射频卡公交收费机设计1
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射频卡公交收费机设计（一）
——MIFARE 1卡存储结构 与特性
课 程 目 标
MIFARE 1卡存储结构与读写操作
MIFARE 1卡值块结构与值操作
MIFARE 1卡防冲突特性与防冲突操作 MIFARE 1卡安全特性与存取控制设置
项目开发——射频卡公交收费系统
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 系统需求分析： 具备小额电子钱包功能，定额方式收费 操作方便快捷 工作距离<50cm 具备显示余额、异常报警（非法卡或余额不足） 可将当班收款额上传总站数据库 公交公司可调整定额额度 卡遗失可挂失 抗干扰能力强
ISO/IEC
国际标准组织/国 际电工委员会
全球非盈利 多个频段 工业标准组 织
识别卡与身份识别
ISO/IEC14443 自动识别 ISO/IEC15693 ISO/IEC18000
电子标签超微芯片
UID
泛在技术核心组织
日本电子厂 2.45GHz和 商、IT企业 13.56MHz
部分规格
IC 卡 CICC PICC VICC
PICC——Proximity ICC，称为接近（近耦合）卡；
VICC——Vicinity ICC，称为邻近（疏耦合）卡。 CD ——Coupling Device，是读写器中发射电磁波的部分
ISO/IEC14443国际标准
现阶段ISO/IEC 14443（草案）主要有两个体系并存： ISO/IEC14443-Type A、ISO/IEC14443-TypeB。 TypeA：以PHILIPS公司为代表，包括SIEMENS、 HITACHI、GEMPLUS、G&D和Schlumberger等公司 TypeB：以ST（意法半导体）、MOTOROLA、 ATMEL、韩国SAMSUNG和日本的NEC等公司为代 表。
Mifare 1 卡的密码认证方式
Mifare 1 卡的密码的认证采用了三次相互认 证的方法，具有很高的安全性。
（A）RB （E） 非 接 触 式卡读写器 （B）TOKEN AB （D）TOKEN BA Mifare 1 卡片 （ C）
设卡/读写器密钥为KEY1\KEY2，设卡/读写器加密算法为f1()，f2()
回顾：什么是非接触式IC卡？ Contactless ICC
非接触式 IC 卡是在卡中敷设天线，利用天线的接
收发射，与读写器的天线交换信号，实现一种无
线通讯，非接触式 IC 卡又被称为射频卡（ RFC—
—Radio Frequency Card），简称RF卡，非接触
式 IC 卡 系 统 被 称 为 射 频 识 别 系 统 （ RFID——
速率
慢 较快 快 中短(<1m) 短(<50cm) 远(1-10m) 迟钝 一定影响 敏感
非接触式IC卡的国际标准
标准组织
EPCglobal
全球产品电子代码 管理中心
阵营
欧美企业
沃尔玛、思科、敦 豪快递、麦德龙和 吉列等
频段
UHF(860960 MHz )
技术规范
电子产品代码(EPC)、 电子标签规范和互操 作性、识读器-电子标 签通信协议、中间件 软件系统接口等
实训 MIFARE 1卡的读写操作与存储结构
第二阶段：MIFARE 1卡密码操作
1、修改卡密码：修改MIFARE 1卡的扇区1块3的前6个字节数 据为666666666666，其余数据不变，点击写卡， 2、点击读卡，记录扇区1的读取状态 3、点击装载密码，修改扇区1的密码为666666666666，点击 下载 4、重新读卡，记录扇区1的内容。 5、恢复卡密码：修改MIFARE 1卡的扇区1块3的前6个字节数 据为FFFFFFFFFFFF，其余数据不变，点击写卡。 注意：切记将卡密码恢复为全F（步骤5），否则将导致该扇 区锁死
