学生自主实验室门禁系统设计毕业设计.docx

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四川理工学院毕业设计

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摘要：

非接触式IC 卡又称感应IC卡、射频IC卡。

是最近几年发展起来的一项新技术，它成功的将射频识别技术与IC卡技术结合起来，解决了无源（卡中无源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。

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IC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。

基于实际应用项目的需要，本课题开发了一种读写距离为25MM的非接触式IC卡读卡器。

本论文首先对非接触式IC卡进行了概述，介绍了其特点、种类、关键技术等。

并介绍了非接触式IC卡的技术：

射频识别技术。

对目前国际上具有代表性的两大非接触式IC卡技术：

LEGIC技术和MIFARE技术进行对比。

基于MIFARE技术并重点介绍了Philips公司的MIFARE1非接触IC卡的读写器芯片MCM200的主要特性、引脚功能、内部的物理功能寄存器和基本指令集。

在此基础上，论文详细地阐述了非接触式IC卡读卡器的硬件和软件设计，给出了每一部分的实际电路图和应用程序。

读卡器的硬件设计包括电源供应电路、LED状态显示电路、蜂鸣器驱动电路、RS232通信电路、MCU的连接、MFCM200接口电路和读卡器天线这几部分的设计，以及MFCM200与MCU接口电路设计、与电源接口电路设计和与天线射频接口电路设计三个部分。

论文介绍了电路的详细设计过程。

软件主要对MFCM200的应用程序的设计。

关键词：

IC卡；非接触；射频识别；读卡器

Non-contactICcard,alsoknownassensorICcard,ICcardRF.Inrecentyearsdevelopedanewtechnology,itwillbethesuccessofradiofrequencyidentificationtechnologyandICcardtechnologytogethertosolvethepassive（passivecard）andfreeaccesstothisdifficultproblem,thefieldofelectronicdevicesisamajorbreakthrough.Operationwithfast,stronganti-interference,distancework,safe,easy,"amulti-purposecard"andsoon,intheautomatictollcollection,identificationandelectronicpurseandotherfieldsofcontactlessICcardcannotmatchthesuperiorityofhavebroadmarketprospects.Non-contactICcardreadernon-contactICcardapplicationsystem,oneofthekeyequipment.Basedonthepracticalapplicationoftheproject,thisissuehasdevelopedarangeofreadingandwriting25MMnon-contactICcardreader.

Inthispaper,firstnon-contactICcardaresummarizedonthecharacteristicsofthetypesofkeytechnology.Andintroducedthenon-contactICcardtechnology:

radiofrequencyidentificationtechnology.Thecurrentrepresentativeoftheinternationalcommunitythetwonon-contactICcardtechnology:

LEGICtechnologyandcontrastMIFAREtechnology.BasedontheMIFAREtechnologyandfocusesonthePhilipscompany'sMifare1Non-contactICcardreaderofthemainfeaturesofthechipMCM200,pinfunctions,internalregistersandthephysicalfunctionsofthebasicinstructionset.Onthisbasis,thepaper

detailedthenon-contactICcardreaderhardwareandsoftwaredesign,aregivenforeachpartoftheactualcircuitandapplications.Readerhardwaredesign,includingpowersupplycircuit,LEDstatusdisplaycircuit,buzzerdrivercircuit,RS232communicationcircuit,MCUconnection,MFCM200readerantennainterfacecircuitandthedesignoftheseparts,aswellaswiththeMCUinterfacecircuitMFCM200design,andPowerInterfaceCircuitDesignandRFantennainterfacecircuitdesignisinthreeparts.Thispaperintroducesindetailthecircuitdesignprocess.MFCM200softwareapplicationsonthedesign.

Keywords:

ICcard,non-contact,radiofrequencyidentification,cardreader

第1章非接触式IC卡

1.1非接触式IC卡的特点

非接触式IC卡无机械触点，通过无线方式与读写设备进行通讯，与接触式IC卡相比具有以下特点：

（1）操作快捷：

卡与读卡器之间为无线通讯，使用时无需插拔卡及固定方向。

操作时，卡可以放在钱包、衣服口袋或公文包中无需拿出，大大提高了使用速度。

同时，由于卡与读卡器进行通讯时的载波频率较高，卡内芯片可以工作在较高的系统时钟下，使二者的通信速率很高。

（2）高抗干扰性：

非接触式IC卡具有防冲突机制，在多张卡片同时进入读卡器工作范围时能够防止卡片之间出现数据干扰，允许多张卡片同时操作，相对接触式IC卡增加了“并行”处理能力。

（3）配合具体应用具有多种工作距离：

非接触式IC卡中既有作用距离为几米、可用于高速公路收费系统中的远距离卡，又有作用距离为几厘米、可用于电子钱包的近距离卡，使得系统配置灵活多样。

（4）高可靠性：

非接触式IC卡与读卡器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障，同时无需担心由于触点损坏或脱落而导致卡片失效，提高了应用的可靠性及设备和卡的寿命。

