基于RC522的非接触式IC卡读卡器设计含程序Word文件下载.docx
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读写前射频卡与读写系统要进行三次应答认证，并且通信过程会产生随机数和加密的数据，防止各种破解和篡改，卡内每个存储区的访问密码和条件都不同。
1.2.3非接触式IC卡的发展趋势
随着非接触式IC卡的广泛应用与迅速发展，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
“一卡多用”的新功能处于新的阶段，这种功能使得目前卡内16K的存储容量远远不能满足要求。
将来用户只用带着的一张具有多个功能IC卡，既能成为身份证和护照，又可以当做电子钱包、工作证，能存储个人简历，因此，研发更大卡内存储器的容量变得重要。
除了目前已经广泛使用的E2PROM存储器，一些新的存储器技术也正在开发，列如Flash＋技术和铁电技术，未来IC卡行业使用的主要存储器极大可能是铁电存储器（FeRAM）[4]。
（2）更强的处理能力
IC卡在日常生活的普及，相关技术迅速发展，我们需要一张具有更强的处理能力的IC卡，有两种增强处理能力的方法：
其一是增加具有多样寻址方式的汇编指令，它能加快寻找有效数据的地址的速率，减少指令译码的工作量；
二是增加数据总线位数到32位，同时还可以提高内部时钟频率从5MHz到10MHz。
（3）低功耗
无论非接触式IC卡的是有源还是无源，低压低功耗设计对卡内芯片都是非常重要。
可以使用新型低功耗电池，达到增加电源提供给IC卡的时间，相当于增加了卡的使用时间；
可以增加无源非接触式IC卡的工作距离，远距离卡在通信效率和快捷性上都超过了近距离卡，远距离低功耗成为非接触式IC卡发展的必然趋势[4]。
（4）发展复合式IC卡
复合式卡的意思是双界面卡，接触式和非接触式的通信工作方式集成在一张卡上，也就是一卡两用，所以在结构上既有天线也有触点，使用起来更加灵活多变。
如今大多数国际大企业都成功开发并开始使用复合式卡。
1.3非接触式IC卡读卡器发展状况
现在，由于应用的场合不同，国内外出现大同小异的非接触式IC卡读卡器，有读卡器模块、便携式读卡器、高低频读卡器、双频标签读卡器、微波读卡器等各种各样的产品[5]。
这些产品有适合读写的距离大大不同。
但都有一个共同的特征，各种产品之间的区别不大，同质化严重，性能也相似，结构上都是读卡器芯片结合单片机，而并没有核心技术，缺乏成套技术的自主产权。
国外公司手中拥有读卡器的读卡器芯片的核心技术的控制权，在整个读卡器市场的利润，国外公司如TI、NXP等芯片厂商占绝大部分。
随着市场的发展，这些国外公司又同时在加强对整个非接触式IC卡技术的掌控，却有新的实力雄厚的ST（意法半导体）公司加入这一行，许多公司也觊觎这一迅速发展的市场。
TI和NXP公司牢牢控制着市场的主动权,提供从读卡模块、读卡器、读卡芯片及系统应用等一整套设备及服务。
令人欣慰的是，我国在这项技术的研究方面发展迅猛，在IC卡身份识别技术研究及产品研发方面，我国已经能够独立开发微波、低频和高频波的电子标签，拥有系统集成能力及读写器的技术。
1.4课题的设计内容
非接触近距离识别技术主要研究基于射频原理的非接触IC卡识别技术，具有操作快捷便利、可靠性高、安全性好、寿命长、防伪性好、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于各种身份识别、收费系统中。
本次研究将掌握非接触式IC卡读卡器的原理，实现对非接触式IC卡的读写，能够正确读取IC卡的序列号及读卡用户信息，并通过计算机将信息显示出来。
2非接触式IC卡Mifare1S50技术支持
2.1Mifare1S50简介
MIFARE1s50是非接触智能IC卡。
其通信协议符合ISO/IEC14443A，通讯层（MIFARERF接口）符合ISO/IEC14443A标准的第2和第3部分。