扇 区 0 块0(厂商标志) 块1 块2 块3 块0 扇 区 1 . . . . . . . . 块0 扇 区 15 块1 块2 块3(密码A+存取控制+密码B) 块1 块2 块3(密码A+存取控制+密码B)
块功能详解
1）厂商块
地址：扇区0块0
内容：IC卡厂商标志，包含卡序列号SN、卡类型号TagType及 卡容量字节等关键数据。 特性：只读，安全防伪
实训 MIFARE 1卡的读写操作与存储结构
第一阶段：MIFARE 1卡读写操作
2、值操作 点击值操作，对 MIFARE 1 卡的扇区 1 块 0 做值块初始 化，读出并记录块0数据，说明值块格式；对扇区 1块0做加值/减值操作，读出并记录操作结果。
Mifare 1卡片的存储结构
存储容量：1024×8位 字长（即1KB）， 存储介质：EEPROM 分为16个扇区（扇区0 ~15） 每个扇区有4个块 （Block）块0、块1、块 2和块3。 每个块有16个字节。 一个扇区共有 16 Byte×4 = 64 Byte
（A）环 ：Mifare 1卡向读写器发送一个随机数据RB；
（B）环 ：读写器收到RB后向Mifare 1卡片发送一个令牌TOKEN AB=f2(RB,KEY2)+读写器发出的一个随机数据RA；
（C）环 ：Mifare 1卡片收到 TOKEN AB 后，用卡中的密钥对TOKEN AB的加密的部分进行解密得到RB’=f1(TOKENAB,KEY1)；若 KEY1=KEY2 & f1()=f1()，则RB=RB’，校验正确，反之校验失败；
准备：
1、检查和设置拨码开关 2、按实训板上的标志连接电源、USB转串口通信线、JTAG通信线 3、打开电源开关。 4、下载读写器端嵌入式读写软件。 5、打开RFID应用软件，设定波特率为9600，连接串口。若不能通信成功， 请检查串口设置、波特率设置。 6、装载密码（Load Key）操作:在软件界面中选择密码集0（KEYSET0），密 码A（KEY A），将扇区0-14的密码A设置为全F，而将扇区15的密码A设置 为全0。 7、将MIFARE 1卡按任意方向置入天线有效工作范围内，选择M1卡，点击卡 操作进入卡操作界面。
ISO14443TypeA卡——Mifare 1 S50卡、Ultra Light卡 LEGIC Type A 卡、上海公交卡即华虹IC卡、复旦微电子 Type A 卡 ISO14443TypeB卡——ATMEL RF020 ISO15693（电子标签）卡——PHILIPS I-Code2、TI Tag-it标签 I-CODE（电子标签）卡—— PHILIPS I-Code、上海贝岭 BL75R02 SONY Felica卡——香港八达通、深圳通 中国二代身份证
（D） 环 ：如果（C）环校验是正确的，则Mifare 1卡片用卡中存放的 密码对RA加密后发送令牌TOKEN BA=f1(RA,KEY1)+给读写器 ； （E）环 ：读写器 收到令牌TOKEN BA后，用读写器中存放的密码对 令牌TOKEN BA中的RA（随机数）进行解密得到RA’= f2(TOKENBA,KEY2) ；同样，若KEY1=KEY2 & f1()=f1(),则RA=RA’， 校验正确，否则将无法通过校验；
（A）环 ：Mifare 1卡取随机数RB=1100，KEY1=1010，
加密/解密算法f1()=异或，发送RB给读写器 （B）环 ：读写器取随机数RA=0011，KEY2=1010， 加密/解密算法f2()=异或，对RB加密：TOKENAB=RB异或 KEY2=0110，发送TOKENAB+RA给卡 （C）环 ：Mifare 1卡片对TOKEN AB解密： RB’=TOKENAB异或KEY1=1100=RB，校验正确； （D） 环 ：Mifare 1卡片对RA加密
ISO/IEC18000国际标准
18000-1：物理层 18000-2：低于135KHz通信的空中接口的参数； 18000-3：在13.56MHz通信的空中接口的参数； 18000-4：在2.45GHz通信的空中接口的参数； 18000-5：5.8GHz通信的空中接口的参数； 18000-6：860-960MHz通信的空中接口的参数； 18000-7：433MHz通信的空中接口的参数；
