非接觸IC卡讀卡器的開發(fā)研究

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：李揚(yáng)弘 李秉智   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年11月17日

    隨著高校招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，學(xué)生人數(shù)逐漸增多，用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行管理工作已經(jīng)不能快速高效地解決學(xué)生提出的學(xué)習(xí)、生活、消費(fèi)的需求問題。校園一卡通系統(tǒng)就是使用先進(jìn)的非接觸IC 卡技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，針對(duì)學(xué)校的綜合管理而開發(fā)設(shè)計(jì)的。一卡通系統(tǒng)以非接觸IC 卡作為載體，結(jié)合電子技術(shù)、非接觸IC 卡技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，使其具有身份識(shí)別和電子錢包的功能，可替代校園日常生活所需各種證件和現(xiàn)金交易，達(dá)到證件、考勤、消費(fèi)娛樂、餐飲等收費(fèi)的全電子化和智能化。結(jié)束了傳統(tǒng)校園生活中證件、卡片和票據(jù)滿天飛的情況，將多種管理系統(tǒng)集成為一體，以一卡通的形式進(jìn)行諸如簽到考勤、身份證明、借閱圖書、校園消費(fèi)等多種活動(dòng)，使用方便快捷，安全可靠，做到“一卡在手，走遍校園”。 

    1 校園一卡通系統(tǒng)簡介 

    構(gòu)建校園一卡通系統(tǒng)是為了利用已有的校園網(wǎng)絡(luò)和普及的PC 機(jī)建成一個(gè)用于綜合管理的系統(tǒng)，它主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、PC 機(jī)、非接觸IC 卡、讀卡器和通訊網(wǎng)絡(luò)及其所需軟件組成。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則為安全、快捷、一卡通用性和可擴(kuò)展性，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用業(yè)界流行的Client/Server 體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用目前流行的SQL Server 構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，其基本表包括學(xué)生信息表，教師信息表，課程安排信息表，電子錢包剩余金額信息表等，隨系統(tǒng)擴(kuò)展可加入更多的基本表。數(shù)據(jù)庫進(jìn)行字段加密，

    只能通過服務(wù)器端程序手動(dòng)或者自動(dòng)訪問，避免直接對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行不安全的訪問。作為客戶端的PC 機(jī)上運(yùn)行客戶端程序，控制讀卡器運(yùn)作并與服務(wù)器端程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。用戶持非接觸IC 卡，可在各種讀卡器上進(jìn)行相應(yīng)的操作，或在客戶端PC機(jī)上做許可范圍內(nèi)的查詢。讀卡器程序與非接觸IC 卡進(jìn)行相互通信和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作管理，是整個(gè)一卡通系統(tǒng)的控制程序。讀卡器程序的開發(fā)，是實(shí)現(xiàn)一卡通系統(tǒng)的關(guān)鍵。一卡通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。 

    2 非接觸IC 卡子系統(tǒng) 

    非接觸IC 卡子系統(tǒng)由讀卡器、非接觸IC 卡、PC 機(jī)以及運(yùn)行在PC 上的控制程序組成。讀卡器和非接觸IC 卡之間使用射頻技術(shù)進(jìn)行通信。 

    2.1 射頻技術(shù)及MIFARE 非接觸IC 卡介紹 

    射頻識(shí)別技術(shù)是利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)。它與同期或早期的接觸式識(shí)別技術(shù)不同。RFID 系統(tǒng)的射頻卡和讀寫器之間不用接觸就可完成識(shí)別，因此它可在更廣泛的場合中應(yīng)用。其工作原理如圖2 所示。

    MIFARE 非接觸式IC 卡由IC 芯片，感應(yīng)天線組成，并完全密封在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)PVC 卡片中，無外露部分。讀寫過程通常由非接觸型IC 卡與讀寫器之間通過無線電波來完成讀寫操作。
 
    卡本身是無源體，當(dāng)讀寫器對(duì)卡進(jìn)行讀寫操作時(shí)，讀寫器發(fā)出的信號(hào)由兩部分疊加組成：一部分是電源信號(hào)，該信號(hào)由卡接收后，與其本身的L/C 產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生一個(gè)瞬間能量來供給芯片工作。另一部分則是結(jié)合數(shù)據(jù)信號(hào)，指揮芯片完成數(shù)據(jù)的讀取、修改、存儲(chǔ)等，并返回給讀寫器。由非接觸式IC 卡所形成的讀寫系統(tǒng)，無論是硬件結(jié)構(gòu)，還是操作過程都得到了很大的簡化，同時(shí)借助于先進(jìn)的管理軟件，可脫機(jī)的操作方式，都使數(shù)據(jù)讀寫過程更為簡單。 