而且由于无线电波不会受尘土、潮气和震动的干扰，使得非接触式IC卡可应用在恶劣的环境。

同时，由于读卡器可以置于障碍物的后面而不影响它与卡的通讯，可以防止在接触式IC卡的使用中对读卡器进行恶意破坏现象的出现。

（5）可适合于多种应用：

非接触式IC卡的存储结构的特点使其可以一卡多用，能用于不同的系统，用户可以根据不同的应用设置不同的密码和访问条件。

（6）高安全性：

非接触式IC卡的序列号是唯一的，制造商在产品出厂前将此序列号固化于卡内芯片中，不可再更改，使用时非接触式IC卡于读卡器要进行三次相互认证，而且通讯过程中所有的数据都加密，卡内各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。

1.2非接触式IC卡的种类

非接触式IC卡的种类繁多，按照卡内集成电路的不同可分为：

存储器卡－卡中的集成电路具有加密逻辑和EEPROM；

CPU卡－卡中的集成电路包括中央处理器、EEPROM、随机存储器RAM以及固化在只读存储器ROM中的片内操作系统COS，有的卡内芯片还集成了密码运算协处理器CAU以提高安全性和工作速度。

按照工作频率可分为：

低频卡－卡与读卡器间通信使用的频段为低频段，如125KHz；

高频卡－卡与读卡器间通信使用的频段为高频段，如13.56MH

915MHz、2.45GHz等。

按照工作距离可分为：

近距离卡－卡与读卡器的有效作用距离为几十厘米；

远距离卡－卡与读卡器的有效作用距离为几米。

按照卡内芯片的供电方式可分为：

有源卡－卡内带电池；

无源卡－卡内为设备，工作时由读写设备通过无线方式供电。

1.3非接触式IC卡的关键技术

非接触式IC卡的工作特点使其在设计和制造过程中存在一些技术难点，主要集中在芯片制造和卡片封装上，这些关键技术是：

1、射频技术

非接触式IC卡是射频技术和IC卡技术相结合的产物，非接触式IC卡的射频技术有以下特殊要求：

由于IC卡的尺寸限制，使大部分非接触式IC卡的内部不带电池，需要由读写设备通过无线方式供电，经过卡内的稳压电路产生芯片工作所需的直流电压。

由于IC卡的尺寸限制，使得卡内天线需要特殊设计。

由于允许多卡同时操作，要求卡内射频部分具有高抗干扰性，卡内设有“防冲突”电路以解决多张卡片互相干扰的问题。

2、低功耗技术

对于卡内有电池和无电池的非接触式IC卡来说降低芯片功耗以提高卡片寿命和保证一定的工作距离都非常重要。

卡内芯片一般采取低压低功耗CMOS工艺制造，并在电路设计中采用“休眠模式”等技术以降低功耗。

3、封装技术

由于非接触式IC卡中需要封装天线、芯片和片外电容等部件，为确保卡片的大小、厚度、柔韧性，需要特殊的封装技术。

4、安全技术

非接触式IC卡以卡用芯片的物理安全技术、卡片制造的安全技术和卡的通讯安全技术这三个方面的内容构成其强大的安全技术。

卡用芯片的物理安全技术通过设置高/低电压检测器、低频时钟探测器、

熔丝、存储器物理保护层、存储器逻辑保护、金属化结构等措施防止对

芯片存储器和其他逻辑电路的分析，并防止再激活芯片的测试功能。

卡片制造的安全技术－将荧光安全图象印刷、微线条、激光雕刻签名和图象、安全背景图象等技术用于IC卡塑封表面的印制和防伪识伪。

卡的通讯安全技术－通过三次相互认证、传输数据加密、设置存储区密码和访问条件、每个芯片设置唯一序列号以及在芯片运送过程中设置传输代码防止对数据的非法截取分析、

对存储区的非法访问和对芯片的非法个人化。

1.4非接触式IC卡的发展趋势

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8K～16K的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（FeRAM）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发展，技术的进步还可以使内部时钟频率从5MHz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RAM的容量使得加密过程更加短暂，以便节省用户时间。