Radio Frequency Identification）。
非接触式IC卡的基本构成
非接触式IC 卡：芯片+天线+卡基
耦合元件
外壳
芯片
不同频段射频卡的特点
特点 工作频率 数据传输 读写距离 环境影响 频段 低频 高频 超高频 125~134K Hz 13.56MHz 860~960M Hz
Mifare 1非接触式IC卡
基本性能指标： 卡内器件： 无线智能卡芯片Mifare MF1 IC S50 +天线线圈 标准： 遵从ISO/IEC 14443 Type A 标准 工作频率： 13.56MHz 数据传送速率： 106kbit/s （9.4μ s/bit）
实训 MIFARE 1卡的读写操作与存储结构
项目实现之第一步——卡型选择
接触式逻辑加密卡 低频非接触式ID卡
操作不方便
数据传输速率低，防冲突性 能差；没有加密，不安全
高频非接触式逻辑加密卡 超高频非接触式IC卡
数据传输率高，防冲 突性能好，安全性高
读写距离远，防冲突性能好；容易 受周围环境干扰，读写器成本高
目前13.56MHz的产品主要包括：
读写器 ห้องสมุดไป่ตู้CD PCD VCD
国际标准 ISO/IEC10536 ISO/IEC14443 ISO/IEC15693
读写距离 密耦合（0~1cm） 近耦合（7~10cm） 疏耦合（<1m）
工作频率 0~30MHz <135kHz,6.75MHz,13.56MHz, 27.125MHz
注释：ICC——集成电路卡 CICC——Close-Coupled ICC，紧密（密耦合）卡；
用户可以定义每一个存储器块的访问条件。每个扇区(每 应用)拥有各自独立的密钥,支持带密钥层次的多应用。
适合定额收费：
卡芯片中内建有增值/减值的专项数学运算电路，非常适 合公交/地铁等行业的定额收费系统
实训 MIFARE 1卡的读写操作与存储结构
第三阶段：存取控制条件设置
TOKENBA=RA异或KEY1=1001 ；发送TOKENBA给读写器
（E）环 ：读写器 对TOKEN BA解密： RA’=TOKENBA异或KEY2=0011=RA，校验正确
MIFARE 1卡特点：支持城市一卡通
EEPROM存储器结构提供多应用：
1K字节EEPROM，16个扇区, 4数据块/扇区，16字节/块。
块功能详解
3）区尾块 （Sector Trailer） 每个扇区的块3为区尾块，包含：
KEY A（6B）+ Access bits（4B）+KEY B（6B）
MIFARE 1卡的安全特性
密码认证：所有扇区需通过密码认证才能进行读/修改操 作。各扇区有独立的三套（keyset0/1/2），每套两个密钥 （KEYA/KEYB），从而可实现一应用一密钥。 存取控制：所有块可通过设置存取控制条件限制存取。 卡-机双向三重认证。 所有射频传输数据加密，不以明文形式出现。 传输密码（Transport Key），实现芯片交货时的 EEPROM保护。
实训 MIFARE 1卡的读写操作与存储结构
第一阶段：MIFARE 1卡读写操作
1、数据块读写 点击读卡，对MIFARE 1卡的扇区0、1和15的块0、 1 、2 进行读操作。修改块数据，点击写卡，对上 述 3 个扇区的块 0 、 1 、 2 进行写操作，记录各扇区 各块的读写情况（是否能读写）及读取的卡数据， 标明各块的类型及卡的类型号、序列号、容量字 节， 注意：不得随意修改各扇区块 3 的数据，特别是 访问权限字节，以免造成扇区被锁死。
块功能详解
2）数据块（块0~2） 每块16字节。可由区尾块中的存取控制位（access bits）配 置为：
读写块：
用作一般的数据操作，可用读/写命令直接读/写整个块 值块：
用作定值操作，可以进行加值/减值（INC/DEC）的运算。
