具有防復(fù)制卡功能的ID卡讀卡器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潘春偉++羅明華++姚慶梅

摘 要：提出一種可以排斥復(fù)制卡的125 kHz ID卡讀卡器設(shè)計(jì)方案。以51單片機(jī)為控制核心，HTRC110作為射頻接口芯片，配以適當(dāng)?shù)奶炀€電路、串口通訊電路和聲光指示電路組成讀卡器硬件，軟件通過控制HTRC110天線的開閉實(shí)現(xiàn)對射頻場中的卡片復(fù)位，然后打開讀卡通道限時(shí)接收，利用復(fù)制卡進(jìn)入磁場后開始發(fā)送卡號信息的時(shí)間滯后于原版卡的特性，實(shí)現(xiàn)讀卡器對復(fù)制卡的排斥抑制。實(shí)際測試效果良好，證明方案設(shè)計(jì)合理可行。

關(guān)鍵詞：讀卡器；排斥；復(fù)制ID卡；天線復(fù)位；限時(shí)讀取

中圖分類號：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）02-00-03

0 引 言

125 kHz ID卡結(jié)構(gòu)簡單，40位的卡片序列號包含在卡內(nèi)一個(gè)64位的卡號信息中，與讀卡器使用TTF（Tag Talk First）方式通訊，廣泛應(yīng)用于考勤、門禁、微金額支付等系統(tǒng)中。由于卡片向讀寫器傳送數(shù)據(jù)時(shí)使用了非加密的明碼方式，使得復(fù)制、偽造卡片十分容易且成本低廉。

根據(jù)常見復(fù)制卡的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種新型125 kHz防復(fù)制ID卡讀卡器，可以對使用Temic、Hitags、EM系列等可讀寫卡復(fù)制的ID卡進(jìn)行屏蔽排斥，從而有效保護(hù)用戶系統(tǒng)的安全。

1 理論分析

原版的ID卡功能單一，出廠時(shí)已將64位的卡號信息固化在卡片的非易失性存儲器內(nèi)?？ㄆM(jìn)入125 kHz的射頻場后得電復(fù)位，立即主動將64位卡號信息持續(xù)循環(huán)向讀卡器發(fā)送。原版卡的上電復(fù)位時(shí)間極短，我們以EM4100卡片為例[1]，其說明書中雖然沒有給出準(zhǔn)確的卡片復(fù)位時(shí)間，但經(jīng)大量實(shí)際測試表明該值小于1 ms。

用于復(fù)制ID卡的卡片一般是125 kHz的可讀寫識別卡，最常見的有Temic、Hitags、EM系列可讀寫卡片。相對于原版的ID卡，這些卡片的共同特點(diǎn)是，一方面可讀寫卡片比同類型只讀卡片的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相同情況下電路復(fù)位比只讀卡需要更的時(shí)間；另一方面，這些可讀寫卡由于既可以工作在RTF（Reader Talk First）模式，又可以工作在TTF模式，通常還可以設(shè)定通訊的數(shù)據(jù)編碼和速率，故卡片電路復(fù)位完成后還要讀出配置信息，以便決定進(jìn)入哪種工作模式，執(zhí)行何種通訊數(shù)據(jù)編碼和通訊速率。因此，從進(jìn)入射頻場，到開始向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)，復(fù)制的ID卡所用的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原版的ID卡。

上述三種常用于復(fù)制的卡片，從其數(shù)據(jù)說明書中可以查得準(zhǔn)確的卡片從進(jìn)入磁場到開始以TTF模式發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間[2-4]，與原版卡對比可以得到表1。

普通125 kHz ID卡工作時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率是2 Kb/s，傳送1位的時(shí)間是512 μs，傳送64位的卡號信息共需32.768 ms。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，若原版卡和復(fù)制卡同時(shí)進(jìn)入射頻場，復(fù)制卡開始主動發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間至少比原版卡滯后2ms，即滯后約4個(gè)數(shù)據(jù)位（512 μs×4≈2 ms）。根據(jù)這一差別，設(shè)計(jì)讀卡器時(shí)如果在打開射頻場后延時(shí)1 ms開始讀取數(shù)據(jù)，則在之后的32.768 ms時(shí)間內(nèi)可讀到原版卡的全部64位卡號信息，而復(fù)制ID卡只能讀取約60位。利用這一特性，就可以設(shè)計(jì)出屏蔽復(fù)制卡的ID卡讀卡器。

2 硬件設(shè)計(jì)

從前述理論分析可看出，屏蔽復(fù)制卡的機(jī)制主要在于軟件，硬件方面沒特殊要求。如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)以普通的51單片機(jī)STC89C52為核心，外圍電路包括HTRC110接收模塊、串行口通訊模塊、聲光指示模塊及電源模塊等。STC89C52控制HTRC110芯片實(shí)現(xiàn)卡片信息讀取，讀到的64位卡號信息經(jīng)解碼后得到40位有效卡號通過串口輸出，并驅(qū)動聲光電路動作。此外串口還可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的ISP功能，電源電路實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠供電。

