基于Profibus-DP的智能IC卡收費控制系統研究
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者： 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2012年03月18日
摘 要：文章介紹了智能IC卡，分析了其存在的缺陷，采 用了PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )技術(shù)對收費系統實(shí)現分布式控制,真正實(shí)現了一卡多用,集收費、管理 和銀行建立統一支付接口于一身,極大提高了管理和工作效率。
關(guān)鍵詞：智能IC卡；EEPROM；COS；收費控制系統；PROFIBUS-DP
中圖分類(lèi)號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1007—6921(2010)05—0107—04
隨著(zhù)信息產(chǎn)業(yè)的日異革新以及網(wǎng)絡(luò )的迅猛發(fā)展，智能IC卡技術(shù)已被社會(huì )的各行各業(yè)所接受并 應用，其中非接觸式智能IC卡因其“一卡通”,技術(shù)的先進(jìn)、使用的便利、保密安全等特性 越來(lái)越廣泛地應用在各個(gè)領(lǐng)域，政府機關(guān)、辦公大樓、智能小區、大型企業(yè)、商業(yè)消費、高 速公路收費、校園、醫院等，身份識別、停車(chē)場(chǎng)管理、門(mén)禁、通道控制、考勤、會(huì )議簽到、 訪(fǎng)客管理、人事資料、保安巡更、資源管理/電梯控制、消費/POS、圖書(shū)管理、能源控制等 是最常用的功能。
城市交通是實(shí)現現代社會(huì )完成再生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節之間的紐帶，是生產(chǎn)和消費之間的橋梁，是保 證人與貨物流通，維持城市生機的關(guān)鍵；因而，城市交通也成了城市賴(lài)于生存和發(fā)展的基本 條件之一。本文基于交通收費系統的重要性,將非接觸式智能IC卡應用在高速公路的收費系 統當中提高高速公路收費站的車(chē)輛流通的速度和提高交通系統的調度和監控效率。
PROFIBUS是德國20世紀90年代初制定的國家工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議標準,代號DIN19245。PROFIBU S于1996年成為歐洲標準EN50170，1999年底成為國際標準IEC61158的組成部分，已被全世界 接受。PROFIBUS根據應用特點(diǎn)可分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個(gè)兼容版 本。其中PROFIBUS-DP：經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接，專(zhuān)為自動(dòng)控制系統和設備級分 散I/O之間通信設計，使用PROFIBUS-DP模塊可取代價(jià)格昂貴的24V或0～20mA并行信號線(xiàn)，用 于分布式控制系統數據傳輸。PROFIBUS-DP在速度和控制方面的優(yōu)點(diǎn)正好保障收費控制系統 的穩定和數據控制。
筆者通過(guò)交通IC卡的收費系統實(shí)例進(jìn)行驗證和總結。
1 非接觸式智能IC卡
本文采用Mifare 1 IC智能卡.它的核心是Philips 公司的Mifare 1 IC S50(-01，-02，-03 ，-04)系列微模塊(微晶片)。它確定了卡片的特性以及卡片讀寫(xiě)器的諸多性能，從而利 用收費系統的管理和一卡多用及保證數據的安全。
整個(gè)卡片包含了兩個(gè)部分，RF射頻接口電路和數字電路部分。
1.1 RF射頻接口電路
在RF射頻接口電路中，主要包括有波形轉換模塊。它可將卡片讀寫(xiě)器上的13.56MHz的無(wú)線(xiàn)電 調制頻率接收，一方面送調制/解調模塊，另一方面進(jìn)行波形轉換，將正弦波轉換為方波， 然后對其整流濾波，由電壓調節模塊對電壓進(jìn)行進(jìn)一步的處理，包括穩壓等，最終輸出供給 卡片上的各電路。
POR模塊主要是對卡片上的各個(gè)電路進(jìn)行POWER-ON-RESET(上電復位)，使各電路同步啟動(dòng)工 作。
1.2 數字電路模塊
1.2.1 ATR模塊：Answer to Request(“請求之應答”)。當一張Mifare 1卡片處在卡片讀寫(xiě)器的天線(xiàn)的工作范圍之內時(shí)，程序員控制讀寫(xiě)器向卡片發(fā) 出REQUEST all(或REQUEST std) 命令后，卡片的ATR將啟動(dòng)，將卡片Block 0 中的卡片類(lèi)型 (TagType)號共2個(gè)字節傳送給讀寫(xiě)器，建立卡片與讀寫(xiě)器的第一步通信聯(lián)絡(luò )。