其安全层支持域检验的CRYPTO1数据流加密。
在MIFARE卡结构中，芯片与一个几匝的天线线圈相连接，并封装到塑料中，制作了一个无源的近距离卡，不需要电池。
当卡接近读写器天线时，进入带有能量的电磁场，高速的RF通讯接口将以106kBit/s的速率传输数据[6]。
图2.1Mifare1s50卡
2.1.1Mifare1S50的特性
（1）MIFARERF接口（ISO/IEC14443A）
∙非接触数据通信并提供能量（无需电源）
∙通信距离：
大约100mm（取决于天线尺寸匝数）
∙工作频率：
13.56MHz
∙数据传输速率：
106kbit/s
∙高度数据安全性：
16位CRC，奇偶校验，位编码，位计数
∙多卡防冲撞
∙典型票务交易：
<
100ms
（2）EEPROM
∙1Kbyte，分为16个区，每区4个块，每块16字节。
∙用户自定义存储块的读写条件
∙数据可存储长达10年
∙可重复写入10万次
（3）安全性
安全的重点是防盗窃。
相互随机数和应答认证、数据加密和报文鉴别检查和，防止各种破解和篡改，使其更适于票务应用。
不可更改的序列号，保证了每张卡的唯一性[7]。
∙相互三轮应答认证（ISO/IECDIS9798-2）
∙射频通道数据加密
∙每个区的尾块有两个密钥，按应用场合不同密钥分级
∙每张卡的序列号唯一
∙在通信过程中以发送密钥保护对存储区的访问权
2.1.2结构功能说明
图2.2Mifare卡内部结构
图2.3Mifare卡的功能说明
RF接口：
∙调制解调器
∙检波器
∙时钟发生器
∙上电复位
∙稳压器
防冲突：
一一选定通信范围内的几张卡，然后先后操作。
认证：
在对任意存储器的存储块进行读写操作之前得先通过认证，必须各个存储区指定的密钥相匹配才能获得访问资格。
控制和算术逻辑单元：
写入特定的冗余格式的数据，可以读写、加减。
EEPROM接口
加密单元：
每次数据交换的CRYPTO1数据流都进行加密，防止数据被非法盗窃。
EEPROM:
1KB，分16区，每区4块。
每一块有16字节。
2.1.3存储区结构
1024x8bitEEPROM存储器分为16区，每区4块，每块16字节。
在擦处后的状态下，EEPROM的单元读为逻辑“0”，写后的状态下读为“1”。
表2.1存储区扇区结构
块内字节编号
扇区
块
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
说明
15
KEYA
控制位
KEYB
扇区15尾块
数据
14
扇区14尾块
:
扇区1尾块
扇区0尾块
制造商占用块
（1）制造商占用块
第1个区的第1个块（块0）。
它含有卡的序列号、检查字节和制造商数据。
由于安全和系统要求，此块只能由制造商在生产过程进行一次编程。
用户对块0只能进行只读，前4个字节是卡的序列号，此值唯一。
图2.4块0的存储结构
（2）数据块
各区均有3个16字节的块用于存储数据，除区0只有两个数据块以及一个只读的厂商代码块。
数据块可以通过读写控制位设置为：
读写块，比如用于非接触门禁系统，存储用户资料。
数值块，可以加减，可作电子钱包的用途。
在进行任一数据块操作之前，必须先通过认证环节。
此次研究我只使用读写块功能，用于存储用户的信息，我将自己的名字存储到0区的块1中。
（3）尾块
各区都有一个尾块，存有：
密钥A和B（可选），读块时返回逻辑“0”。
该区四个块的读写条件，存储在字节6至9了数据块的类型（读写块或数值块）。
每张卡的密钥A的默认密码是6个字节的“FF”。
如果不需要密钥B，块3的最后6字节可以用作数据字节，尾块的字节9可用于用户数据，因为此字节享有与字节6、7、8相同的读写权限[7]。
表2.2尾块的存储结构
字节号
10
11
12
13
密钥A
读写条件
密钥B（可选）
2.2通信原理
图2.5通信流程图
读写器发出或根据commandReg寄存器里得到的命令，按照对应区访问条件，再由数字控制单元来处理。
2.2.1寻卡（REQUEST）
