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1、精品学习资源关于非接触式 IC 智能 射频 卡及其读写设备内核技术的讨论与应用开发上海华东磁记录电子公司张敏前言当今世界上非接触式 IC 智能射频卡 内建 MCU ， ASIC 等）中的主流主要为 PHILIPS 公司的 MIFARE 技术，已 经被制定为国际标准： ISO/IEC14443TYPEA标准 ；欧洲一些较大的IC卡片制造商以及 IC 卡片读写器制造商以及IC 卡片软件设计公司等 例如法国的 GE MPLUS 公司）大都以 MIFARE 技术为标准，而进展和推动IC 卡行业；通过阅读本文，信任有肯定IC卡体会，技术及具有肯定的运算机软/硬件技术 特别是微处理单片机 MCU 技术）的
2、同行定能将本文消化之后而能设计出诸多应用场合的产品，例如，门禁掌握系统卡一 Mifare 1 非接触式 IC 智能射频卡特点Mifare1IC 智能射频 卡的核心是 Philips公司的 Mifare1ICS50-01 ， -02， -03， - 04）系列微模块 卡采纳先进的芯片制造工艺制作；内建有高速的CMOS EEPROM ， MCU 等；卡片上除了 IC 微晶片及一副高效率天线外，无任何其他元件；卡片上无源 无任何电池），工作时的电源能量由卡片读写器天线发送无线电载波信号耦合到卡片上天线而产生电能，一般可达2V 以上，供卡片上 IC 工作；工作频率 13.56MHZ ；Mifare1射
3、频卡所具有的特殊的MIFARERF 射频）非接触式接口标准已被制定为国际标准：ISO/IEC14443 TYPE A 标准；射频卡标准操作距离为 100mm 由MCM500 作为读写器核心模块）和作为读写器核心模块）；与卡片读写器的通信速率高达106Kbit/s ；25mm卡上具有先进的数据通信加密并双向验证密码系统；且具有防重叠功能：能在同一时间处理重叠在卡片读写器天线的有效工作距离内的多张重叠的卡片；Mifare1IC智能 射频 卡与读写器通信使用握手式半双工通信协议；卡片上有高速的CRC 协处理器，符合 CCITT 标准；卡片制造时具有唯独的卡片系列号，没有重复的相同的两张MIFARE
4、卡片；卡片上内建 8K 包括卡片的认证， 6个扇区的读 768bit,2 个扇区的认证）， 2个扇区的写操作 方波ClockDataATRControl &Arithm. Un it整流Modu./DeModu调制/解调AntiCollisionROMRAMSelect ApplicationPOREEP复OR位 电压调剂EnergyAAuctcheesnsticCaotniotrnol&Crypto Unit整个卡片包含了两个部分，RF射频接口电路和数字电路部分；卡片天线一） . RF 射频接口电路在RF射频接口电路中，主要包括有波形转换模块 ；它可将卡片读写器上的13.56MHZ 的无线电
5、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，然后对其整流滤波，由电压调剂模块 对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终输出供应卡片上的各电路；POR 模块 主要是对卡片上的各个电路进行POWER-ON-RESET 上电复位），使各电路同步启动工作；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源当一张 Mifare1卡片处在卡片读写器的天线的工作范畴之内时，程序员掌握读写器向卡片发出REQUEST all或 REQUESTstd命令后，卡片的 ATR 将启动，将卡片 Block0中的卡片类型 TagType）号共 2个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第一步
6、通信联络；假如不进行第一步的 ATR 工作，读写器对卡片的其他操作Read/Write 等）将不会进行；卡片的类型 TagType）号共 2个字节，可能为：0004H2. AntiCollision 模块 ：防止 卡片）重叠功能假如有多张 Mifare1卡片处在卡片读写器的天线的工作范畴之内时，AntiCollision 模块的防重叠功能将被启动工作；在程序员控欢迎下载精品学习资源制下的卡片读写器将会第一与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的系列号；由于Mifare1卡片每一张都具有其唯独的系列号，决不会相同，因此卡片读写器依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A