数据块数据的读/写/加值/减值条件： 符合该块存取条件的要求 + 通过该扇区的密码认证。
——MIFARE 1卡存储结构 与特性
课 程 目 标
MIFARE 1卡存储结构与读写操作
MIFARE 1卡值块结构与值操作
MIFARE 1卡防冲突特性与防冲突操作 MIFARE 1卡安全特性与存取控制设置
项目开发——射频卡公交收费系统
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 系统需求分析： 具备小额电子钱包功能，定额方式收费 操作方便快捷 工作距离<50cm 具备显示余额、异常报警（非法卡或余额不足） 可将当班收款额上传总站数据库 公交公司可调整定额额度 卡遗失可挂失 抗干扰能力强
ISO/IEC
国际标准组织/国 际电工委员会
全球非盈利 多个频段 工业标准组 织
识别卡与身份识别
ISO/IEC14443 自动识别 ISO/IEC15693 ISO/IEC18000
电子标签超微芯片
UID
泛在技术核心组织
日本电子厂 2.45GHz和 商、IT企业 13.56MHz
部分规格
IC 卡 CICC PICC VICC
PICC——Proximity ICC，称为接近（近耦合）卡；
VICC——Vicinity ICC，称为邻近（疏耦合）卡。 CD ——Coupling Device，是读写器中发射电磁波的部分
ISO/IEC14443国际标准
现阶段ISO/IEC 14443（草案）主要有两个体系并存： ISO/IEC14443-Type A、ISO/IEC14443-TypeB。 TypeA：以PHILIPS公司为代表，包括SIEMENS、 HITACHI、GEMPLUS、G&D和Schlumberger等公司 TypeB：以ST（意法半导体）、MOTOROLA、 ATMEL、韩国SAMSUNG和日本的NEC等公司为代 表。
Mifare 1 卡的密码认证方式
Mifare 1 卡的密码的认证采用了三次相互认 证的方法，具有很高的安全性。
（A）RB （E） 非 接 触 式卡读写器 （B）TOKEN AB （D）TOKEN BA Mifare 1 卡片 （ C）
设卡/读写器密钥为KEY1\KEY2，设卡/读写器加密算法为f1()，f2()
回顾：什么是非接触式IC卡？ Contactless ICC
非接触式 IC 卡是在卡中敷设天线，利用天线的接
收发射，与读写器的天线交换信号，实现一种无
线通讯，非接触式 IC 卡又被称为射频卡（ RFC—
—Radio Frequency Card），简称RF卡，非接触
式 IC 卡 系 统 被 称 为 射 频 识 别 系 统 （ RFID——
速率
慢 较快 快 中短(<1m) 短(<50cm) 远(1-10m) 迟钝 一定影响 敏感
非接触式IC卡的国际标准
标准组织
EPCglobal
全球产品电子代码 管理中心
阵营
欧美企业
沃尔玛、思科、敦 豪快递、麦德龙和 吉列等
频段
UHF(860960 MHz )
技术规范
电子产品代码(EPC)、 电子标签规范和互操 作性、识读器-电子标 签通信协议、中间件 软件系统接口等
实训 MIFARE 1卡的读写操作与存储结构
第二阶段：MIFARE 1卡密码操作
1、修改卡密码：修改MIFARE 1卡的扇区1块3的前6个字节数 据为666666666666，其余数据不变，点击写卡， 2、点击读卡，记录扇区1的读取状态 3、点击装载密码，修改扇区1的密码为666666666666，点击 下载 4、重新读卡，记录扇区1的内容。 5、恢复卡密码：修改MIFARE 1卡的扇区1块3的前6个字节数 据为FFFFFFFFFFFF，其余数据不变，点击写卡。 注意：切记将卡密码恢复为全F（步骤5），否则将导致该扇 区锁死
扇 区 0 块0(厂商标志) 块1 块2 块3 块0 扇 区 1 . . . . . . . . 块0 扇 区 15 块1 块2 块3(密码A+存取控制+密码B) 块1 块2 块3(密码A+存取控制+密码B)
