基于Profibus-DP的智能IC卡收費(fèi)控制系統(tǒng)研究

文章出處：http://bookmouse.cn 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(duì)收費(fèi)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分布式控制,真正實(shí)現(xiàn)了一卡多用,集收費(fèi)、管理 和銀行建立統(tǒng)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(fèi)控制系統(tǒng)；PROFIBUS-DP
    中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007—6921(2010)05—0107—04

    隨著信息產(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(yīng)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 越來越廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，政府機(jī)關(guān)、辦公大樓、智能小區(qū)、大型企業(yè)、商業(yè)消費(fèi)、高 速公路收費(fèi)、校園、醫(yī)院等，身份識(shí)別、停車場(chǎng)管理、門禁、通道控制、考勤、會(huì)議簽到、 訪客管理、人事資料、保安巡更、資源管理/電梯控制、消費(fèi)/POS、圖書管理、能源控制等 是最常用的功能。

    城市交通是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代社會(huì)完成再生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)之間的紐帶，是生產(chǎn)和消費(fèi)之間的橋梁，是保 證人與貨物流通，維持城市生機(jī)的關(guān)鍵；因而，城市交通也成了城市賴于生存和發(fā)展的基本 條件之一。本文基于交通收費(fèi)系統(tǒng)的重要性,將非接觸式智能IC卡應(yīng)用在高速公路的收費(fèi)系 統(tǒng)當(dāng)中提高高速公路收費(fèi)站的車輛流通的速度和提高交通系統(tǒng)的調(diào)度和監(jiān)控效率。

    PROFIBUS是德國(guó)20世紀(jì)90年代初制定的國(guó)家工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),代號(hào)DIN19245。PROFIBU S于1996年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，1999年底成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的組成部分，已被全世界 接受。PROFIBUS根據(jù)應(yīng)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)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分 散I/O之間通信設(shè)計(jì)，使用PROFIBUS-DP模塊可取代價(jià)格昂貴的24V或0～20mA并行信號(hào)線，用 于分布式控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。PROFIBUS-DP在速度和控制方面的優(yōu)點(diǎn)正好保障收費(fèi)控制系統(tǒng) 的穩(wěn)定和數(shù)據(jù)控制。

    筆者通過交通IC卡的收費(fèi)系統(tǒng)實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證和總結(jié)。

    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器的諸多性能，從而利 用收費(fèi)系統(tǒng)的管理和一卡多用及保證數(shù)據(jù)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(shù)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(zhuǎn)換模塊。它可將卡片讀寫器上的13.56MHz的無線電 調(diào)制頻率接收，一方面送調(diào)制/解調(diào)模塊，另一方面進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波， 然后對(duì)其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)電壓進(jìn)行進(jìn)一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出供給 卡片上的各電路。

    POR模塊主要是對(duì)卡片上的各個(gè)電路進(jìn)行POWER-ON-RESET(上電復(fù)位)，使各電路同步啟動(dòng)工 作。

    1.2 數(shù)字電路模塊

    1.2.1 ATR模塊：Answer to Request(“請(qǐng)求之應(yīng)答”)。當(dāng)一張Mifare 1卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，程序員控制讀寫器向卡片發(fā) 出REQUEST all(或REQUEST std) 命令后，卡片的ATR將啟動(dòng)，將卡片Block 0 中的卡片類型 (TagType)號(hào)共2個(gè)字節(jié)傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。

    如果不進(jìn)行第一步的ATR工作，讀寫器對(duì)卡片的其他操作(Read/Write等)將不會(huì)進(jìn)行。

    卡片的類型(TagType)號(hào)共2個(gè)字節(jié)，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卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)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(hào)。由于Mifare 1卡片每一張都具有其唯一的系列號(hào)，決不會(huì)相同， 因此卡片讀寫器根據(jù)卡片的序列號(hào)來識(shí)別，區(qū)分已選的卡片，卡片讀寫器中的MCM中的AntiC ollision防重疊功能配合卡片上的防重疊功能模塊，由程序員來控制讀寫器，根據(jù)卡片的序 列號(hào)來選定一張卡片。被選中的卡片將直接與讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，未被選擇的卡片處于等 待狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備與卡片讀寫器進(jìn)行通信。

    AntiCollision模塊(防重疊功能)啟動(dòng)工作時(shí)，卡片讀寫器將得到卡片的序列號(hào) Serial Num ber。

    序列號(hào)Serial Numbe r存儲(chǔ)在卡片的Block 0中，共有5個(gè)字節(jié)，實(shí)際有用的為4個(gè)字節(jié) ，另一個(gè)字節(jié)為序列號(hào)Serial Number的校驗(yàn)字節(jié)，這在以后章節(jié)中詳細(xì)論述，包括對(duì)序列 號(hào)Serial Number的校驗(yàn)方法等。

    序列號(hào)Serial Number中實(shí)際有用的4個(gè)字節(jié)，可能為：007e0a42h。

    1.2.3 Select Application 模塊：主要用于卡片的選擇。當(dāng)卡片與讀寫器完成了上述的二個(gè)步驟，程序員控制的讀寫器要想對(duì)卡片進(jìn)行讀寫操作，必 須對(duì)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(chǔ)在Block 0中的卡片的容量“Size”字節(jié)傳送給讀寫器。

    當(dāng)讀寫器收到這一字節(jié)后，將明確可以對(duì)卡片進(jìn)行深一步的操作了。例如，可以進(jìn)行密碼驗(yàn) 證等等。
    讀寫器收到的“Size”字節(jié)可能為：88h