7、ntiCollision防重叠功能协作卡片上的防重叠功能模块，由程序员来掌握读写器，依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，未被挑选的卡片处于等待状态，随时预备与卡片读写器进行通信；AntiCollision 模块 防重叠功能）启动工作时，卡片读写器将得到卡片的序列号SerialNumber ；序列号 SerialNumber 储备在卡片的 Block0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SerialNumber 的校验字节，这在以后章节中具体论述，包括对序列号Serial Number 的校验方法等；序列号 Serial Number
8、中实际有用的 4个字节，可能为：007e0a42h ；3. Select Application 模块 ：主要用于卡片的挑选；当卡片与读写器完成了上述的二个步骤，程序员掌握的读写器要想对卡片进行读写操作，必需对卡片进行 “Select 操”作；以使卡片真正地被选中；被选中的卡片将卡片上储备在Block0中的卡片的容量 “Size ”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深一步的操作了；例如，可以进行密码验证等等；读写器收到的 “Size ”字节可能为： 88h4. Authentication & Access Control 模块 ：认证及存取掌握模块在确认了上述的三
9、个步骤，确认已经挑选了一张卡片时，程序员对卡片进行读写操作之前，必需对卡片上已经设置的密码进行认证，假如匹配，就答应进一步的Read/Write 操作；Mifare1卡片上有 16个扇区，每个扇区都可分别设置各自的密码，互不干涉；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“一卡通 ”形式来应用；三遍认证 ：如下列图为三遍认证的令牌原理框图；欢迎下载精品学习资源DTOKEN BA欢迎下载精品学习资源认证过程是这样进行的：A ）环：由 Mifare 1 卡片向读写器发送一个随机数据RB ；B ）环：由读写器收到 RB后向 Mifare1卡片发送一个令牌数据 TOKEN AB ，其中
10、包含了读写器发出的一个随机数据RA ；C）环： Mifare1卡片收到TOKENAB后，对 TOKENAB的加密的部分进行解密，并校验第一次由A ）环中 Mifare1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 相一样；D）环：假如 C）环校验是正确的，就Mifare 1 卡片向读写器发送令牌TOKEN BA 给读写器；E）环：读写器收到令牌TOKENBA 后，读写器将对令牌 TOKEN欢迎下载精品学习资源BA 中的 RB 随机数）进行解密；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 相一样；假如
11、上述的每一个环都为“真”，都能正确通过验证，就整个的认证过程将胜利；读写器将能对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区可以进入下一步的操作READ/WRITE等操作）；卡片中的其他扇区由于有其各自的密码，因此不能对其进行进一步的操作；如想对其他扇区进行操作，必需完成上述的认证过程；认证过程中的任何一环显现差错，整个认证将告失败；必需从新开头；假如事先不知卡片上的密码，就由于密码的变化可以极其复杂，因此靠推测密码而想打开卡片上的一个扇区的可能性几乎为零；这里提示一下程序员和卡片的使用者，必需牢记卡片中的16个扇区的每一个密码，否就，遗忘某一扇区的密码，将使该扇区中的数据不能读写；没有任何方法可以挽救这种
12、低级错误；但是，卡片上的其他扇区可以照样使用；上述的表达已经可以充分地说明白Mifare1卡片的高度安全性，保密性，及卡片的应用场合多样性，一卡多用一卡通）；5. Control & Arithmetic Unit掌握及算术运算单元 ：这一单元是整个卡片的掌握中心，是卡片的“头脑 ”；它主要进行对整个卡片的各个单位进行微操作掌握，和谐卡片的各个步骤；同时它仍对各种收/发的数据进行算术运算处理，递增/递减处理， CRC运算处理，等等；是卡片中内建的中心微处理机MCU ）单元；6. RAM/ROM单元 ：RAM 主要协作掌握及算术运算单元，将运算的结果进行临时储备，假如某些数据需要储备到EEPRO
13、M，就由掌握及算术运算单元取出送到EEPROM 储备器中；假如某些数据需要传送给读写器，就由掌握及算术运算单元取出，经过 RF 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；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畴内）将被清除；同时， ROM 中仍固化了卡片运行所需要的必要的程序指令，由掌握及算术运算单元取出去对每个单元进行微指令掌握；使卡片能有条不紊地与卡片的读写器进行数据通信；7. Crypto Unit 数据加密单元 ：该单元完成对数据的加密处理及密码爱护；加密的算法可以为DES标准算法或其他；8. EEPROM INTERFACE/EEPROM MEM
