一種改進的加密算法射頻卡讀寫系統(tǒng)設(shè)計

張開生+王吉

摘要：該文以嵌入式系統(tǒng)芯片為主控制器，實現(xiàn)讀卡器數(shù)據(jù)讀寫與算法的優(yōu)化升級。重點介紹MF-RC500射頻卡讀寫系統(tǒng)的硬件與軟件的整體設(shè)計。硬件上，研究分析了系統(tǒng)硬件的工作原理、設(shè)計方法，通過計算確定硬件最佳阻抗大小，繪制讀卡器電氣接線圖；軟件上，完成了主控程序的優(yōu)化升級設(shè)計，利用cast5算法，對數(shù)據(jù)進行加密。本文介紹的射頻卡讀寫系統(tǒng)，擁有容錯處理、鍵盤操作中斷相關(guān)函數(shù)、上位機軟件。利用不同模式間的相互轉(zhuǎn)化使系統(tǒng)功耗降低，程序運行速度得到優(yōu)化。實驗證明，本文設(shè)計的系統(tǒng)穩(wěn)定可行，有較強可移植性。可適用于考勤系統(tǒng)、自動售水系統(tǒng)、公交車收費系統(tǒng)等。

關(guān)鍵詞：微控制器；讀寫器；射頻卡；MF-RC500；加密

隨著人們生活水平的不斷提高與RFID技術(shù)的日趨成熟，RFID技術(shù)越來越多的的被應(yīng)用于人們的日常生活中。例如人們通常使用的公交卡、銀行卡、電話卡和門禁卡等。雖然給人們的生活提供了方便，但是一些不法分子利用非法手段盜取人們的信息來牟取暴利，給人們的生命財產(chǎn)帶來極大的安全隱患，所以射頻卡的安全性一直是社會關(guān)注的熱點?，F(xiàn)在市場上常用的安全措施加密過于簡單，這種加密方式十分容易被不法分子破解，進而偽造假的數(shù)據(jù)，給用戶造成無法估計的損失。

本文利用cast5算法，對數(shù)據(jù)進行加密。明顯提高讀卡器的信息安全性，并對數(shù)據(jù)讀寫與算法的優(yōu)化升級。本文還對MF-RC500射頻卡讀寫系統(tǒng)的硬件與軟件的整體設(shè)計。確定硬件最佳阻抗大小，繪制讀卡器電氣接線圖；完成了主控程序的優(yōu)化升級設(shè)計，本文介紹的射頻卡讀寫系統(tǒng)，擁有容錯處理、鍵盤操作中斷相關(guān)函數(shù)、上位機軟件。利用不同模式間的相互轉(zhuǎn)化使系統(tǒng)功耗降低，程序運行速度得到優(yōu)化。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

RFID的信息安全防御系統(tǒng)主要組成如圖1所示。

主控芯片使用有較強數(shù)據(jù)處理能力的嵌入式芯片smart210，主控芯片與讀卡器進行數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)接受發(fā)送控制命令、信息數(shù)據(jù)流的處理接收；對數(shù)據(jù)庫進行操作，實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的儲存、讀取。

根據(jù)系統(tǒng)需求進行選擇的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲所有標簽的信息。標簽發(fā)送其相關(guān)信息給讀寫器并與數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)提供了足夠大小的數(shù)據(jù)儲存空間，并具有強數(shù)據(jù)處理能力。

RFID標簽儲存著RFID系統(tǒng)的相關(guān)信息，RFID標簽通過耦合線圈的收放電，使RFID標簽可以通過無線電與讀寫器進行通信。

RFID標簽讀寫器是用于讀寫RFID標簽的設(shè)備。

2硬件設(shè)計

射頻識別技術(shù)（RFID，Radio Frequency Identification）是一種通過空間耦合無線電識別特定頻率電磁波的非接觸式的自動識別技術(shù)。標簽處于讀卡器可讀寫的磁場范圍，讀卡器通過耦合，無線電對RFID卡進行充電，為RFID卡提供電力支持，RFID卡再通過無線電與RFID讀寫器進行數(shù)據(jù)交互。在識別過程中無需建立光學(xué)或機械連接。

基于MF-RC500的讀寫器設(shè)計分為：MF-RC500設(shè)計、天線以設(shè)計及外圍連接電路設(shè)計。

2.1MF-RC500芯片介紹

基于ISO/IEC 14443A標準的非接觸式通信的MF-RC500射頻卡讀寫芯片具有成本低、集成度高和良好的抗干擾能力，適合各種類型的物流管理、識別認證、錢款支付等場合、實用性強。Mifare卡基于13.56MHz非接觸通信模式與讀卡器進行數(shù)據(jù)交互，MF-RC500模塊驅(qū)動13.56MHz天線，與Mifare卡進行通信，通信最大距離為10cm。

2.2天線設(shè)計

天線發(fā)射能量產(chǎn)生的電磁場區(qū)域一般就是射頻卡讀寫器的可識別范圍。因此要控制設(shè)計讀寫器的可識別讀寫范圍，就需要對天線的相關(guān)參數(shù)的大小進行設(shè)計計算。為實現(xiàn)節(jié)約成本和減小體積，天線采用直接在PCB板制成的微帶天線。MF-RC500的工作頻率f是13.56MHz，所以采用適用于短波段通信的環(huán)形天線。在半徑R，匝數(shù)N，通過線圈的電流強度為，以天線幾何中心為中心，則距離中心x處的磁場強度可表示為（1）式：