这要求未来的智能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。

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。

5、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。

第2章非接触式IC卡技术

非接触式IC卡是射频识别技术与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射频识别技术

射频识别技术是非接触式智能卡系统的基础，是在射频技术、通信技术和计算机术等现代信息技术发展的基础上于20世纪80年代中期问世的。

自出现以来，由于它大加速了信息的收集和处理，近年来获得迅速的发展。

与传统的条码或磁条识别技术比，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等一系的优点，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。

射频识别技术是自动识别技术中的一种。

自动识别技术（AutomatciEuqipmnetdInetifiaction，简称AEI）是目前国际上发展很快的一项新技术。

该项技术的基本思是通过采用一些先进的技术手段，实现人们对各类物体或设备（人员、物品）在不同态（移动、静止或恶劣环境）下的自动识别和管理。

目前应用最广泛的自动识别技术大致可以分为两个方面:

光学技术和无线电技术两个方面。

其中光学技术中普遍应用的产品有条形码和摄像两大类。

这两类产品目前己泛应用于

人们的日常生活中，并已为人们所熟知。

比如，条形码用于商品管理，摄像于抓拍违章车辆等。

无线电技术在自动识别领域应用中更具体的技术名称为射频识别射频识别系统的组成一般至少包括两个部分，一部分是电子标签（Tag），另一部分是读器（Raeder）。

电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子签附着在待识别物体的表面。

阅读器又称为读写装置，可无接触地读取并识别电子标中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的，进一步通过计算机及计算机网实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。

依据射频识别技术实现的射频卡系统，可按照以下5种方式分类:

（1）根据整个系统工作频率的不同可分为高频、中频及低频系统;

（2）根据射频卡工作方式的不同可分成三种:

可读写卡（RW）、一次写入多次读出（WORM）和只读卡（RO）系统:

（3）根据射频卡供电方式可分为有源卡系统及无源卡系统;

（4）根据调制方式的不同可分为主动式和被动式系统;

（5）根据读取卡片数据的技术实现手段，可将其分为广播发射式、倍频式和反射调制式三大不同系统。

射频识别系统由两部分组成，应答器和录呼器。

寻呼器的主要组成部分是无线收发机，在应答器内有感应线圈（天线）及用于存储有关应用标识信息的存储器。

非接触IC卡工作过程为

（1）读写终端不断向周围发一组固定频率的电磁波，非接触式

IC卡的工作频率一般为13.56MHz。

（2）非接触卡片内有一个LC串联谐振电路,当它进入读写终端的工作区域内,而且频率与读写终端发送的频率相同,这样,在电磁激励下，LC谐振电路产生共振。

　　（3）共振使卡内的电容有了负荷，在电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V时此电容可作为电源为集成电路提供工作电压。

　（4）CMOS集成电路中的有关控制逻辑电路对接收到的信号进行解码。

　（5）根据解码信息判断读写终端发来的命令要求，若是读取信息则控制逻辑电路从存储器中读取有关信息；若是修改信息则有关控制逻辑启动电压泵将2V工作电压提升到15V，以便对存储器（EEPROM）中内容进行重新写入编程。

　（6）当电容放电时，非接触卡内的发射电路就将从存储其中读取的数据信息

及相关信息发送给读写终端。

　　（7）读写终端对接收到的信息进行处理。

射频识别系统使用的频段可以分为低频和高频两类，当工作频率越高，读卡器和卡之间的通讯速度就越快，系统的工作时间就越短。

2、射频技术在非接触式IC卡中的实现

非接触IC卡又称为射频IC卡，即使用了射频技术的IC卡。

要在IC卡中实现射频技术需要解决许多的技术难题，所需考虑的如：

（1）安全机制问题：

因为射频技术的特点，导致IC卡中数据在通信过程中被截取的可能性很大，如何防止保密信息的泄漏是一大问题。

作为安全性的解决办法之一，射频信号传输的是通过加密处理的数据，必须有同样的解密算法才能破解其中的信息，并且在实现通讯之前必须先进行读卡机具和卡的相互认证才可继续进行通讯。

（2）防冲突机制：

如果在操作过程中同时出现多张卡，如何防止卡之间的数据干扰，保证读/写卡操作的正确完成。

非接触卡在出现多卡进入读卡机具作用范围时，通过基于BIT冲突检测协议（TypeA），或者则是字节、帧及命令（TypeB）完成防冲突（TypeA型和TypeB型卡的区别在后面进行阐述）。