块功能详解
1）厂商块
地址：扇区0块0
内容：IC卡厂商标志，包含卡序列号SN、卡类型号TagType及 卡容量字节等关键数据。 特性：只读，安全防伪
实训 MIFARE 1卡的读写操作与存储结构
第一阶段：MIFARE 1卡读写操作
2、值操作 点击值操作，对 MIFARE 1 卡的扇区 1 块 0 做值块初始 化，读出并记录块0数据，说明值块格式；对扇区 1块0做加值/减值操作，读出并记录操作结果。
Mifare 1卡片的存储结构
存储容量：1024×8位 字长（即1KB）， 存储介质：EEPROM 分为16个扇区（扇区0 ~15） 每个扇区有4个块 （Block）块0、块1、块 2和块3。 每个块有16个字节。 一个扇区共有 16 Byte×4 = 64 Byte
（A）环 ：Mifare 1卡向读写器发送一个随机数据RB；
（B）环 ：读写器收到RB后向Mifare 1卡片发送一个令牌TOKEN AB=f2(RB,KEY2)+读写器发出的一个随机数据RA；
（C）环 ：Mifare 1卡片收到 TOKEN AB 后，用卡中的密钥对TOKEN AB的加密的部分进行解密得到RB’=f1(TOKENAB,KEY1)；若 KEY1=KEY2 & f1()=f1()，则RB=RB’，校验正确，反之校验失败；
准备：
1、检查和设置拨码开关 2、按实训板上的标志连接电源、USB转串口通信线、JTAG通信线 3、打开电源开关。 4、下载读写器端嵌入式读写软件。 5、打开RFID应用软件，设定波特率为9600，连接串口。若不能通信成功， 请检查串口设置、波特率设置。 6、装载密码（Load Key）操作:在软件界面中选择密码集0（KEYSET0），密 码A（KEY A），将扇区0-14的密码A设置为全F，而将扇区15的密码A设置 为全0。 7、将MIFARE 1卡按任意方向置入天线有效工作范围内，选择M1卡，点击卡 操作进入卡操作界面。
ISO14443TypeA卡——Mifare 1 S50卡、Ultra Light卡 LEGIC Type A 卡、上海公交卡即华虹IC卡、复旦微电子 Type A 卡 ISO14443TypeB卡——ATMEL RF020 ISO15693（电子标签）卡——PHILIPS I-Code2、TI Tag-it标签 I-CODE（电子标签）卡—— PHILIPS I-Code、上海贝岭 BL75R02 SONY Felica卡——香港八达通、深圳通 中国二代身份证
（D） 环 ：如果（C）环校验是正确的，则Mifare 1卡片用卡中存放的 密码对RA加密后发送令牌TOKEN BA=f1(RA,KEY1)+给读写器 ； （E）环 ：读写器 收到令牌TOKEN BA后，用读写器中存放的密码对 令牌TOKEN BA中的RA（随机数）进行解密得到RA’= f2(TOKENBA,KEY2) ；同样，若KEY1=KEY2 & f1()=f1(),则RA=RA’， 校验正确，否则将无法通过校验；
（A）环 ：Mifare 1卡取随机数RB=1100，KEY1=1010，
加密/解密算法f1()=异或，发送RB给读写器 （B）环 ：读写器取随机数RA=0011，KEY2=1010， 加密/解密算法f2()=异或，对RB加密：TOKENAB=RB异或 KEY2=0110，发送TOKENAB+RA给卡 （C）环 ：Mifare 1卡片对TOKEN AB解密： RB’=TOKENAB异或KEY1=1100=RB，校验正确； （D） 环 ：Mifare 1卡片对RA加密
ISO/IEC18000国际标准
18000-1：物理层 18000-2：低于135KHz通信的空中接口的参数； 18000-3：在13.56MHz通信的空中接口的参数； 18000-4：在2.45GHz通信的空中接口的参数； 18000-5：5.8GHz通信的空中接口的参数； 18000-6：860-960MHz通信的空中接口的参数； 18000-7：433MHz通信的空中接口的参数；