14、ORYEEPROM储备器及其接口电路 ：该单元主要用于储备数据；EEPROM 中的数据在卡片失掉电源后 ；分为 16个扇区；三Mifare 1 IC智能 射频 卡的物理组成及卡片上天线的讨论在卡片上的微晶片外面一般封装了爱护层；爱护层可以防止微晶片被折叠，扭曲等众多对卡片实施非正常的物理性损坏；同时也防止微晶片受到紫外线的辐射，使卡片能长期地被使用；但从电性能的角度来看，由于加入了爱护层，使IC与卡片上的天线组成的振荡回路的频率将发生变化；由于，爱护层给 IC 微晶片增加了一个输入回路电容Cmount ；尽管这个电容只有几个pf至几十个 pf，但对于要求频率精度，稳固度等都很高的非接触式IC
15、智能射频卡来说，也将是很重要的；带爱护层的 IC微欢迎下载精品学习资源Mifare 1 IC 智能 射频 卡卡片上的等效电路如下：RcoilLaCcoilLcoilCpackCicCmountLb不带 IC 微晶片的天线 IC 微晶片整个卡片的自由振荡频率运算方法：Fres=12 * 3.1415926 * Lcoil * Ccoil + Cpack +C ic + C mount 1 / 2欢迎下载精品学习资源说明：其中，Fres ：卡片的振荡频率，应为13.56MHz Rcoil ：天线线圈的电阻，约6.07欧娒Lcoil ：天线线圈的电感，约3.6 H Ccoil ：天线线圈的电容，约5
16、pfCpack ：天线线圈的封装后引入的电容, 约 5pfCic ： IC 微晶片的电容，约16pfCmount ： IC 微晶片的安装后引入的电容, 约几个 pf 几十个 pf La ：天线线圈与 IC微晶片的接触点 aLb ：天线线圈与 IC微晶片的接触点 b欢迎下载精品学习资源天线线圈的电感：Lcoil = 2 * L cm * ln L mm / D mm 1.04 * N pL ：天线线圈一圈的长度N ：天线线圈圈数，一般为4圈D ：天线线圈直径或导体的宽度P ：由天线线圈的技术而定的N的指数因子，如下表所示：欢迎下载精品学习资源P值：天线线圈结构：1.8围绕线圈1.7Etched蚀
17、刻 线圈1.5 1.7印刷电路板线圈上述天线线圈的电感的公式只能作为首次估测之用，实际的天线线圈的电感必需通过仪器测量而定，但偏差不会很大；一般天线线圈的电感: Lcoil 4.2 H,实际中举荐在 3.6 H 左右为最优；天线线圈的品质因数Qcoil ：Qcoil = * Lcoil =2fres =2* 13.56Rcoil RcoilRcoil一般天线线圈的品质因数30 Qcoil 30 后的增加量， 对 卡 片 的 操 作 距 离 的 增 加 无 明 显 帮 助 ； 品质因数Qcoil 必需 11200 mmS总 = S 平均 * N圈欢迎下载精品学习资源2所以 S 平均必需 1120
18、0 mm/ N圈欢迎下载精品学习资源2一般， S 平均= 2778 mm 当卡片上的天线线圈的矩形面积的长X宽 = 40mm X 70 mm 时；2实际中，举荐 S平均在3330mm左右；即，实际设计时，卡片上的天线线圈的矩形面积的长和宽应为：74mm和45mm，天线线圈的圈数N 为 4圈，就这样制作出的卡片将能保证通信的距离；四 Mifare 1 卡片的储备结构Mifare1卡片的储备容量为8192BITX1位字长 即1KX 8位字长），采纳EEPROM 作为储备介质，整个结构划分为16个扇区，编为扇区 015；每个扇区有 4个块Block ） ,分别为块 0,块1,块2和块 3；每个块有
19、16个字节；一个扇区共有16 Byte X 4 =64 Byte ；如下图：扇区 0块 0 厂商标志代码） 块 1块 2块 3A 密码 +存取掌握 +B 密码）扇区1欢迎下载精品学习资源Block 0Block 1Block 2Block 3A 密码 +存取掌握 +B密码）；扇区15；Block 0Block 1Block 2块 3包含了该扇区的密码 A6 个字节 、存取掌握 4个字节 、密码 B6 个字节 ，是一个特别的块；其余三个块是一般的数据块；但扇区 0的块 0是特别的，是厂商代码，已固化，不行改写；其中：第 04个字节为卡片的序列号，第5个字节为序列号的校验码； 第6个字节为卡片的容
20、量 “SIZE ”字节；第7， 8个字节为卡片的类型号字节，即Tagtype字节； 其他字节由厂商另加定义；Mifare1卡片的扇区 0中的块 0位： 76543210C2X3_bC2X2_bC2X1_bC2X0_bC1X3_bC1X2_bC1X1_bC1X0_b C1X3C1X2C1X1C1X0C3X3_bC3X2_bC3X1_bC3X0_b C3X3C3X2C3X1C3X0C2X3C2X2C2X1C2X0 BX7BX6BX5BX4BX3BX2BX1BX0欢迎下载精品学习资源_b 表示取反，如 C2X3_b 即 C2X3 取反； X 表示扇区号； Y 表示第几块； C表示掌握位； B表示备用