读卡器向所有在天线范围内未进入休眠状态的卡发出的请求（0x26）命令，进入电磁场的卡被唤醒后，发送请求应答码（ATQA符合ISO/IEC14443A）。
2.2.2防冲突循环（ANTICOLL）
在防冲突过程中，读回一张卡的序列号。
若在读卡器的通信范围内同时有几张卡，这过程可以通过唯一序列号一一选定，并进行下一步操作。
没被选定的卡转入待命状态，等待新的请求命令。
2.2.3选卡（SELECTCARD）
然后选定卡片，得到校验码，将2个字节的卡片类型、4个字节的序列号和1字节的校验码进行CRC计算，将其发送给卡片，通信成功，则返回SAK（选择确认）SAK1字节+2字节CRC校验（0x18（24）共3个字节）。
2.2.4三轮认证（3PASSAUTHENTICATION）
选卡后，读写器指定后续读写的存储器位置，并用相应密钥进行三轮认证[8]。
认证成功后，所有的存储器操作都是加密的。
图2.6三轮认证的流程图
认证过程：
A环：
卡片向读卡器发送一个随机数据RB；
B环：
读卡器发出一组携带随机数据RA的令牌数据TOKENAB；
C环：
当卡片收到令牌数据TOKENAB后，对TOKENAB进行解密并得到RB，校验得到的RB与A环中发出的RB是否相同；
D环：
若校验得到的RB与A环中发出的RB相同，则卡片再次向读卡器发出令牌数据TOKENBA；
E环：
读卡器收到令牌数据TOKENBA后，对TOKENBA进行解密并得到RA；
校验得到的RA与B环中发出的RA是否相同。
如果以上的每一个环节都能顺利进行，每次校验结果都相同，则整个的认证过程将成功。
2.3存储器读写
在此强调，必须先依次通过防冲突和密钥认证过程，才能进行存储器操作。
先把该区的访问条件设置好了，区块才会执行相对应的操作。
表2.3存储器操作说明
存储器操作
操作
使用块型
读
读存储器块
读写、数值和尾块
写
写存储器块
增值
增加块的内容，并将结果存入内部寄存器
数值
减值
减少块的内容，并将结果存入内部寄存器
转存
将内部寄存器内容写入块中
恢复
将块中内容写入内部寄存器
2.3.1读写条件
对该区块是读是写需要设置3个控制位，并以原码和反码格式存放在每个区的尾块中。
这3个读写控制位还控制密钥A和B的访问权限。
如果知道正确的密钥，并且对应读写条件许可，读写条件是可以修改的[9]。
表2.4控制位对块的影响
读写控制位
有效命令
C13C23C33
read,write
→
尾块
C12C22C32
read,write,increment,decrement,transfer,restore
数据块
C11C21C31
C10C20C30
在表2.4中访问条件的每一位都用符号来表示，其中C13,C23,C33用来控制本区块3的访问条件；
C1X,C2X,C3X（X=0-2）用来控制本区块0-块2的访问条件[8]。
在每一次读写存储区时，存储条件必须正确。
如果发现是错误的，会锁死这个区块。
2.3.2尾块的读写条件
对密钥和控制位的读写取决于尾块（块3）的访问控制位，分为“禁止”、“KEYA”、“KEYB”和“KEYA|B”（KEYA或KEYB）[9]。
图2.7访问条件的组成
为了安全起见，访问条件的每一位即用原码又用反码存储，相当于存放了两遍。
特定的数据存放于访问条件的最后一个字节（9）。
表2.5块3的访问条件
访问控制位
所控制的访问对象
注释
C1
C2
C3
禁止
KeyA
KeyB
KeyB可读
KeyA|B
传输配置状态
附注2.1灰色行为keyB可读并可用于存储数据的访问控制条件。
如果C1、C2、C3=000，则keyA不能读，而持卡人在正确输入keyA后，可以改写keyA,读访问条件和读写keyB。
KeyA在任一条件下都禁止读出，但达到特定条件下可以修改。
KeyB作为密钥使用时，也是不能读出，但达到一定条件（输入正确的keyA）下能读出时，这时存放在keyB位置的内容为数据而不是密钥[9]。
尾块和keyA被预定义为传输配置状态。