由于PCB板制作要求及電路常用電壓電流的局限，所以設(shè)計的電流強度I的大小一般不變，PCB板制作的外形及大小的限制下，線圈匝數(shù)N也不便更改，一般為3。則由公式可得天線半徑是影響天線磁場強度主要因素。且半徑過大，天線中心的磁場強度會很小，但過于小的半徑，工作范圍會不足以支持讀寫器正常工作。經(jīng)綜合計算，直徑在15cm左右的圓形天線最為合適。為便于布板且矩形天線與圓形天線有類似的性質(zhì)，所以采用矩形天線。則天線選擇匝數(shù)為3，邊長10cm的矩形天線。

2.3天線的匹配電路設(shè)計

在無線電系統(tǒng)中，連接發(fā)射電路與天線的同軸電纜一般阻抗為50Q。匹配電路可以使天線復(fù)阻抗轉(zhuǎn)換為適合阻抗50Ω。天線等效為1個電感L與電阻R的串聯(lián)，再與電容c并聯(lián)，如圖2所示：

天線設(shè)計重要參數(shù)品質(zhì)因子Q與電流強度成正比關(guān)系。高品質(zhì)因子Q能大大改善讀寫器傳輸功率，但品質(zhì)因子Q過高會削弱天線傳輸帶寬，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性受到影響。MFRC500的讀寫器工作的波特率為109.5kHz/sec，數(shù)據(jù)傳輸使用Miller碼脈寬T=3pus。脈寬為T脈沖，頻域圖如圖3所示：

2.4系統(tǒng)整體電路圖設(shè)計

微控制器選用嵌入式芯片smart210，一般工作電壓在+5V，所以通過DC電源轉(zhuǎn)換器將+220V電壓降為+5V。采用IIC總線使主控芯片與讀寫器通訊。主控芯片同串口與報警器、顯示器進行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)庫與主控芯片通過網(wǎng)絡(luò)讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)整體電路圖如圖6所示。

3軟件設(shè)計

3.1主控程序設(shè)計

為提高可移植性，便于在不同系統(tǒng)中應(yīng)用，本系統(tǒng)擁有容錯處理，鍵盤操作中斷相關(guān)函數(shù)，上位機軟件。利用不同模式間的相互轉(zhuǎn)化使系統(tǒng)功耗降低，程序運行速度得到優(yōu)化。使其適用場合更為廣泛。主控程序流程圖如圖7所示：

主控程序包括，防沖突機制，沖突隊列等待機制，三次相互驗證，偽卡報警，睡眠模式與讀寫模式轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)讀寫，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)互聯(lián)，按鍵操作模式轉(zhuǎn)化與數(shù)據(jù)的更改，與上位機互傳數(shù)據(jù)程序。

RFID標簽進入RFID讀寫器范圍，讀卡器自動從睡眠模式轉(zhuǎn)化為讀寫模式，執(zhí)行防沖突機制，若卡片多于一張，選擇其中一張，其他卡片加入等待隊列。對所選擇的卡片進行身份認證，若為假卡報警，若為真卡進行相應(yīng)的讀寫操作，及數(shù)據(jù)庫互聯(lián)數(shù)據(jù)交互。

3.2讀寫卡加密操作程序設(shè)計

系統(tǒng)程序采用靈活性及較高的可移植性C語言編寫，使用keil C編譯環(huán)境。

本文加入的CAST5加密算法，是一些對稱Feistel網(wǎng)絡(luò)密鑰塊密碼，具有64位塊大小，密鑰大小在40到128位之間。當(dāng)密鑰大小超過80位時，使用全部16個回合。組件包括基于彎曲功能的大型8x32位S盒，按鍵依賴旋轉(zhuǎn)，模塊加法和減法以及XOR操作。有三種交替類型的圓函數(shù)，但它們的結(jié)構(gòu)相似，僅在各點的精確運算（加法，減法或異或）的選擇上有所不同。

一般通過微分密碼分析、線性密碼分析、密碼相關(guān)分析很難解析CAST5加密的數(shù)據(jù)，不存在軟弱或者半軟弱的密鑰，且符合SAC、BIC等標準。因此對于整個RFID系統(tǒng)而言，滿足密碼強壯、且所需空間小的需求。

4系統(tǒng)測試分析

對系統(tǒng)進行在線測試。通過主控計算機進行系統(tǒng)監(jiān)控，在主控計算機上，設(shè)置有不同的數(shù)據(jù)讀寫選項，用于對讀卡器的效果檢測，上位機測試界面如圖8所示。根據(jù)實際情況在上位機上設(shè)定讀卡器所讀信息量，寫入相應(yīng)信息，只需在對應(yīng)的輸入框中填寫相應(yīng)的信息并點擊確定按鈕。

5小結(jié)

基于RFID技術(shù)的射頻卡讀寫系統(tǒng)基于MFRC500進行開發(fā)。在添加容錯處理，加入操作中斷函數(shù)和上位機控制驅(qū)動的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了CAST5加密算法對信息數(shù)據(jù)進行加密，經(jīng)過檢測，本系統(tǒng)設(shè)計穩(wěn)定可行，有較強可移植性，可適用于考勤系統(tǒng)、自動售水系統(tǒng)、公交車收費系統(tǒng)等，有推廣價值。