    2.2 ZLG500B 讀卡模塊數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 

    ZLG500B 是一個(gè)簡單的串行讀寫模塊，包括一個(gè)PCB 天線，提供一個(gè)UART 接口（CMOS 電平）。UART 接口一幀的數(shù)據(jù)格式為1 個(gè)起始位，8 個(gè)數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)位，1 個(gè)停止位，自動(dòng)波特率探測。ZLG500B 上電后，將RC500 內(nèi)的EERPOM中地址為0×7F 單元的內(nèi)容讀出，取其低2 位來初始化自己的波特率。在接收主機(jī)發(fā)出的STX 的同時(shí)，測量波特率，若一致，則繼續(xù)通信；若不一致，則修改自己的波特率與主機(jī)一致，存入0×7F 單元，準(zhǔn)備接收下一個(gè)STX。STX 為開始符，值為0×20；ETX 為終止符，值為0x03；應(yīng)答ACK 和無應(yīng)答NAK 的值分別為0×06、0- 15。 

    開始通信前，主機(jī)和ZLG500B 斗處于就緒狀態(tài)，主機(jī)首先發(fā)出STX，然后等待ZLG500B 的響應(yīng)ACK。若在10ms 內(nèi)未檢測到此響應(yīng)，或收到NAK，則再次發(fā)送STX，若三次均未收到正確應(yīng)答，則退出本次傳輸，將錯(cuò)誤代碼返回主程序，由主程序進(jìn)行錯(cuò)誤處理。若收到正確響應(yīng)ACK，則發(fā)送數(shù)據(jù)塊，最后發(fā)送終止符ETX 結(jié)束本次發(fā)送。 

    2.3 基于串口通信的讀卡器開發(fā) 

    2.3.1 程序界面開發(fā) 

    系統(tǒng)采用對(duì)話框形式作為界面，包括主界面、設(shè)置界面、讀寫操作界面和網(wǎng)絡(luò)操作界面共四個(gè)界面，主界面用按鈕連接到其他三個(gè)界面。主界面使用一個(gè)按鈕來提供自動(dòng)簽到和手動(dòng)操作，由單擊按鈕在簽到和操作之間切換。簽到系統(tǒng)為自動(dòng)控制，屏蔽除退出以外的其他按鈕，讀卡器每讀到一張屬于本系統(tǒng)的卡，就自動(dòng)將所讀到的學(xué)號(hào)、讀卡器號(hào)和當(dāng)前時(shí)間記錄到本地?cái)?shù)據(jù)庫，以便于統(tǒng)計(jì)查詢。選取操作則可使用從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫調(diào)用詳細(xì)資料、修改卡中數(shù)據(jù)等需要手動(dòng)操作的其他服務(wù)，例如電子錢包消費(fèi)或初始化向卡寫入數(shù)據(jù)。設(shè)置界面由主界面“設(shè)置”按鈕打開，提供串口和波特率設(shè)置。讀寫操作界面由“讀寫卡”按鈕打開，能讀寫卡中特定允許地址的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)操作界面由“網(wǎng)絡(luò)操作”按鈕打開，提供對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的讀寫和更新。

    2.3.2 基于多線程的串口通信 

    串行端口的本質(zhì)功能是作為CPU 和串行設(shè)備間的編碼轉(zhuǎn)換器。當(dāng)數(shù)據(jù)從CPU 經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時(shí)，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，串行的位被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。在Windows 環(huán)境（Windows NT、Win98、Windows2000）下，串口是系統(tǒng)資源的一部分。應(yīng)用程序要使用串口進(jìn)行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請(qǐng)要求（打開串口），通信完成后必須釋放資源（關(guān)閉串口）。在MFC 下32 位串口通信程序可以用以下三種方法實(shí)現(xiàn)：

    利用VC++的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)_inp 和_outp 可實(shí)現(xiàn)串口通信，利用ActiveX 控件和使用API 通信函數(shù)。VC++6.0 的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)用類似i=inp（PORT+5）&& 0xfe，outp（PORT+5，i）的形式操作串口。VC++6.0 提供的MSComm控件通過串行端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通信功能，編程時(shí)只需將控件對(duì)話中的MSComm 控件拖至你的應(yīng)用對(duì)話框中，在主對(duì)話框的.h 文件中為新創(chuàng)建的通信控件定義成員對(duì)象（CMSComm m_Comm），通過該對(duì)象便可以設(shè)置操作MSComm控件的27 個(gè)屬性，格式為“m_Comm.屬性”?？丶m然簡單易用，但由于必須拿到對(duì)話框中使用，在一些需要在線程中實(shí)現(xiàn)通信的應(yīng)用場合下，控件的使用顯得捉襟見肘。API 是附帶在Windows 內(nèi)部的一個(gè)極其重要的組成部分，Windows 的32 位API 主要是一系列很復(fù)雜的函數(shù)和消息集合。它可以看作是Windows 系統(tǒng)為在其下運(yùn)行的各種開發(fā)系統(tǒng)提供的開放式通用功能增強(qiáng)接口。 