因为在传输配置状态下keyB可读，新卡必须用keyA认证。
因为访问控制位本身也可以禁止访问，所以个人化时应当特别小心[8]。
2.3.3数据块的访问控制条件
不同的控制位的设置，相关的用途也不同。
∙读写块：
可读、写。
∙数值块：
运行另外的数值操作——加值、减值、转存和恢复。
在用于非充值卡的一种情况（‘001’）下，只能够读和减值。
在另一种情况（‘110’）下，可以用keyB充值。
∙制造厂商块：
只读，不受访位控制位设置的影响！
∙密钥管理：
在传输配置状态下，必须用keyA认证。
表2.6数据分组的访问条件
所控制的访问操作
用途
加值
keyA|B1
keyB1
读写块
数值块
3MFRC522射频芯片
3.1概述
MFRC522是具有高集成度读写卡芯片，也是一款常用的非接触式通信芯片，工作于13.56MHz的时钟频率。
也是NXP公司针对"
三表"
应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，是智能仪表和便携式手持设备研发的较好选择[10]。
MFRC522利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议[11]。
支持ISO14443A的多层应用。
其芯片的TX1和TX2引脚可驱动读写器天线，发送经过调试的13.56MHz载波能量信号，该信号上就有我们需要的数据。
接收到的载波信号会通过接收器解调成有效信号，有效信号再经过A/D转换器转换成数字信号，该信号会依照ISO14443A协议处理，先进行错误检测（奇偶&
CRC）。
另外，它也能对数据进行算法加密，MFRC522支持MIFARE系列的卡，可验证该系列产品。
相比于其他芯片，它具有更快的近距离双向数据传输速率通信，高达424kbit/s。
MFRC522与MFRC500和MFRC530相比，即相似点也有很多差异。
它与微控制器间的数据交换可用SPI串行通信，也能根据应用场合功能不用，采用I2C或串行UART（类似RS232）模式。
当然,SPI通信连线更少，制作的PCB板体积更小，降低成本。
3.2特性
∙高集成度的调制解调电路;
∙可将发送器控制的TX管脚直接驱动天线;
∙支持ISO/IEC14443TypeA通信协议;
∙读写器模式中的ISO14443A协议的工作距离高达60mm，与天线的长度和匝数有关。
∙支持ISO14443212kbit/s和424kbit/s的更高传输速率的通信。
∙支持MIFARE&
reg;
Classic加密;
∙支持的主机接口:
-10Mbit/s的SPI接口
-I2C接口，快速模式的速率为400kbit/s，高速模式的速率为3400kbit/s
-串行UART，传输速率高达1228.8kbit/s，帧取决于RS232接口，电压电平取决于提供的管脚电压
∙64字节的发送和接收FIFO缓冲区;
∙灵活的中断模式;
∙可编程定时器。
∙具备软、硬件掉电和发送器掉电3种节电模式，其中"
发送器掉电"
则是关闭内部天线驱动器，即关闭电磁场;
∙内置温度传感器，以便在芯片温度过高时自动停止RF发射;
∙采用相互独立的多组电源供电，以避免模块间的相互干扰，提高工作的稳定性;
∙具备CRC和奇偶校验功能，CRC协处理器的16位长CRC计算多项式固定为:
x16+x12+x5+1，符合ISO/1EC14443和CCTITT协议[12];
∙内部振荡器，连接27.12MHz的晶体;
∙2.5~3.3V的低电压低功耗设计;
∙工作温度范围-30~+85℃;
∙5mm×
5mm×
0.85mm的超小体积。
3.3功能结构
3.3.1简化的MFRC522框图
图3.1简化MFRC522框图
模拟接口用来处理模拟信号的调制和解调。
非接触式UART用来处理与主机通信时的协议要求。
FI
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