　（3）电源及电源功耗的设计：

由于射频IC卡的工作能源是通过射频收发电路由空间电磁波提供的。

由此可见，电磁波能量的大小决定了卡上IC的工耗，也决定了IC芯片的功能。

所以其在功耗参数上则要求尽量的小，这样射频信号的能量才能满足IC卡的工作要求。

要克服这个问题只有从两个方面来解决，首先是在芯片的制作材料上进行技术革新，降低芯片的功耗。

另一个方法就是提高射频能量，从射频欧中获取足够的电能保证卡上IC卡片正常工作。

　（4）通讯的调制解调方式：

为了实现IC卡与终端之间的正确的通讯，必须为其数据的传输制定相应的协议，才能在IC卡和终端之间进行正确的交流。

而作为将模拟信号转换为数字信号进行传送的调制解调方式对通讯的完成是非常的关键的，非接触式IC卡通过两种方式进行调制解调，这也是TypeA和TypeB型卡的区别之一。

2.2非接触式IC卡射频技术的发展

非接触式IC卡在目前的应用中，由于本身射频技术和卡芯片技术的限制，卡片需要较低的功耗。

从而导致无法在卡片上实现CPU的嵌入，所以非接触式IC卡多为ASIC卡，ASIC的加密采用的是逻辑电路加密的方法，其灵活和可靠性都不是很高。

所以，这直接导致了非接触卡在金融系统和电子商务应用上的限制。

所以在以后的发展中，射频卡的发展方向则是基于在其中实现CPU，以达到扩展其应用领域的目的。

　　前面曾经提到过，由于射频卡的能量供给都是由射频信号提供的，所以射频功率的大小决定了射频卡的功耗。

而卡片上集成CPU需要占用更多的功耗，于是，解决能量供给的问题就是射频技术发展所需要解决的问题。

提高射频信号的功率，以提供足够的能量保障卡芯片和CPU的正常工作，这也是解决接触式IC卡和非接触式IC卡兼容问题的最为经济和现实的途径。

非接触式IC卡技术目前国际上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。

这两种技术都采用13.56MHz的近距离非接触式IC卡通讯频率标准，其读写速度和读写距离是相同的，在通讯安全上均采用符合ISO9798国际标准的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；在数据通讯上均采用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。

但是

这两种技术也有很多不同点，现将这两种技术的不同特点比较如下：

（1）MIFARE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）。

LEGIC采用授权读写控制方式,即读写设备必须先获得“设备授权卡”的授权后才能读写本系统的IC卡,而卡的初始化又必须经过上级授权卡的授权,并且只可以在专用的授权设备上进行。

（2）MIFARE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。

LEGIC模块与监控计算机之间采用串行通讯方式，读写进程由模块自动完成。

（3）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。

LEGIC采用同一时间内只能读写一张卡的防冲撞模式。

第3章MIFARE技术

MIFARE技术是Philips公司推出了一种非接触式/双界面IC卡技术，目前已被ISO/IEC制定为国际标准：

ISO/IEC14443TYPEA标准。

MIFARE非接触式IC卡目前占据世界非接触式IC卡市场80％的份额。

Philips公司基于MIFARE

技术推出了四种产品：

1、MIFAREClassic非接触式IC卡，包括MIFAREStandard（MIFARE1）、MIFAREStandard4K和MIFARELight三种非接触式IC卡

2、MIFAREUltralight

3、MIFARE双界面IC卡，包括MIFAREPRO和MIFAREPROX两种

4、MIFARE读卡器组件

下面重点介绍本课题涉及到的MIFAREStandard（MIFARE1）非接触式IC卡和MIFARE读写器组件。

3.1MIFARE1非接触式IC卡特点

护能MIFARE1IC卡的核心是Philips公司的MIFARE1ICS50（-01，-02，-03，-04）系列微模块（微晶片）。

它确定了卡片的特性以及卡片读卡器的诸多性能。

MIFARE1IC卡内建有高速的CMOSEEPROM、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卡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。

射频卡标准操作距离为100mm（由MFCM500作为读卡器核心模块）和25mm（由MFCM200作为读卡器核心模块）。

与卡片读卡器的通信速率高达106Kbit/s。

MIFARE1IC智能（射频）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卡器天线的有效工作距内的多张重叠的卡片。

MIFARE1IC智能（射频）卡与读卡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