如果不進(jìn)行第一步的ATR工作，讀寫(xiě)器對卡片的其他操作(Read/Write等)將不會(huì )進(jìn)行。
卡片的類(lèi)型(TagType)號共2個(gè)字節，可能為：0004H
1.2.2 AntiCollision模塊：防止(卡片)重疊功能。如果有多張Mifare 1卡片處在卡片讀寫(xiě)器的天線(xiàn)的工作范圍之內時(shí)，AntiCollision模塊的 防重疊功能將被啟動(dòng)工作。在程序員控制下的卡片讀寫(xiě)器將會(huì )首先與每一張卡片進(jìn)行通信， 取得每一張卡片的系列號。由于Mifare 1卡片每一張都具有其唯一的系列號，決不會(huì )相同， 因此卡片讀寫(xiě)器根據卡片的序列號來(lái)識別，區分已選的卡片，卡片讀寫(xiě)器中的MCM中的AntiC ollision防重疊功能配合卡片上的防重疊功能模塊，由程序員來(lái)控制讀寫(xiě)器，根據卡片的序 列號來(lái)選定一張卡片。被選中的卡片將直接與讀寫(xiě)器進(jìn)行數據交換，未被選擇的卡片處于等 待狀態(tài)，隨時(shí)準備與卡片讀寫(xiě)器進(jìn)行通信。
AntiCollision模塊(防重疊功能)啟動(dòng)工作時(shí)，卡片讀寫(xiě)器將得到卡片的序列號 Serial Num ber。
序列號Serial Numbe r存儲在卡片的Block 0中，共有5個(gè)字節，實(shí)際有用的為4個(gè)字節 ，另一個(gè)字節為序列號Serial Number的校驗字節，這在以后章節中詳細論述，包括對序列 號Serial Number的校驗方法等。
序列號Serial Number中實(shí)際有用的4個(gè)字節，可能為：007e0a42h。
1.2.3 Select Application 模塊：主要用于卡片的選擇。當卡片與讀寫(xiě)器完成了上述的二個(gè)步驟，程序員控制的讀寫(xiě)器要想對卡片進(jìn)行讀寫(xiě)操作，必 須對卡片進(jìn)行“Select”操作。以使卡片真正地被選中。
被選中的卡片將卡片上存儲在Block 0中的卡片的容量“Size”字節傳送給讀寫(xiě)器。
當讀寫(xiě)器收到這一字節后，將明確可以對卡片進(jìn)行深一步的操作了。例如，可以進(jìn)行密碼驗 證等等。
讀寫(xiě)器收到的“Size”字節可能為：88h
1.2.4 Authentication & Access Control 模塊:認證及存取控制模塊。在確認了上述的三個(gè)步驟，確認已經(jīng)選擇了一張卡片時(shí)，程序員對卡片進(jìn)行讀寫(xiě)操作之前， 必須對卡片上已經(jīng)設置的密碼進(jìn)行認證，如果匹配，則允許進(jìn)一步的Read/Write操作。
Mifare 1 卡片上有16個(gè)扇區，每個(gè)扇區都可分別設置各自的密碼，互不干涉。因此每個(gè)扇 區可獨立地應用于一個(gè)應用場(chǎng)合。整個(gè)卡片可以設計成“一卡通”形式來(lái)應用。
三遍認證：如圖所示為三遍認證的令牌原理框圖。
認證過(guò)程是這樣進(jìn)行的：
(A)環(huán)：由Mifare 1卡片向讀寫(xiě)器發(fā)送一個(gè)隨機數據RB；
(B)環(huán)：由讀寫(xiě)器收到RB后向Mifare 1卡片發(fā)送一個(gè)令牌數據TOKEN AB，其中包含了讀寫(xiě) 器發(fā)出的一個(gè)隨機數據RA；
(C)環(huán)：Mifare 1卡片收到 TOKEN AB 后，對TOKEN AB 的加密的部分進(jìn)行解 密，并校驗第 一次由(A)環(huán)中Mifare 1卡片 發(fā)出去的隨機數RB是否與(B)環(huán)中接收到的TOKEN AB中的RB相 一致。
(D) 環(huán)：如果(C)環(huán)校驗是正確的，則Mifare 1卡片 向讀寫(xiě)器 發(fā)送令牌TOKEN BA給讀寫(xiě)器 ；
(E)環(huán)：讀寫(xiě)器 收到令牌TOKEN BA后，讀寫(xiě)器將對令牌TOKEN BA中的RB(隨機數)進(jìn)行解密； 并校驗第一次由(B)環(huán)中讀寫(xiě)器發(fā)出去的隨機數RA是否與(D)環(huán)中接收到 的TOKEN BA中的RA 相一致；
如果上述的每一個(gè)環(huán)都為“真”，都能正確通過(guò)驗證，則整個(gè)的認證過(guò)程將成功。讀寫(xiě)器 將能對剛剛認證通過(guò)的卡片上的這個(gè)扇區可以進(jìn)入下一步的操作(READ/WRITE等操作)。