    ZLG500B 開發(fā)板使用VC++標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)封裝了一些底層和高層庫函數(shù)，使用這些庫函數(shù)可以簡化開發(fā)工作。首先將庫函數(shù)文件放入工作目錄中，在.CPP 中包含zlg500B.h 頭文件，然后將zlg500B.lib 加入到工程文件中。這樣在程序中，就可以象調(diào)用VC 庫函數(shù)一樣調(diào)用這些函數(shù)了。 

    程序采用多線程技術(shù)，解決串口輸入的瓶頸問題，當(dāng)讀卡工作線程運(yùn)行的時(shí)候，程序可以做一些其他的事情，比如操作服務(wù)器數(shù)據(jù)庫等。而用戶界面始終可以繼續(xù)操作，一個(gè)永遠(yuǎn)有反應(yīng)的UI 是很重要的。除由進(jìn)程產(chǎn)生的主線程外，程序產(chǎn)生三個(gè)工作線程，分別用于卡的檢測、卡的操作和socket 通信。由主程序創(chuàng)建檢測卡的工作線程： 

pCheckThread=AfxBeginThread（ThreadFunc，this，0，THREAD_PRIORITY_NORMAL，CREATE_SUSPENDED） 

    其中最后一個(gè)參數(shù)表示創(chuàng)建線程的同時(shí)掛起線程，在程序中由設(shè)置按鈕的響應(yīng)函數(shù)在設(shè)置端口和波特率后恢復(fù)線程運(yùn)行。主線程由按鈕事件驅(qū)動(dòng)控制整個(gè)程序流程，產(chǎn)生需要的工作線程。程序入口之前聲明一些全局變量，包括讀卡所需的數(shù)據(jù)、緩沖區(qū)、序列號(hào)等的全局結(jié)構(gòu)datas 和全局標(biāo)志量等，用于各線程之間數(shù)據(jù)通信。程序流程結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。
 
    無接觸IC 卡本身是無源體，由讀卡器發(fā)出的信號(hào)提供工作能量，所以讀卡器工作線程采用主動(dòng)輪循檢測卡，在關(guān)閉軟件之前，它將一直運(yùn)行。讀卡線程設(shè)置一靜態(tài)變量用于每次結(jié)束后儲(chǔ)存卡的序列號(hào)，初始化讀卡模塊，然后開始檢測有效范圍是否有卡，發(fā)現(xiàn)卡后獲得序列號(hào)存入局部變量，裝載密碼防沖撞選擇，選擇卡進(jìn)行認(rèn)證，成功后驅(qū)動(dòng)蜂鳴器并比較獲得的序列號(hào)的局部變量和存上次的序列號(hào)的靜態(tài)變量，不同則更新靜態(tài)變量的序列號(hào)并檢測運(yùn)行狀態(tài)：為簽到狀態(tài)就讀入特定地址需要的數(shù)據(jù)，寫入到本地?cái)?shù)據(jù)庫，為操作狀態(tài)就設(shè)置標(biāo)志量，完成所有步驟或者某一步不能通過都返回循環(huán)開始處繼續(xù)查找。程序提供一個(gè)全局二維鏈表，首節(jié)點(diǎn)保存當(dāng)天日期，其他節(jié)點(diǎn)保存已簽到卡號(hào)，每次讀卡后在鏈表中查找卡號(hào)，為新卡則增加節(jié)點(diǎn)將卡號(hào)寫入，再將所需數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，以此來保證不重復(fù)簽到。操作狀態(tài)下由讀寫操作按鈕事件建立讀寫操作線程，扇區(qū)和塊選擇由讀寫操作界面上用戶輸入然后傳遞給線程函數(shù)。每一次讀寫、增加或減少數(shù)據(jù)之前必須首先請(qǐng)求應(yīng)答與卡建立第一步聯(lián)系、防沖撞在多張卡片中選定一張、select 卡片選擇明確可對(duì)卡進(jìn)行下一步操作，上述的三個(gè)步驟確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片，還必須對(duì)卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證，如果匹配，則允許進(jìn)一步的讀寫等操作。

