基于射频卡的多用户识别单元软件设计文档格式.docx

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ICCard;

Contactless;

RFID;

CardReader

目录

1引言1

1.1课题背景1

1.2本课题的任务1

2非接触式IC卡识别技术2

2.1非接触式IC卡技术2

2.2射频识别技术3

2.2.1系统管理层3

2.2.2接口层3

2.2.3从动应答子系统（应答器）4

3基于MIFARE非接触式IC卡的多用户识别单元的软件设计4

3.1主程序设计4

3.1.1工作流程4

3.1.2主程序设计5

3.2读卡器应用程序设计6

3.2.1MFCM200指令6

3.2.2MFCM200指令程序设计7

3.3单片机控制电路的应用程序设计11

3.3.1LED状态显示程序设计11

3.3.2蜂鸣器驱动程序设计12

3.3.3RS232通信程序设计12

3.3.4看门狗程序设计14

结束语17

参考文献17

附录18

致谢27

1引言

1.1课题背景

智能卡的名称来源于英文名词“Smartcard”,又称集成电路卡，即IC卡（IntegratedCircuitCard）。

它将一个集成电路芯片镶嵌与塑料基片中，封装成卡的形式，其外形与覆盖的磁条相似。

IC卡的概念是70年代初提出来的，法国布尔（BULL）公司与1976年首先创造出IC卡产品，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、身份证明等多个行业，它将微电子技术和计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度。

当前，用于信息处理的卡片种类繁多，而且基本上都采用了较新的技术，IC卡脱颖而出的原因在于它对与磁卡、PET卡、关卡和凸字卡等其它种类的卡具有一下突出的特点：

（1）存储容量大，其内部有RAM、ROM、ROM、EEPROM等存储器，存储容量可以达到几兆甚至十几兆字节；

（2）体积小、容量轻、抗干扰能力强、便于携带；

（3）安全性高。

IC卡从硬件和软件等几个方面实施其安全策略，可以控制卡内不同区域的存取特性。

存储器本身具有控制密码，非法试图对之解密则卡片自毁，即不可进行读写；

（4）对网络的要求不高。

IC卡极高的安全可靠性使其在应用中对计算机网络的实时性、敏感性要求低，有利于在网络质量不高的环境中应用。

正是由于这些特点，使得IC卡从诞生至今虽然只有短短数年，但其市场却遍布世界各地。

IC卡目前已在商贸、交通、电信、医疗、卫生保健、金融、税务、工商、公安、组织机构代码和城市公共事业管理等许多领域得到广泛应用，并取得了初步的社会和经济效益。

它对提高现代化管理水平和人民的生活质量，推动整个社会信息化进程有重要作用。

本课题正是在这种环境下提出的。

1.2本课题的任务

非接触式多用户识别系统通过射频信号传输完成卡片、读卡器等设备之间的数据交换，实现多目标识别的功能。

系统主要由控制器（PC机等）、读卡器终端和非接触式智能卡（A型或B型）组成。

通常，读卡器与控制器之间通过串口进行通信，读卡器与智能卡之间通过高频接口，在某工作频率（如13.56MHz）下、以半双工方式传输数据。

多用户射频识别系统实现的关键是一个非接触式IC卡读写器的设计，它必须能够执行防重叠选择，读卡模块通过和上位机通信（RS232串口），由PC程序对选中的卡执行读卡命令，然后按照防重叠机理，执行多卡的读卡程序，完成多用户的识别。

非接触式IC卡读卡器结构框图如图1所示。

在本课题中，非接触式IC卡读卡器的设计是根据ISO14443TypeA协议，并通过非接触式IC卡读写器核心读写模块MFCM200和单片机来实现的，主要侧重于软件的设计，整个系统的软件设计主要包括三个部分，即主程序的设计、读卡器应用程序的设计、单片机控制电路的应用程序设计。

对读卡器应用程序的设计既是对MFCM200操作指令的程序设计；

单片机控制电路的应用程序的设计包括LED状态显示程序设计、蜂鸣器程序设计、RS232通信程序设计以及看门狗程序设计。

该读卡器具有以下特点：

（1）典型读写距离为20-25MM

（2）配有RS232通讯接口，便于同上位机通讯

（3）小巧，价格便宜

图1非接触式IC卡读卡器结构框图

2非接触式IC卡识别技术

非接触式IC卡是射频技术与IC卡技术相结合的产物，它与接触式IC卡的最大区别是它没有机械触点，通过无线方式与读写设备进行通信，它成功解决了卡内无源和免接触这一难题。

2.1非接触式IC卡技术

目前国际是具有代表性的两大非接触式IC卡技术是LEGIC技术和MIFARE技术。

LEGIC技术是由瑞士KABA公司提供的非接触式IC卡读写技术，MIFARE技术是由PHILIPS公司提供的非接触式IC卡读写技术。

MIFARE技术是采用13.56MHZ的近距离非接触式IC卡通讯频率标准，在通讯安全上采用符合ISO9798国家标准的3次互感校验技术，以对卡和读写设备的合法性进行相互校验；