卡片中的其他扇區由于有其各自的密碼，因此不能對其進(jìn)行進(jìn)一步的操作。如想對其他扇 區進(jìn)行操作，必須完成上述的認證過(guò)程。
認證過(guò)程中的任何一環(huán)出現差錯，整個(gè)認證將告失敗。必須從新開(kāi)始。
如果事先不知卡片上的密碼，則由于密碼的變化可以極其復雜，因此靠猜測密碼而想打開(kāi) 卡片上的一個(gè)扇區的可能性幾乎為零。
這里提醒一下程序員和卡片的使用者，必須牢記卡片中的16個(gè)扇區的每一個(gè)密碼，否則， 遺忘某一扇區的密碼，將使該扇區中的數據不能讀寫(xiě)。沒(méi)有任何辦法可以挽救這種低級錯誤 。但是，卡片上的其他扇區可以照樣使用。
上述的敘述已經(jīng)可以充分地說(shuō)明了Mifare 1 卡片的高度安全性，保密性，及卡片的應用場(chǎng) 合多樣性，一卡多用(一卡通)。
1.2.5 Control & Arithmetic Unit 控制及算術(shù)運算單元。這一單元是整個(gè)卡片的控制中心，是卡片的“頭腦”。它主要進(jìn)行對整個(gè)卡片的各個(gè)單位 進(jìn)行微操作控制，協(xié)調卡片的各個(gè)步驟；同時(shí)它還對各種收/發(fā)的數據進(jìn)行算術(shù)運算處理， 遞增/遞減處理，CRC運算處理，等等。是卡片中內建的中央微處理機(MCU)單元。
1.2.6 RAM/ROM單元。RAM主要配合控制及算術(shù)運算單元，將運算的結果進(jìn)行暫時(shí)存儲，如果某些數據需要 存儲到EEPROM，則由控制及算術(shù)運算單元取出送到EEPROM存儲器中；如果某些數據需要傳送 給讀寫(xiě)器，則由控制及算術(shù)運算單元取出，經(jīng)過(guò)RF射頻接口電路的處理，通過(guò)卡片上的天線(xiàn) 傳送給卡片讀寫(xiě)器。RAM中的數據在卡片失掉電源后(卡片離開(kāi)讀寫(xiě)器天線(xiàn)的有效工作范圍 內)將被清除。
同時(shí)，ROM中還固化了卡片運行所需要的必要的程序指令，由控制及算術(shù)運算單元取出去對 每個(gè)單元進(jìn)行微指令控制。使卡片能有條不紊地與卡片的讀寫(xiě)器進(jìn)行數據通信。
1.2.7 Crypto Unit 數據加密單元。該單元完成對數據的加密處理及密碼保護。加密的算法可以為DES標準算法或其他。
1.2.8 EEPROM INTERFACE/ EEPROM MEMORY EEPROM 存儲器及其接口電路。該單元主要用于存儲數據。EEPROM中的數據在卡片失掉電源后(卡片離開(kāi)讀寫(xiě)器天線(xiàn)的有效 工作范圍內)仍將被保持。用戶(hù)所要存儲的數據被存放在該單元中。Mifare 1卡片中的這一 單元容量為8196bit(1 Kbyte)。分為16個(gè)扇區。
2 Profibus-DP的設計
在高速公路收費系統中，由于控制的復雜性、現場(chǎng)多種設備相互之間存在干擾以及系 統可靠性要求高等特點(diǎn)，所以在實(shí)際應用中常采用高可靠性的中央控制器如PLC和現場(chǎng)總線(xiàn) 技術(shù)如PROFIBUS。在智能IC卡收費系統中就是采用SIMATIC S7-200 CPU224進(jìn)行控制，并通 過(guò)PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)由工控機(或PC機)進(jìn)行監控。
Profibus-DP設計圖，本系統是由PROFIBUS-DP構成的單主站系統，具有簡(jiǎn)單設備一級的高速 數據傳輸特性。系統組成如圖2所示。
①整個(gè)控制系統連接在兩路PROFIBUS-DP總線(xiàn)上，每路總線(xiàn)包含一個(gè)總站和 20個(gè)DP從站，兩 個(gè)總站和開(kāi)票機構成局域網(wǎng)，主站和從站之間為主從關(guān)系。②兩個(gè)工控機主站和收費站主機 通過(guò)TCP/IP協(xié)議，組成局域網(wǎng)。③系統以SIMATIC工控機作為DP類(lèi)型2主站，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)接 口卡CP5611使工控機與PROFIBUS-DP總線(xiàn)相連，能完成組態(tài)、運行、操作等功能。主站上的 應用程序與CP5611的信息傳遞采用OPC通用接口服務(wù)軟件實(shí)現。④每個(gè)從站完成對兩路收費 卡口系統的監控和控制，采用SIMATIC S7-200系列CPU224模塊，通過(guò)EM 277擴展模塊以DP從 站形式接入PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )，按主/從模式向上位機發(fā)送數據。
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