    對(duì)卡的密碼驗(yàn)證的三遍認(rèn)證過程：由Mifare 卡片向讀寫器發(fā)送一個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)RB；由讀寫器收到RB 后向Mifare 卡片發(fā)送一個(gè)令牌數(shù)據(jù)TOKENAB，其中包含了讀寫器發(fā)出的一個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)RA；Mifare 卡片收到TOKEN AB 后，對(duì)TOKEN AB 的加密的部分進(jìn)行解密，并校驗(yàn)第一次由Mifare 卡片發(fā)出去的隨機(jī)數(shù)RB 是否與環(huán)中接收到的TOKEN AB 中的RA 相一致；如果校驗(yàn)是正確的，則Mifare 卡片向讀寫器發(fā)送令牌TOKEN BA 給讀寫器；讀寫器收到令牌TOKEN BA 后，讀寫器將對(duì)令牌TOKEN BA 中的RB 進(jìn)行解密；并校驗(yàn)第一次由讀寫器發(fā)出去的隨機(jī)數(shù)RA 是否與接收到的TOKEN BA 中的RB 相一致；如果上述的每一步都為“真”，都能正確通過驗(yàn)證，則整個(gè)的認(rèn)證過程將成功。讀寫器將能對(duì)剛剛認(rèn)證通過的卡片上的這個(gè)扇區(qū)可以進(jìn)入下一步的操作（READ/WRITE 等操作）?？ㄆ械钠渌葏^(qū)由于有其各自的密碼，因此不能對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的操作。如想對(duì)其他扇區(qū)進(jìn)行操作，必須完成上述的認(rèn)證過程。認(rèn)證過程中的任何一環(huán)出現(xiàn)差錯(cuò)，整個(gè)認(rèn)證將告失敗，必須從新開始。MIFARE 卡片上有16 個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)都可分別設(shè)置各自的密碼，互不干涉。因此每個(gè)扇區(qū)可獨(dú)立地應(yīng)用于一個(gè)應(yīng)用場合，滿足一卡多用的需要。 

    程序里放置了一個(gè)身份驗(yàn)證模塊來維護(hù)系統(tǒng)安全，確保用戶不能越權(quán)使用。用戶在對(duì)卡數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作的時(shí)候會(huì)要求輸入密碼。不同的用戶輸入不同的個(gè)人密碼將擁有不同的權(quán)限，密碼是與卡相對(duì)應(yīng)的，刷卡相當(dāng)于輸入用戶名。不輸入任何密碼只能基本的簽到功能，輸入用戶密碼可以查詢個(gè)人資料，通過鍵盤輸入密碼，允許持卡人輸入三次密碼，如果三次輸?shù)亩疾粚?duì)，卡就會(huì)被鎖住，只有PIN 碼對(duì)了，用戶才能對(duì)卡進(jìn)行操作。高級(jí)系統(tǒng)管理員才有權(quán)限修改用戶卡和數(shù)據(jù)庫資料和讓鎖住的卡重新投入使用，保證整個(gè)系統(tǒng)安全使用。程序在運(yùn)行過程中檢測到串口上下行數(shù)據(jù)為： 
    【W(wǎng)rite 數(shù)據(jù)：】20 主機(jī)首先發(fā)送
    【Read 數(shù)據(jù)：】06 收到ZLG500B 的正確響應(yīng)
    【W(wǎng)rite 數(shù)據(jù)：】00 52 00 AD 03 主機(jī)發(fā)送打開串口的命
    令03 作為終止符
    【W(wǎng)rite 數(shù)據(jù)：】20
    【Read 數(shù)據(jù)：】06
    【W(wǎng)rite 數(shù)據(jù)：】00 41 01 00 BF 03 主機(jī)發(fā)送request 命令
    【Read 數(shù)據(jù)：】20
    【W(wǎng)rite 數(shù)據(jù)：】06
    【Read 數(shù)據(jù)：】00 00 02 04 00 F9 03 request 命令成功返回
    【W(wǎng)rite 數(shù)據(jù)：】20 20 20 主機(jī)收不到響應(yīng)的情況，將
    連發(fā)三次后返回
    通過長達(dá)100h 的單機(jī)測試，程序運(yùn)行良好，完全能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。 
    
    3 結(jié)束語 

    基于PC 開發(fā)讀卡器程序，是實(shí)現(xiàn)校園一卡通系統(tǒng)的關(guān)鍵，利用現(xiàn)有普及的PC 機(jī)，能縮減構(gòu)建系統(tǒng)的成本，提高資源利用率，簡化校園管理，方便學(xué)生的校園生活。隨著不斷深入研究完善校園一卡通系統(tǒng)，系統(tǒng)將能應(yīng)用到更多領(lǐng)域，有著廣闊的前景