2.1 主控芯片電路

主控芯片完成系統(tǒng)各模塊的軟件初始化、讀卡解碼、串行通信及聲光控制等功能，其中除讀卡解碼外其他任務(wù)都比較簡單。讀卡解碼雖然工作量較大，但在普通ID卡2 Kb/s的通訊速率下，技術(shù)成熟、物美價(jià)廉的51系列單片機(jī)就可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)選用宏晶科技STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片[5]，STC89C52RC的最高時(shí)鐘頻率可達(dá)80 MHz，內(nèi)部自帶8 KB FLASH程序存儲器和512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，有3個(gè)定時(shí)器和1個(gè)串口，并可通過串口實(shí)現(xiàn)ISP程序下載與更新。

STC89C52RC外圍配以簡單的阻容復(fù)位電路，為獲得較為準(zhǔn)確的定時(shí)時(shí)間和串行通訊波特率，使用22.118 4 MHz晶振。

2.2 HTRC110模塊電路

卡號信息接收模塊選用125 kHz射頻接口芯片HTRC110[6]。HTRC110支持所有工作頻率為125 kHz，使用AM寫數(shù)據(jù)、AM/PM讀數(shù)據(jù)的射頻卡片（標(biāo)簽），可以對數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)，根據(jù)系統(tǒng)或卡片（標(biāo)簽）的需要設(shè)置芯片增益、帶寬等參數(shù)，并可通過軟件打開或關(guān)閉天線。110芯片通過三線串行通訊與CPU連接。

HTRC110模塊電路如圖2所示。芯片時(shí)鐘選用4 MHz晶振，SCLK、DOUT、DIN加上拉電阻后與微處理器的I/O口相連接，ANT插座用于外接天線。

圖2 HTRC110模塊電路

2.3 通訊及聲光指示電路

通訊電路實(shí)現(xiàn)有效卡片序列號的輸出，并實(shí)現(xiàn)ISP程序下載功能。系統(tǒng)中選用一片MAX232實(shí)現(xiàn)串口通訊，其電路采用經(jīng)典的4電容接法。聲光指示電路用于讀卡信息指示，當(dāng)讀到有效卡號時(shí)，LED閃爍并伴蜂鳴器動作。

3 軟件設(shè)計(jì)

防復(fù)制ID卡讀卡器的軟件主要由系統(tǒng)初始化程序、卡片信息接收、卡片信息解碼、數(shù)據(jù)輸出與狀態(tài)指示等部分組成。系統(tǒng)軟件總框圖如圖3所示，開機(jī)初始化完成后即進(jìn)入無限循環(huán)讀卡，每次先復(fù)位射頻場中的卡片，接著在限定時(shí)間內(nèi)持續(xù)接收64位卡號信息，如果接收成功則從接收的卡片信息中解碼卡片序列號，并將卡片序列號從串口輸出，同時(shí)驅(qū)動聲光指示。

圖3 軟件總流程圖 圖4 HTRC110初始化配置流程圖

3.1 HTRC110初始化配置程序

HTRC110初始化在開機(jī)后的系統(tǒng)初始化階段進(jìn)行，其流程圖見圖4。首先通過HTRC110的4個(gè)配置頁設(shè)置芯片相關(guān)工作參數(shù)，包括：通過配置頁0，設(shè)置通頻帶為160Hz～3kHz，設(shè)置放大器增益為500；通過向配置頁1寫入0打開天線；向配置頁3寫入0設(shè)置HTRC110的外部晶振為4 MHz。之后的AST設(shè)置和通用設(shè)置都是HTRC110廠家指定必須執(zhí)行的序列[6]。經(jīng)過上述步驟，HTRC110初始化設(shè)置完成，開始準(zhǔn)備從天線射頻場中接收卡片信息。

3.2 卡號信息接收程序

卡號信息接收程序用來接收64位卡號信息，其流程如圖5所示。首先通過設(shè)置配置頁1的TXDIS位關(guān)閉天線，射頻場中的所有卡片因?yàn)槭ツ芰縼碓炊繑嚯姡? ms后清除TXDIS位打開天線，射頻場內(nèi)的所有卡片得電復(fù)位，原版卡直接進(jìn)入TTF模式循環(huán)發(fā)送64位卡號信息，復(fù)制卡讀取配置頁數(shù)據(jù)，根據(jù)配置參數(shù)開始進(jìn)入TTF模式循環(huán)發(fā)送64位卡號信息。

