具有防復制卡功能的ID卡讀卡器設計與實現

潘春偉++羅明華++姚慶梅

摘 要：提出一種可以排斥復制卡的125 kHz ID卡讀卡器設計方案。以51單片機為控制核心，HTRC110作為射頻接口芯片，配以適當的天線電路、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天線的開閉實現對射頻場中的卡片復位，然后打開讀卡通道限時接收，利用復制卡進入磁場后開始發送卡號信息的時間滯后于原版卡的特性，實現讀卡器對復制卡的排斥抑制。實際測試效果良好，證明方案設計合理可行。

關鍵詞：讀卡器；排斥；復制ID卡；天線復位；限時讀取

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

0 引 言

125 kHz ID卡結構簡單，40位的卡片序列號包含在卡內一個64位的卡號信息中，與讀卡器使用TTF（Tag Talk First）方式通訊，廣泛應用于考勤、門禁、微金額支付等系統中。由于卡片向讀寫器傳送數據時使用了非加密的明碼方式，使得復制、偽造卡片十分容易且成本低廉。

根據常見復制卡的特點，本文設計了一種新型125 kHz防復制ID卡讀卡器，可以對使用Temic、Hitags、EM系列等可讀寫卡復制的ID卡進行屏蔽排斥，從而有效保護用戶系統的安全。

1 理論分析

原版的ID卡功能單一，出廠時已將64位的卡號信息固化在卡片的非易失性存儲器內。卡片進入125 kHz的射頻場后得電復位，立即主動將64位卡號信息持續循環向讀卡器發送。原版卡的上電復位時間極短，我們以EM4100卡片為例[1]，其說明書中雖然沒有給出準確的卡片復位時間，但經大量實際測試表明該值小于1 ms。

用于復制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是，一方面可讀寫卡片比同類型只讀卡片的電路結構復雜，相同情況下電路復位比只讀卡需要更的時間；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，通常還可以設定通訊的數據編碼和速率，故卡片電路復位完成后還要讀出配置信息，以便決定進入哪種工作模式，執行何種通訊數據編碼和通訊速率。因此，從進入射頻場，到開始向讀寫器發送數據，復制的ID卡所用的時間要遠遠大于原版的ID卡。

上述三種常用于復制的卡片，從其數據說明書中可以查得準確的卡片從進入磁場到開始以TTF模式發送數據的時間[2-4]，與原版卡對比可以得到表1。

普通125 kHz ID卡工作時數據傳輸速率是2 Kb/s，傳送1位的時間是512 μs，傳送64位的卡號信息共需32.768 ms。根據表1中數據可以得出結論，若原版卡和復制卡同時進入射頻場，復制卡開始主動發送數據的時間至少比原版卡滯后2ms，即滯后約4個數據位（512 μs×4≈2 ms）。根據這一差別，設計讀卡器時如果在打開射頻場后延時1 ms開始讀取數據，則在之后的32.768 ms時間內可讀到原版卡的全部64位卡號信息，而復制ID卡只能讀取約60位。利用這一特性，就可以設計出屏蔽復制卡的ID卡讀卡器。

2 硬件設計

從前述理論分析可看出，屏蔽復制卡的機制主要在于軟件，硬件方面沒特殊要求。如圖1所示，整個系統以普通的51單片機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芯片實現卡片信息讀取，讀到的64位卡號信息經解碼后得到40位有效卡號通過串口輸出，并驅動聲光電路動作。此外串口還可以實現單片機的ISP功能，電源電路實現對整個系統穩定可靠供電。

2.1 主控芯片電路

主控芯片完成系統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，技術成熟、物美價廉的51系列單片機就可以滿足設計要求。

圖1 系統硬件框圖

系統選用宏晶科技STC89C52RC單片機作為主控芯片[5]，STC89C52RC的最高時鐘頻率可達80 MHz，內部自帶8 KB FLASH程序存儲器和512字節數據存儲器，有3個定時器和1個串口，并可通過串口實現ISP程序下載與更新。

STC89C52RC外圍配以簡單的阻容復位電路，為獲得較為準確的定時時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寫數據、AM/PM讀數據的射頻卡片（標簽），可以對數據實現調制與解調，根據系統或卡片（標簽）的需要設置芯片增益、帶寬等參數，并可通過軟件打開或關閉天線。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

通訊電路實現有效卡片序列號的輸出，并實現ISP程序下載功能。系統中選用一片MAX232實現串口通訊，其電路采用經典的4電容接法。聲光指示電路用于讀卡信息指示，當讀到有效卡號時，LED閃爍并伴蜂鳴器動作。

3 軟件設計

防復制ID卡讀卡器的軟件主要由系統初始化程序、卡片信息接收、卡片信息解碼、數據輸出與狀態指示等部分組成。系統軟件總框圖如圖3所示，開機初始化完成后即進入無限循環讀卡，每次先復位射頻場中的卡片，接著在限定時間內持續接收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，同時驅動聲光指示。