21、位；密码 A密码 A存取掌握存取掌握密码 B密码 BC1X3C2X3C3X3readWritereadwritereadwrite000neverKEYA|BKEYA|BneverKEYA|BKEYA|B010neverNeverKEYA|BneverKEYA|Bnever100neverKEYBKEYA|BneverneverKEYB110neverNeverKEYA|Bnevernevernever001neverKEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|B011neverKEYBKEYA|BKEYBneverKEYB101neverNeverKEYA|BKEYBnever
22、never111neverNeverKEYA|Bnevernevernever存取掌握对块 3的掌握如下： X=0-15KEYA|B 表示密码 A 或密码 B； never表示没有条件实现；对数据块的掌握如下表：X=0-15 扇区、 Y= 每个扇区的 0-2块C1XYC2XYC3XYReadWriteIncrementDecr,Transfer,restore000KEYA|BKEYA|BKEYA|BKEYA|B010KEYA|Bnevernevernever100KEYA|BKEYBnevernever110KEYA|BKEYBKEYBKEYA|B001KEYA|BneverneverKEY
23、A|B011KEYBKEYBnevernever101KEYBnevernevernever111Nevernevernevernever块3的初始化值为： a0,a1,a2,a3,a4,a5,ff,07,80,69,b0,b1,b2,b3,b4,b5 共16个字节，其中KEYA 是a0,a1,a2,a3,a4,a5， KEYB 是b0,b1,b2,b3,b4,b5 ，掌握存取的四个字节为0xff,0x07,0x80,0x69；存取掌握位表示如下 请用户去对比上表以确定初始化状态：欢迎下载精品学习资源位： # 76543210Ff h 07h 80h 69h欢迎下载精品学习资源11111111
24、000001111000000001101001程序员可以依据自已应用的具体情形，对不同的扇区可选用不用的存取掌握，不同的密码，但应留意其每一位的格式，以免误用！数据块有两种应用方法，一种是用作一般的数据储存用，直接读写；另一种用法是用作数值块，可以进行初始化值、加值、减值、读值的运算；系统配用相应的函数完成相应的功能；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源MCM 内核技术说明其次章MCM 的硬件内核电路一MCM200/MCM500读写模块说明Mifare Core Module 是MCM 的全称，意为 Mifare 核心模块；Philips 公司的 MCM主要有两种产品型号，为MCM200
25、 和MCM500 ；这两种智能模块均被用于读写Mifare 1非接触式 IC智能射频卡的读写器中，负责读写器中对非接触式IC 智能射频卡片的读写等功能，一般在读写器中仍必需有 MCU 微处理单片机）来对 MCM 进行掌握，及对读写器的其他方面进行掌握，例如对键盘，显示，通信等部分的掌握等等；MCM200 模块主要应用于对卡片操作距离在25mm的卡片读写器中； MCM500 模块主要应用于对卡片操作距离在100mm的卡片读写器中；Mifare 所具有的特殊的 MIFARERF射频）非接触式接口标准已被制定为国际标准：ISO/IEC14443TYPE A 标准；一）； MCM200 模块说明A 特
26、性：1. 标准的双列直插32引脚2. 工作频率： 13.56MHZ3标准的 +5V 电源供电，供电范畴 4.75V 至5.25V4. 典型）电流消耗 40MA ，最大不超过 80MA ，最小 10MA 左右5. 读写卡片距离可达 25MM 以上6. 与卡片的通信速率可达106KBps7. 模块与卡片通信时，数据加密8. 每个扇区设有 3套密码及其认证和密码储备器9. 有防卡片重叠功能10. 16个字节的 FIFO 先进先出）队列接收 /发送缓冲寄存器11. 在模块与卡片通信时自动侦查错误，自动对数据流分析12. 对RF 射频）通道自动监控13. 内建 8位/16位的 CRC协处理器，供应 CR
27、C ， PARITY 等数据校验14. 支持多种方式的活动天线，并且不需“天调系统 ”I/OPU17RXIanalogIanalog2D6I/OPUI/OPU18AGNDSUPPLYSUPPLY3D5I/OPUI/OPU19ACDDSUPPLYSUPPLY4D4I/OPUI/OPU20ANTOO5D3I/OPUI/OPU21NANTOO6D2I/OPUI/OPU22MODEIPUIPU7D1I/OPUI/OPU23USEALEIPUIPU8D0I/OPUI/OPU24ALEIPUIST,PU9BpSUPPLYSUPPLY25A3IPUIST,PU10NPAUSE1OO26A2IPUIST,PU
