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2、备内核技术的研究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/IEC 14443 TYPE A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GEMPLUS公司）大都以MIFARE技术为标准，而发展和推进IC卡行业。通过阅读本文，相信有一定IC卡经验，技术及具有一定的计算机软/硬件技术（尤其是微处理单片机MCU技术）的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，门禁控制系统（Door Acce
3、ss System）,高速公路不停车收费系统，停车场收费管理系统，地铁非接触式IC智能射频卡的“刷卡”读写器，机关/企业内部考勤管理系统，医疗保险管理系统，公共交通收费管理系统，出租车收费管理系统，银行服务“一卡通”等等。第一章 Mifare 1 非接触式IC智能(射频)卡一 Mifare 1非接触式IC智能射频卡特点Mifare 1 IC智能(射频)卡的核心是Philips 公司的Mifare 1 IC S50（-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写器的诸多性能。Mifare 1 IC智能(射频)卡采用先进的芯片制造工艺制作。内建有高速的CMOS
4、 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。Mifare 1射频卡所具有的独特的MIFARE RF（射频）非接触式接口标准已被制定为国际标准：ISO/IEC 14443 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25 mm （由MCM200 作为读写器核心模块）。与卡片读写器的通信速率高达106Kbit/s。Mifare 1 IC智能(射频)卡
5、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。Mifare 1 IC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。卡片制造时具有唯一的卡片系列号，没有重复的相同的两张MIFARE 卡片。卡片上内建8K（bit） EEPROM存储容量并划分为16个扇区，每个扇区划分为4个数据存储块，每个扇区可由多种方式的密码管理。卡片上还内建有增值/减值的专项的数学运算电路，非常适合公交/地铁等行业的检票/收费系统。典型的检票交易时间最长不超过100ms(0.1秒)（包括
6、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（256bit）。卡片上的数据读写可超过10万次以上；数据保存期可达10年以上，且卡片抗静电保护能力达2KV以上。 二 Mifare 1非接触式IC智能射频卡功能组成如图所示为MIFARE 1 S50非接触式IC智能射频卡的功能组成图。MIFARE 1 S50 CARD IC Clock Data Energy波形转换正弦=方波整流电压调节Modu./DeModu调制/解调 POR (复位)EEPORAntiCollisionATRDigital Section 数字电路部分Select ApplicationAuthe
7、ntication & Access ControlControl &Arithm. Unit ROMCrypto UnitRAMRF-Interface 射频接口电路卡片天线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。（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，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终输出供给卡片上的各电路。POR模块主要是对卡片上的各个电路进行POWER-ON-RESET（上电复位
8、），使各电路同步启动工作。（二）。 在数字电路部分模块中：1 ATR模块：Answer to Request(“请求之应答“)当一张Mifare 1卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，程序员控制读写器向卡片发出REQUEST all(或REQUEST std) 命令后，卡片的ATR将启动，将卡片Block 0 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通信联络。如果不进行第一步的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：0004H2AntiCollision模块：防止（卡
9、片）重叠功能如果有多张Mifare 1卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，AntiCollision模块的防重叠功能将被启动工作。在程序员控制下的卡片读写器将会首先与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的系列号。由于Mifare 1卡片每一张都具有其唯一的系列号，决不会相同，因此卡片读写器根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AntiCollision防重叠功能配合卡片上的防重叠功能模块，由程序员来控制读写器，根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，未被选择的卡片处于等待状态，随时准备与卡片读写器进行通信。AntiCollision
10、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Serial Number。序列号Serial Number存储在卡片的Block 0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Serial Number的校验字节，这在以后章节中详细论述，包括对序列号Serial Number的校验方法等。序列号Serial Number中实际有用的4个字节，可能为：007e0a42h 。3 Select Application 模块：主要用于卡片的选择。当卡片与读写器完成了上述的二个步骤，程序员控制的读写器要想对卡片进行读写操作，必须对卡片进行“Select” 操作。以使卡片真正地被
11、选中。被选中的卡片将卡片上存储在Block 0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： 认证及存取控制模块在确认了上述的三个步骤，确认已经选择了一张卡片时，程序员对卡片进行读写操作之前，必须对卡片上已经设置的密码进行认证，如果匹配，则允许进一步的Read/Write操作。Mifare 1 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
12、合。整个卡片可以设计成“一卡通”形式来应用。三遍认证：如图所示为三遍认证的令牌原理框图。Mifare 1 卡片非接触式卡片读写器 （A）RB (E)（B）TOKEN AB (C) (D)TOKEN BA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Mifare 1卡片发送一个令牌数据TOKEN AB，其中包含了读写器发出的一个随机数据 RA；（C）环 ：Mifare 1卡片收到 TOKEN AB 后，对TOKEN AB 的加密的部分进行解 密，并校验第一次由（A）环中Mifare 1卡片 发出去的随机数RB是否与（B
13、）环中接收到的TOKEN AB中的RB相一致；（D） 环 ： 如果（C）环校验是正确的，则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TOKEN BA后，读写器将对令牌TOKEN 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相一致；如果上述的每一个环都为“真”，都能正确通过验证，则整个的认证过程将成功。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，必须完成上述的认证过程。认证过程中的任何一环出现差错，整个认证将告失败。必须从新开始。如果事先不知卡片上的密码，则由于密码的变化可以极其复杂，因此靠猜测密码而想打开卡片上的一个扇区的可能性几乎为零。这里提醒一下程序员和卡片的使用者，必须牢记卡片中的16个扇区的每一个密码，否则，遗忘某一扇区的密码，将使该扇区中的数据不能读写。没有任何办法可以挽救这种低级错误。但是，卡片上的其他扇区可以照样使用。上述的叙述已经可以充分地说明了Mifare 1 卡片的高度安
