基于GP32的射頻卡密碼認證系統設計

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：密碼認證是射頻卡應用中的一項關(guān)鍵技術(shù).在剖析了Mifare卡存儲結構、讀寫(xiě)控制以及加密機制的基礎之上，以 MC68HC908GP32為主控芯片,利用基站芯片 MF RC500與天線(xiàn)技術(shù)的結合搭建出一個(gè)密碼認證平臺.軟件部分重點(diǎn)闡述了 Mifare卡與基站芯片 MF RC500密碼認證過(guò)程與程序實(shí)現;該系統具有作用距離遠、響應速度快、使用簡(jiǎn)便、安全性高等顯著(zhù)特點(diǎn). 
    關(guān)鍵詞：MC68HC908GP32；射頻卡；密碼認證

    0 引 言

    射頻卡(非接觸式 IC卡)技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項新技術(shù).與傳統的接觸式 IC卡相比,非接觸式 IC卡無(wú)論從其可靠性、易用性、抗干擾性還是一卡多用性等方面都有著(zhù)明顯的優(yōu)勢,特別是卡內嚴格的密碼認證機制大大提高了用戶(hù)數據的安全性,是電子加密技術(shù)應用領(lǐng)域的一大亮點(diǎn),隨著(zhù)射頻卡的應用日益廣泛,相應地促進(jìn)了嵌入式應用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)人員對其技術(shù)的研究[1].在我們承擔項目的開(kāi)發(fā)之處,經(jīng)過(guò)仔細分析后發(fā)現:密碼驗證的方法與機制是射頻卡應用中的一項關(guān)鍵技術(shù),對于一般應用開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)掌握該項技術(shù)還是比較困難的.如果能將射頻卡的密碼認證過(guò)程進(jìn)行底層屏蔽并模塊化封裝的話(huà),那么完全可以為相關(guān)工程技術(shù)人員提供二次開(kāi)發(fā)平臺,同時(shí)也將推動(dòng)射頻卡技術(shù)的廣泛應用.

    1 MF1射頻卡

    Philips是世界上最早研制非接觸式 IC卡的公司,其 Mifare技術(shù)已經(jīng)被制定為IS0／IEC14443 TYPE A國際標準.為了方便研究,首選該公司典型產(chǎn)品Mifare 1 IC S50(MF1)卡.

    1.1 存儲結構和組成

    MF1卡片的存儲容量為1K×8位字長(cháng),采用EEPROM作為存儲介質(zhì).整個(gè)結構劃分為16個(gè)扇區,編為扇區0~15.每個(gè)扇區有 4個(gè)塊(Block),分別為塊0、1、2、3.每個(gè)塊有 16個(gè)字節.每個(gè)扇區的第四塊也稱(chēng)作尾塊,包含了該扇區的密碼 A(6個(gè)字節)、存取控制(4個(gè)字節)、密碼 B(6個(gè)字節),是控制塊.其余三塊是數據塊. 

    1.2 對MF1卡的讀寫(xiě)控制

    每個(gè)扇區的尾塊是扇區的控制塊.控制塊使用兩個(gè)密碼,為用戶(hù)提供多重控制方式.例如,

    用戶(hù)可以用一個(gè)密碼控制對數據塊的讀操作,用另一個(gè)密碼控制對數據塊的寫(xiě)操作.在空卡狀態(tài)下每個(gè)扇區的尾塊數據為; “Ox000000000000 FF078069 FFFFFFFFFFFF”.空卡時(shí)的密碼 A和密碼 B均為“OxFFFFFF”,由于 A密碼不可讀,讀出的數據顯示為“Ox000000”.在空卡默認讀寫(xiě)權限下可以利用密碼 A對所有塊進(jìn)行讀寫(xiě)操作,以及更改各塊的讀寫(xiě)權限.

圖 1 尾塊的權限代碼與訪(fǎng)問(wèn)權限圖

    但不可以利用密碼 B進(jìn)行讀寫(xiě)操作(此時(shí) B密碼可讀).

    權限位為：“OxFF078069”,由圖 1,有; C13=0 C12=0 C11=0 C10=0; C23=0 C22=0 C21=0 C20=0 ; C33=1 C32=0 C31=0 C30=0.“C13 C23 C33”=001,對應圖 1的第 5行,表示 A密碼不可讀,可用 A密碼改寫(xiě)(即通過(guò) A密碼校驗后,可改寫(xiě) A密碼),權限字節及 B密碼的讀寫(xiě)權限均可用 A密碼讀寫(xiě).

    1.3 密碼驗證與加密機制

    MF1內部的安全加密算法叫做Crypto1,使用的密碼長(cháng)度是48 bits,即6個(gè)字節.Crypto1是一種三遍驗證算法.MF RC500((簡(jiǎn)稱(chēng)RC500,與MF1實(shí)現數據讀寫(xiě)的基站芯片,見(jiàn)本文的2.2節)片內部將該算法進(jìn)行了封裝,只要執行 Authent1和 Authent2命令,就可自動(dòng)完成這個(gè)驗證過(guò)程.如圖2所示.

 2 密碼處理框圖

    在驗證命令期間, RC500是從其內部密碼緩沖區(key buffer)讀取密碼.因此,用戶(hù)必須保證在執行 Authen1命令前就已經(jīng)將密碼放到 key buffer中了.

    需要說(shuō)明的是,將密碼載入到內部密碼緩沖區或者暫存到EEPROM中時(shí)都要使用特定的密碼存儲格式.每個(gè)密碼字節被分成兩個(gè)半字節,低半字節(k0-k3)和高半字節(k4-k7).每半個(gè)字節都在一個(gè)字節內存儲了兩次,其中一次要取反.由于這種格式,用戶(hù)使用的 6字節的密碼實(shí)際上需要 12字節的 E2PROM來(lái)存儲.

    2 硬件設計

    硬件主要包括 MCU電路模塊、基于 RC500的基站模塊、天線(xiàn)模塊電路和相關(guān)的匹配電路等,系統硬件原理圖如圖 3所示.

    2.1 MCU部分

    單片機選用FreeScale公司MC68HC908GP32(簡(jiǎn)稱(chēng)GP32)芯片[2].GP32不僅性能穩定而且具有性能價(jià)格比高的突出優(yōu)勢.其自身有 32KB的 Flash存儲器、支持在線(xiàn)編程、 8MHZ內部總線(xiàn)頻率和低功耗等性能,尤其還具有 8個(gè)字節(64位)Flash區的密碼保護 .

    2.2 基站部分

    系統的基站單元采用 PHILIPS公司的 RC500芯片.該芯片為目前用于 13.56MHz頻段非接觸通信的主流讀卡 IC.RC500芯片采用先進(jìn)的調制和解調技術(shù) ,支持 13.56MHz頻段所有被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議,并支持ISO14443A中所有的層.RC500芯片內的發(fā)送器部分在不增加外接有源電路時(shí)可直接驅動(dòng)的天線(xiàn)操作距離為 300mm,接收模塊部分則提供一個(gè)穩健可靠的解調/解碼電路,用于 ISO14443A兼容的應答信號[3]..。

圖3 系統硬件原理圖