升级。 3)对适用于短波射频系统的小环天线进行了设计。 4)对系统与PC机进行交互进行了研究。采用MAX232电平转换芯片，实现系统的主控单元AT89C52与PC机的通信。 2 射频原理 2.1射频识别技术简介 射频识别技术(Redio Frequence Identification:RFID)是从八十年代逐渐兴起的一项识别技术。它是利用电磁感应、无线电波或微波进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。应当注意的是当前的RFID系统有很多工作频段，包括了低频、高频和超高频段。工作原理也不尽相同，有的是利用近场的电磁感应(所以有人把射频卡称作感应卡)，有的是利用电磁波发射。和同期或早期的接触式识别技术不同，RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可完成识别，因此它可实现多目标识别、运动目标识别。另外不象IC卡那样有电触点暴露在外，射频卡是将芯片完全封装在内的，因此可以使用在比较恶劣的环境。总之，RFID系统可在更广泛的场合中应用。 2.2射频识别系统的典型结构 射频识别系统的典型结构见图2.1主要是由两部份组成:读写器和射频卡。读写器同射频卡之间通过无线方式通讯，因此它们都有无线收发模块及天线(或感应线圈)。射频卡中有存储器，内存容量为几个比特到几十千比特。可以存储永久性数据和非永久性数据。永久性数据可以是射频卡序列号，它是用来作为射频卡的唯一身份标识，不能更改;非永久性数据写在EEPROM等可重写的存储器内，用以存储用户数据。射频卡可以根据读写器发出的指令对这些数据进行相应的实时读写操作。控制模块完成接收、译码及执行读写器的命令，控制读写数据，负责数据安全等功能。射频卡有无源卡与有源卡两种，有源卡内置天线和电池，而无源卡只有内置天线没有电池，其能量由读写器提供，由于无源卡无需电池因此其尺小。