Radio Frequency Identification）。
非接触式IC卡的基本构成
非接触式IC 卡：芯片+天线+卡基
耦合元件
外壳
芯片
不同频段射频卡的特点
特点 工作频率 数据传输 读写距离 环境影响 频段 低频 高频 超高频 125~134K Hz 13.56MHz 860~960M Hz
Mifare 1非接触式IC卡
基本性能指标： 卡内器件： 无线智能卡芯片Mifare MF1 IC S50 +天线线圈 标准： 遵从ISO/IEC 14443 Type A 标准 工作频率： 13.56MHz 数据传送速率： 106kbit/s （9.4μ s/bit）
实训 MIFARE 1卡的读写操作与存储结构
项目实现之第一步——卡型选择
接触式逻辑加密卡 低频非接触式ID卡
操作不方便
数据传输速率低，防冲突性 能差；没有加密，不安全
高频非接触式逻辑加密卡 超高频非接触式IC卡
数据传输率高，防冲 突性能好，安全性高
读写距离远，防冲突性能好；容易 受周围环境干扰，读写器成本高
目前13.56MHz的产品主要包括：
读写器 ห้องสมุดไป่ตู้CD PCD VCD
国际标准 ISO/IEC10536 ISO/IEC14443 ISO/IEC15693
读写距离 密耦合（0~1cm） 近耦合（7~10cm） 疏耦合（<1m）
工作频率 0~30MHz <135kHz,6.75MHz,13.56MHz, 27.125MHz
注释：ICC——集成电路卡 CICC——Close-Coupled ICC，紧密（密耦合）卡；
用户可以定义每一个存储器块的访问条件。每个扇区(每 应用)拥有各自独立的密钥,支持带密钥层次的多应用。
适合定额收费：
卡芯片中内建有增值/减值的专项数学运算电路，非常适 合公交/地铁等行业的定额收费系统
实训 MIFARE 1卡的读写操作与存储结构
第三阶段：存取控制条件设置
TOKENBA=RA异或KEY1=1001 ；发送TOKENBA给读写器
（E）环 ：读写器 对TOKEN BA解密： RA’=TOKENBA异或KEY2=0011=RA，校验正确
MIFARE 1卡特点：支持城市一卡通
EEPROM存储器结构提供多应用：
1K字节EEPROM，16个扇区, 4数据块/扇区，16字节/块。
块功能详解
3）区尾块 （Sector Trailer） 每个扇区的块3为区尾块，包含：
KEY A（6B）+ Access bits（4B）+KEY B（6B）
MIFARE 1卡的安全特性
密码认证：所有扇区需通过密码认证才能进行读/修改操 作。各扇区有独立的三套（keyset0/1/2），每套两个密钥 （KEYA/KEYB），从而可实现一应用一密钥。 存取控制：所有块可通过设置存取控制条件限制存取。 卡-机双向三重认证。 所有射频传输数据加密，不以明文形式出现。 传输密码（Transport Key），实现芯片交货时的 EEPROM保护。
实训 MIFARE 1卡的读写操作与存储结构
第一阶段：MIFARE 1卡读写操作
1、数据块读写 点击读卡，对MIFARE 1卡的扇区0、1和15的块0、 1 、2 进行读操作。修改块数据，点击写卡，对上 述 3 个扇区的块 0 、 1 、 2 进行写操作，记录各扇区 各块的读写情况（是否能读写）及读取的卡数据， 标明各块的类型及卡的类型号、序列号、容量字 节， 注意：不得随意修改各扇区块 3 的数据，特别是 访问权限字节，以免造成扇区被锁死。
块功能详解
2）数据块（块0~2） 每块16字节。可由区尾块中的存取控制位（access bits）配 置为：
读写块：
用作一般的数据操作，可用读/写命令直接读/写整个块 值块：
用作定值操作，可以进行加值/减值（INC/DEC）的运算。
数据块数据的读/写/加值/减值条件： 符合该块存取条件的要求 + 通过该扇区的密码认证。