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初始化在開機后的系統初始化階段進行，其流程圖見圖4。首先通過HTRC110的4個配置頁設置芯片相關工作參數，包括：通過配置頁0，設置通頻帶為160Hz～3kHz，設置放大器增益為500；通過向配置頁1寫入0打開天線；向配置頁3寫入0設置HTRC110的外部晶振為4 MHz。之后的AST設置和通用設置都是HTRC110廠家指定必須執行的序列[6]。經過上述步驟，HTRC110初始化設置完成，開始準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。首先通過設置配置頁1的TXDIS位關閉天線，射頻場中的所有卡片因為失去能量來源而全部斷電，5 ms后清除TXDIS位打開天線，射頻場內的所有卡片得電復位，原版卡直接進入TTF模式循環發送64位卡號信息，復制卡讀取配置頁數據，根據配置參數開始進入TTF模式循環發送64位卡號信息。

HTRC110在打開天線后立即設置為數據接收模式，然后延時1 ms以等待原版卡復位，之后開始限時接收數據。接收64位卡號信息需要32.768 ms，為增加接收的可靠性，接收時間設置為接收65位數據的時間，即512 μs×65=33.28ms，在此時間內CPU循環查詢HTRC110的DOUT引腳。64位ID卡的數據采用曼徹斯特編碼，上升沿表示數據“1”，下降沿表示數據“0”，發送連續的“0”或“1”時，兩個數據沿之間增加一個狀態轉換沿[7]。在DOUT端，捕捉到數據沿則立即將數據移位進入數據緩沖區，如果是狀態轉換沿則繼續監測DOUT端的下一個電平跳變。如果在33.28 ms時間內接收到64個有效數據位則轉去解碼程序，否則繼續進行下一次復位天線接收數據的循環。根據前述理論分析，只有原版卡可以在33.28 ms的時間內送出完整的64位卡號信息，復制卡無法全部送出，從而實現了對復制卡的屏蔽抑制。

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實現從接收的64位卡號信息中提取40位有效的卡片序列號并校驗其正確性。卡片內卡號信息的結構如表2所示，其中9個“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位（卡序列號5字節共40位，每4位增加一個行偶校驗位），最后是4位列偶檢驗及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“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，缺點是由于要先識別卡號信息的頭部，導致接收時間變長。本設計由于要利用復制卡發送卡號信息起始時間的滯后性實現對復制卡的抑制，允許接收的時間嚴格控制為33.28ms，故不能先識別頭部，而是有數據就接收，先存儲后解碼。這樣接收到的數據可能并不是以9個“1”開頭，因此第一步先找出緩存中64位卡號數據的頭部，方法是將64位卡號數據做大循環右移，每移1位立即檢查開始的9位是不是9個“1”且第64位是不是結束位“0”，不是則繼續移位直至找到頭部。如果移位64次后都沒有找到頭部則說明接收的數據有誤，返回接收程序繼續接收。

圖6 卡片序列號解碼程序流程圖

找到數據的頭部后，從頭部的下一位（第10位）開始到第59位，每5位正好對應半個字節卡序列號數據及1位偶校驗位，因此可以每5位提取作為一個字節，50位共提取10個字節。第60位到64位是列校驗位和停止位，此5位提取作為第11個字節。

數據提取完成后先對前10個字節作行偶校驗，再將前10個字節與第11字節進行列偶校驗，校驗通過說明接收到正確的卡號，將前10個字節中除校驗位之外的數據提取組合為5個字節，即為最后有效的16進制卡片序列號。

4 實驗測試

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

5 結 語

本文討論了根據復制卡在進入磁場后發送卡片信息的時間滯后于原版卡的特性實現讀卡器屏蔽復制卡的方法和主要技術。系統硬件結構簡單，軟件實現容易。隨著技術的發展，復位時間更短的復制卡，本系統可能會發生誤讀，另外使用更快的CPU代替51單片機可以大大提高系統性能。

參考文獻

[1] The Data Sheet of EM4100 Read Only Contactless Identification Device [R]. EM Microelectronic-Marin SA，2004.

[2] The Data Sheet of HITAG S HTS IC H32/ HTS IC H56/HTS IC H48 Transponder IC [R].NXP Semiconductors，2006.

[3] The Data Sheet of Multifunctional 330-bit Read/Write RF-Identification IC ATA5567 [R].Atmel Corporation，2008.

[4] The Data sheet of EM4205-EM4305 512 bit Read/Write Multi-purpose Contactless Identification Device [R].EM Microelectronic-Marin SA，2013.

[5] STC89C51RC/RD+系列單片機器件手冊 [R].宏晶科技，2014.

[6] Application note of Read/write devices based on the HITAG read/write IC HTRC110 [R].NXP Semiconductors，2010.

[7] The Data Sheet of HTRC110 Hitag Reader Chip [R]. NXP Semiconductors，2010.

[8] 康文廣，王輝映. 一種RFID的曼徹斯特解碼技術[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2010（12）：20-22.