28、11KOMP1IPUIIST,PU12NRSTII28A0IPUIST,PU13DVDDSUPPLYSUPPLY29NRDIPUIST,PU14DGNDSUPPLYSUPPLY30NWRIPUIST,PU欢迎下载精品学习资源15NIRQOO31NCSIPUIST,PU16TPOanalog32KPROGNCSUPPLY上述表中： I -输入引脚O输出引脚SUPPLY- 电源供电输入I/O输入 /输出双向引脚PU -Internal Pull-up内部有上拉电阻ST- Schmit-Trigger input施密特触发输入C其他说明MCM200 是Philips 公司的产品，另外仍有其他公司与之
29、相兼容的产品；UniVisionEngineeringLimited联视工程有限公司持有 Mifare制造专利，其生产的相当与MCM200 的产品命名为 SB201；SB201与 MCM200 模块在硬件上有一处不同，表现在软件上有一个MODE 方式寄存器的设置不同；SB201的MODE设置为 0xD6H ； MCM200的设置为 0xC6H 这在以后的章节中仍会论述）；除此以外，两者软/硬件 100%全兼容；法国的 GEMPLUS 公司向 PHILIPS 公司购买 MCM 中核心 ASICRC150或RC170 芯片制造的 MCM200 模块及读写器与 MCM200 全兼容等；二） .MCM
30、500 模块说明A. 特性：1. 工作频率： 13.56MHZ2. 标准的 +12V 电源供电，3. 工作频率： 13.56MHZ4. 读写卡片距离可达100MM 以上5. 与卡片的通信速率可达106KBps6. 模块与卡片通信时，数据加密7. 每个扇区设有 3套密码及其认证和密码储备器8. 有防卡片重叠功能9. 16个字节的 FIFO 先进先出）队列接收 /发送缓冲寄存器10. 在模块与卡片通信时自动侦查错误，自动对数据流分析11. 对RF射频）通道自动监控12. 内建 8位/16位的 CRC 协处理器，供应 CRC ，PARITY 等数据校验13. 支持多种方式的活动天线，并且不需“天调系
31、统 ” 当MCU 用 “LOW9 WKOMP1I11KOMP1ICompartor input of RF1RF1的比较器输12N.T.C.13DGND14N.T.C.15DVDD电源供应端 +16CLOCKO/NC17RFVDD18N.T.C.19RFGND20N.T.C.21RxKOMPORF 射频单元的输出信号端；它供应与数字电平兼容的接收信号；其对地RF0的比较器输23RxWKOMPO24WKOMP0I25SYNCO/NC26SYNC0I/NC27TxMODI/NC28MOD0O/NC29RxGATEI/NC10 CSIChip Select 当MCU 用“HIGH欢迎下载精品学习资源
32、30GATE0O/NC31TxNPAUSEICMOS 兼容电平输入信号至 RF 射32NPAUSE0O串行数据输出，驱动RF0 单元，该引脚必需连到RF 单元的TxNPAUSE 端；该33A0I34D0I/O35A1I36D1I/O37A2I38D2I/O39A3I40D3I/O41ALEI42D4I/O43USEALEI挑选器：44D5I/O45NIRQO当该端为 “ LOW”时，通知 MCU应当按评估MCM 的46D6I/O47BP后备48D7上述表中：I/OI -输入引脚O -输出引脚SUPPLY- 电源供电输入I/O输入 /输出双向引脚PU -Internal Pull-up内部有上拉
33、电阻NC该引脚临时未使用上述 MCM500 引脚功能说明表中，与MCM200 引脚定义相一样的，同样适用与对MCM200 的引脚说明；C其他说明MCM500 是Philips 公司的产品，另外仍有其他公司与之相兼容的产品；UniVisionEngineeringLimited联视工程有限公司持有 Mifare制造专利，其生产的相当与MCM200 的产品命名为 SB601；SB601与 MCM500 模块在硬件上有一处不同，表现在软件上有一个MODE 方式寄存器的设置不同；SB601的MODE设置为 0xD6H ； MCM500的设置为 0xC6H 这在以后的章节中仍会论述）；除此以外，两者软/硬件 100%全兼容；这一点与上述的MC M200 模块 /SB201模块相一样；法国的 GEMPLUS 公司向 PHILIPS 公司购买 MCM 中核心 ASICRC150或RC170 芯片制造的 MCM500 模块及读写器与 MCM500 全兼容；等等；二 MCM 的硬件内核寄存器描述MCU 是通过对 MCM 内核特别的内存 寄存器 的读写来掌握 MCM 的；这些 寄存器 位于 MCM 中的 ASIC 特别应用 IC ） 的内部；共有 16个寄存器 可存取；在对 MCM 进行读 /写操作时，各 寄存器 担负着不同的功能和作用,并且不是全部的寄存器都是