在数据通讯上采用DSA算法对通讯数据进行加密，以确保卡上的数据不被非法的修改。

MIRARE采用密码读写控制方式，即读写设备的监控程序要掌握相应的系统密码才能对IC卡内的数据进行不同操作（如读、写、增值、减值等）。

其读写模块与监控计算机之间采用符合单片机外部总线标准的并行标准，读写过程可由监控程序逐步控制。

在防冲撞功能上，MIFARE允许多卡同时进入读写范围，再由读写设备逐一处理。

2.2射频识别技术

射频识别技术是在射频技术、通信技术、计算机技术等现代信息技术发展的基础上与20世纪80年代中期问世的。

自出现以来，由于它极大加速了信息的收集和处理，近年来获得迅速的发展。

自传统的条码或磁条识别技术相比，射频识别技术具有非接触、作用距离远、精度高、信息的收集和处理快捷灵活及较好的应用环境适应性等一系列的优点，在工业自动化、商品控制、交通运输控管等众多领域得到广泛的发展。

一个完整的射频识别系统通常包括两个部分，一是主动询问子系统（寻呼器），二是从动应答子系统（应答器）。

其中主动询问子系统从基本功能上又可分为两个层次：

系统管理层和接口层。

从动应答子系统就是通常意义的用户射频识别IC卡，即非接触式IC卡。

射频识别系统的结构框图如图2所示。

图2多用户射频识别系统的结构框图

2.2.1系统管理层

系统管理层一般设于IC卡发放、管理部门。

主要负责射频IC卡的几种管理，完成IC卡内相关信息的处理，如读卡、写卡、卡内信息修改、IC卡注销、IC卡信息查询、打印、数据统计等等。

另外，系统管理层还负责IC卡内信息的安全保密。

系统管理层主机可为通用PC机、工作站或服务器等。

2.2.2接口层

接口层负责射频识别IC卡和管理主机的信息交换和传输，其功能通常由非接触式IC卡读卡器或IC卡应用终端具体实现。

接口层主要负责完成以下主要功能：

IC卡进出控制、IC卡电源供给（对于无源非接触式IC卡）、IC卡与应用终端之间信息联络与处理及与管理层主机通讯等。

非接触式IC卡读卡器通常包括收发模块、控制模块（单片机）、主控机和单片机之间的接口模块以及天线系统。

相应涉及到射频无线收发技术、天线技术、单片机信息处理和控制技术。

2.2.3从动应答子系统（应答器）

从动应答子系统即非接触式IC卡，是整个射频识别系统中关键的组成部分。

通常应答器由耦合元件以及微电子芯片组成。

应答器的主要组成、功能及应用特点如下：

（1）具有信息存储、处理能力，它是射频识别系统真正的数据载体；

（2）可接收、发射无线信号、外围器件少、功耗低、能在低电压下工作；

（3）依据不同需要具有天线、射频/微波探测器、调制器、解调器、控制逻辑及存储器等部件；

（4）有的应答器具有电池或外接电源，有的没有电源，有寻呼器通过无线方式对其供电，其中无内部电源的应答器在非接触式IC卡上应用较多；

（5）体积小巧、结构多样、有圆形、方形、笔形及片形等多种形状，适合不同应用；

（6）多种工作距离。

3基于MIFARE非接触式IC卡的多用户识别单元的软件设计

软件设计分为三部分，即主程序的设计、读卡器应用程序的设计、单片机控制电路应用程序设计。

读卡器应用程序的设计即是对MFCM200操作指令的程序设计；

单片机控制电路应用程序的设计包括LED状态显示程序设计、蜂鸣器程序设计、RS232通信程序设计以及看门狗程序设计。

本课题中使用C语言进行程序设计，开发环境采用KeilC51V6.12。

3.1主程序设计

3.1.1工作流程

读卡器对MIFARE卡片的完整操作过程，主要包括复位请求、防重叠、选卡、相互验证、读写卡、中止等操作。

其执行顺序必须依次进行，不能颠倒。

下面介绍对Mifare1卡的每一步操作。

读卡器对MIFARE卡片的操作流程如图3所示：

（1）复位请求：

当一张Mifare卡处在卡读写器的天线工作范围之内时。

MCU将通过MFCM200发送一个复位请求，复位请求有两种，一种是requestall，这指令是非连续性的读卡指令，只读一次；

另一种是requeststd，这是连续性的读卡指令。

当卡片收到该指令后，卡片内的ATR将启动。

并将卡片的Block0中的卡片类型（TagType）号共2个字节传送给读卡器，从而建立卡片与读卡器的第一步通信联络，完成复位过程。

（2）防重叠：

如果有多张Mifare卡片处在卡片读写器的天线工作范围之内，MFCM200能检测出来并通知到MCU。

此时MCU通过防重叠算法来与每一张卡进行通讯。

由于每一张Mifare卡片都具有其唯一的序列号而决不会相同，因此，MCU根据卡片的序列号来保证一次只对一张卡进行操作。

（根据ISO14443协议，M1型卡传统的防重叠突算法是动态二进制检索树算法。

它首先利用MANCHESTER编码“没有变化”的状态来检测碰撞位，然后把碰撞位设为二进制“1”，用SELECT命令发送重叠前接收的部分卡片序列号和碰撞位，如果卡片开头部分序列号与其相同，则做出应答，不相同则没有响应。

以此来缩小卡片范围，最终达到无重叠。

）

（3）选卡：

通过以上两步以后，MCU选取一张卡的序列号进行通讯，即选卡。

（4）相互验证：

选定要处理的卡片之后，MCU确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