潘春偉，羅明華，姚慶梅

（1.山東建筑大學 信息與電氣工程學院，山東 濟南 250101；2.山東省智能建筑技術重點實驗室，山東 濟南 250101）

引 言

125kHzID 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（TagTalkFirst） 方式通訊，廣泛應用于考勤、門禁、微金額支付等系統(tǒng)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(tǒng)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?？ㄆM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(xù)循環(huán)向讀卡器發(fā)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。

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(zhí)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(fā)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(fā)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(fā)送數據的時間至少比原版卡滯后2 ms，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(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定可靠供電。

2.1 主控芯片電路

主控芯片完成系統(tǒng)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。

系統(tǒng)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 80MHz，內部自帶 8KBFLASH程序存儲器和 512字節(jié)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(tǒng)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。

2.2 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(tǒng)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(tǒng)初始化程序、卡片信息接收、卡片信息解碼、數據輸出與狀態(tài)指示等部分組成。

系統(tǒng)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(huán)讀卡，每次先復位射頻場中的卡片，接著在限定時間內持續(xù)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。

3.1 HTRC110初始化配置程序

HTRC110 初始化在開機后的系統(tǒng)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160 Hz ～3 kHz，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(zhí)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(huán)發(fā)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(huán)發(fā)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 1ms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 32.768ms，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 512μs×65=33.28ms， 在此時間內 CPU 循環(huán)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(fā)送連續(xù)的“0”或“1”時，兩個數據沿之間增加一個狀態(tài)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(qū)，如果是狀態(tài)轉換沿則繼續(xù)監(jiān)測DOUT端的下一個電平跳變。如果在 33.28ms時間內接收到 64 個有效數據位則轉去解碼程序，否則繼續(xù)進行下一次復位天線接收數據的循環(huán)。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。

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

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?？ㄆ瑑瓤ㄌ栃畔⒌慕Y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(jié)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(fā)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 33.28 ms， 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(huán)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(xù)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(xù)接收。

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(jié)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(jié)，50位共提取 10個字節(jié)。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(jié)。

數據提取完成后先對前 10個字節(jié)作行偶校驗，再將前10個字節(jié)與第 11字節(jié)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(jié)中除校驗位之外的數據提取組合為5 個字節(jié)，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。

結 語

本文討論了根據復制卡在進入磁場后發(fā)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(tǒng)硬件結構簡單，軟件實現容易。隨著技術的發(fā)展， 復位時間更短的復制卡，本系統(tǒng)可能會發(fā)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(tǒng)性能。