HTRC110在打開天線后立即設(shè)置為數(shù)據(jù)接收模式，然后延時(shí)1 ms以等待原版卡復(fù)位，之后開始限時(shí)接收數(shù)據(jù)。接收64位卡號信息需要32.768 ms，為增加接收的可靠性，接收時(shí)間設(shè)置為接收65位數(shù)據(jù)的時(shí)間，即512 μs×65=33.28ms，在此時(shí)間內(nèi)CPU循環(huán)查詢HTRC110的DOUT引腳。64位ID卡的數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼，上升沿表示數(shù)據(jù)“1”，下降沿表示數(shù)據(jù)“0”，發(fā)送連續(xù)的“0”或“1”時(shí)，兩個(gè)數(shù)據(jù)沿之間增加一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換沿[7]。在DOUT端，捕捉到數(shù)據(jù)沿則立即將數(shù)據(jù)移位進(jìn)入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，如果是狀態(tài)轉(zhuǎn)換沿則繼續(xù)監(jiān)測DOUT端的下一個(gè)電平跳變。如果在33.28 ms時(shí)間內(nèi)接收到64個(gè)有效數(shù)據(jù)位則轉(zhuǎn)去解碼程序，否則繼續(xù)進(jìn)行下一次復(fù)位天線接收數(shù)據(jù)的循環(huán)。根據(jù)前述理論分析，只有原版卡可以在33.28 ms的時(shí)間內(nèi)送出完整的64位卡號信息，復(fù)制卡無法全部送出，從而實(shí)現(xiàn)了對復(fù)制卡的屏蔽抑制。

圖5 卡號信息接收程序流程圖

3.3 卡片序列號解碼程序

卡片序列號解碼程序?qū)崿F(xiàn)從接收的64位卡號信息中提取40位有效的卡片序列號并校驗(yàn)其正確性。卡片內(nèi)卡號信息的結(jié)構(gòu)如表2所示，其中9個(gè)“1”的頭部用于識別卡序列號的開始，之后是50位的卡序列號及其校驗(yàn)位（卡序列號5字節(jié)共40位，每4位增加一個(gè)行偶校驗(yàn)位），最后是4位列偶檢驗(yàn)及1位停止位“0”。

卡號解碼程序的流程圖如圖6所示。通常的ID卡接收程序中一般先識別接收9個(gè)“1”的卡片信息頭部，然后接收其余部分。這種方法的好處是解碼簡單，而且可以邊接收邊解碼，缺點(diǎn)是由于要先識別卡號信息的頭部，導(dǎo)致接收時(shí)間變長。本設(shè)計(jì)由于要利用復(fù)制卡發(fā)送卡號信息起始時(shí)間的滯后性實(shí)現(xiàn)對復(fù)制卡的抑制，允許接收的時(shí)間嚴(yán)格控制為33.28ms，故不能先識別頭部，而是有數(shù)據(jù)就接收，先存儲后解碼。這樣接收到的數(shù)據(jù)可能并不是以9個(gè)“1”開頭，因此第一步先找出緩存中64位卡號數(shù)據(jù)的頭部，方法是將64位卡號數(shù)據(jù)做大循環(huán)右移，每移1位立即檢查開始的9位是不是9個(gè)“1”且第64位是不是結(jié)束位“0”，不是則繼續(xù)移位直至找到頭部。如果移位64次后都沒有找到頭部則說明接收的數(shù)據(jù)有誤，返回接收程序繼續(xù)接收。

圖6 卡片序列號解碼程序流程圖

找到數(shù)據(jù)的頭部后，從頭部的下一位（第10位）開始到第59位，每5位正好對應(yīng)半個(gè)字節(jié)卡序列號數(shù)據(jù)及1位偶校驗(yàn)位，因此可以每5位提取作為一個(gè)字節(jié)，50位共提取10個(gè)字節(jié)。第60位到64位是列校驗(yàn)位和停止位，此5位提取作為第11個(gè)字節(jié)。

數(shù)據(jù)提取完成后先對前10個(gè)字節(jié)作行偶校驗(yàn)，再將前10個(gè)字節(jié)與第11字節(jié)進(jìn)行列偶校驗(yàn)，校驗(yàn)通過說明接收到正確的卡號，將前10個(gè)字節(jié)中除校驗(yàn)位之外的數(shù)據(jù)提取組合為5個(gè)字節(jié)，即為最后有效的16進(jìn)制卡片序列號。

4 實(shí)驗(yàn)測試

使用EM4100、HITAGS32、EM4205、TEMIC5567四種典型卡片各200張進(jìn)行測試，所有的EM4100原版卡片均可正常讀取卡號，其他三種復(fù)制卡片全部被屏蔽，證明本文討論的方法是正確可行的。

5 結(jié) 語

本文討論了根據(jù)復(fù)制卡在進(jìn)入磁場后發(fā)送卡片信息的時(shí)間滯后于原版卡的特性實(shí)現(xiàn)讀卡器屏蔽復(fù)制卡的方法和主要技術(shù)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件實(shí)現(xiàn)容易。隨著技術(shù)的發(fā)展，復(fù)位時(shí)間更短的復(fù)制卡，本系統(tǒng)可能會發(fā)生誤讀，另外使用更快的CPU代替51單片機(jī)可以大大提高系統(tǒng)性能。

參考文獻(xiàn)

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