    1.2.4 Authentication & Access Control 模塊:認(rèn)證及存取控制模塊。在確認(rèn)了上述的三個(gè)步驟，確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片時(shí)，程序員對(duì)卡片進(jìn)行讀寫操作之前， 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Read/Write操作。

    Mifare 1 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(chǎng)合。整個(gè)卡片可以設(shè)計(jì)成“一卡通”形式來應(yīng)用。

    三遍認(rèn)證：如圖所示為三遍認(rèn)證的令牌原理框圖。

    認(rèn)證過程是這樣進(jìn)行的：

    (A)環(huán)：由Mifare 1卡片向讀寫器發(fā)送一個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)RB；
    (B)環(huán)：由讀寫器收到RB后向Mifare 1卡片發(fā)送一個(gè)令牌數(shù)據(jù)TOKEN AB，其中包含了讀寫 器發(fā)出的一個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)RA；
    (C)環(huán)：Mifare 1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(A)環(huán)中Mifare 1卡片 發(fā)出去的隨機(jī)數(shù)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(yàn)是正確的，則Mifare 1卡片 向讀寫器 發(fā)送令牌TOKEN BA給讀寫器 ；
    (E)環(huán)：讀寫器 收到令牌TOKEN BA后，讀寫器將對(duì)令牌TOKEN BA中的RB(隨機(jī)數(shù))進(jìn)行解密； 并校驗(yàn)第一次由(B)環(huán)中讀寫器發(fā)出去的隨機(jī)數(shù)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)。

    卡片中的其他扇區(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。

    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(fù)雜，因此靠猜測(cè)密碼而想打開 卡片上的一個(gè)扇區(qū)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(qū)的每一個(gè)密碼，否則， 遺忘某一扇區(qū)的密碼，將使該扇區(qū)中的數(shù)據(jù)不能讀寫。沒有任何辦法可以挽救這種低級(jí)錯(cuò)誤 。但是，卡片上的其他扇區(qū)可以照樣使用。

    上述的敘述已經(jīng)可以充分地說明了Mifare 1 卡片的高度安全性，保密性，及卡片的應(yīng)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(yùn)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(duì)整個(gè)卡片的各個(gè)單位 進(jìn)行微操作控制，協(xié)調(diào)卡片的各個(gè)步驟；同時(shí)它還對(duì)各種收/發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算處理， 遞增/遞減處理，CRC運(yùn)算處理，等等。是卡片中內(nèi)建的中央微處理機(jī)(MCU)單元。

    1.2.6 RAM/ROM單元。RAM主要配合控制及算術(shù)運(yùn)算單元，將運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)，如果某些數(shù)據(jù)需要 存儲(chǔ)到EEPROM，則由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出送到EEPROM存儲(chǔ)器中；如果某些數(shù)據(jù)需要傳送 給讀寫器，則由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出，經(jīng)過RF射頻接口電路的處理，通過卡片上的天線 傳送給卡片讀寫器。RAM中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后(卡片離開讀寫器天線的有效工作范圍 內(nèi))將被清除。

    同時(shí)，ROM中還固化了卡片運(yùn)行所需要的必要的程序指令，由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出去對(duì) 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器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

    1.2.7 Crypto Unit 數(shù)據(jù)加密單元。該單元完成對(duì)數(shù)據(jù)的加密處理及密碼保護(hù)。加密的算法可以為DES標(biāo)準(zhǔn)算法或其他。

    1.2.8 EEPROM INTERFACE/ EEPROM MEMORY EEPROM 存儲(chǔ)器及其接口電路。該單元主要用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。EEPROM中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后(卡片離開讀寫器天線的有效 工作范圍內(nèi))仍將被保持。用戶所要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)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(qū)。

    2 Profibus-DP的設(shè)計(jì)

    在高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中，由于控制的復(fù)雜性、現(xiàn)場(chǎng)多種設(shè)備相互之間存在干擾以及系 統(tǒng)可靠性要求高等特點(diǎn)，所以在實(shí)際應(yīng)用中常采用高可靠性的中央控制器如PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線 技術(shù)如PROFIBUS。在智能IC卡收費(fèi)系統(tǒng)中就是采用SIMATIC S7-200 CPU224進(jìn)行控制，并通 過PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線由工控機(jī)(或PC機(jī))進(jìn)行監(jiān)控。

    Profibus-DP設(shè)計(jì)圖，本系統(tǒng)是由PROFIBUS-DP構(gòu)成的單主站系統(tǒng)，具有簡(jiǎn)單設(shè)備一級(jí)的高速 數(shù)據(jù)傳輸特性。系統(tǒng)組成如圖2所示。

    ①整個(gè)控制系統(tǒng)連接在兩路PROFIBUS-DP總線上，每路總線包含一個(gè)總站和 20個(gè)DP從站，兩 個(gè)總站和開票機(jī)構(gòu)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(jī)主站和收費(fèi)站主機(jī) 通過TCP/IP協(xié)議，組成局域網(wǎng)。③系統(tǒng)以SIMATIC工控機(jī)作為DP類型2主站，通過現(xiàn)場(chǎng)總線接 口卡CP5611使工控機(jī)與PROFIBUS-DP總線相連，能完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等功能。主站上的 應(yīng)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(xiàn)。④每個(gè)從站完成對(duì)兩路收費(fèi) 卡口系統(tǒng)的監(jiān)控和控制，采用SIMATIC S7-200系列CPU224模塊，通過EM 277擴(kuò)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(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。