181 基于IC的个人身份验证系统

- 1 - 基于 IC卡的个人身份识别系统设计 摘要：IC卡识别是电子识别技术中的一种。IC卡识别技术飞速发展，现已广泛应用于 个人身份证识别系统，企业考勤管理，银行金融流通领域及其他各行各业。 IC卡智能身份识别技术，现已比较成熟，本文利用 51单片机设计了此身份识别系统， 以期对智能身份识别的爱好者，起到抛砖引玉的作用。 关键字： 签名，数字证书，验证，单片机，匹配 Abstract: IC card recognition is a kind of electronic identification technology. The rapid development of IC card identification technology has been widely used in personal identity recognition systems, enterprise time and attendance management, banking and other sectors of financial circulation. IC Card Intelligent identification technology, is now more mature, this paper, 51 single-chip design of this identification system to the smart identification of the lovers, serve. Keywords: signature, digital certificates, authentication, single chip, match - 2 - 目 录 1 前言.......................................................................................................................................- 3 - 1.1 嵌入式单片机的发展 .................................................................................................... - 3 - 1.1. 课背景 ....................................................................................................................... - 3 - 1.2. 本设计的目的及意义 .................................................................................................... - 3 - 2 系统开发软硬件概述 ............................................................................................................- 4 - 2.1 单片机最小系统............................................................................................................ - 4 - 2.2 PROTEUS仿真软件简介 ................................................................................................. - 5 - 2.3 KEIL编译及调试软件简介 ............................................................................................ - 6 - 3 系统设计........................................................................................................................- 8 - 3.1 整机设计方案................................................................................................................ - 8 - 3.2 系统构成及工作原理 .................................................................................................... - 9 - 3.3 单片机电路模块框图 .................................................................................................... - 9 - 3.4 稳压直流电源设计 ...................................................................................................... - 10 - 3.5 串口通信电路设计 ...................................................................................................... - 10 - 3.5.1 串口通信原理图..................................................................................................- 10 - 3.5.2 串口通信简介...................................................................................................... - 11 - 3.5.3 串口通信的原理及意义.......................................................................................- 12 - 4 个人身份识别系统的工作原理...........................................................................................- 14 - 4.1 密码识别技术.............................................................................................................. - 14 - 4.1.1 公钥密码体制和数字签名...................................................................................- 14 - 4.1.2 数字证书 .............................................................................................................- 14 - 4.1.3 证书验证 .............................................................................................................- 14 - 4.2 智能 IC卡技术............................................................................................................ - 15 - 5 系统硬件设计......................................................................................................................- 16 - 5.1 硬件设计 ..................................................................................................................... - 16 - 5.1.1 结构框图 .............................................................................................................- 16 - 5.1.2 硬件组成 .............................................................................................................- 16 - 5.1.3 电路原理图..........................................................................................................- 18 - 6 系统软件设计......................................................................................................................- 18 - 6.1 主程序流程图.............................................................................................................. - 19 - 6.2 IC卡身份验证流程图 ................................................................................................. - 19 - 6.3 键盘扫描程序.............................................................................................................. - 20 - 6.4 串口通信流程图.......................................................................................................... - 22 - 7 小结及致谢 .........................................................................................................................- 22 - 8 参考文献 .............................................................................................................................- 23 - 9 附录：整机原理图..............................................................................................................- 24 - - 3 - 1 前言 1.1 嵌入式单片机的发展 单片微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计算机，它具有高性 能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛的特点。它的应用必定导致传统的控 制技术从根本上发生变革。因此，单片机的开发应用已成为高科技和工程领域的一项重大课 题。 目前，基于单片机的微控制器已广泛应用于家电控制、通讯、工业控制、智能仪器仪表、金 融电子等许多领域。 1.1. 课题背景 我国从 1985年实行居民身份证以来，已累计制发居民身份证 13亿个，实有执证人 口近 9亿。但由于现行身份证科技含量低、防伪性能差，极易被违法犯罪分子伪造和冒用； 同时由于证件只具备视读功能，难以与计算机管理系统进行信息交换，已不适应国家信息化 建设的需要，因此设计使用ＩＣ卡式的第二代身份证，对解决上述问题具有重要的意义。 ＩＣ卡具有存储电子信息的能力，防伪性强，体积小，便于携带的特点，设计 IC卡居 民身份证，作为人口的身份识别证，同时内部存有其相关信息，防伪性能将大幅度提高。除 证件表面采用防伪膜和印刷防伪技术外，证件芯片采用数字签名措施，将个人图像和资料进 行编码，可以基本满足证件防伪需要，有望身份证伪造现象杜绝。 另外，开发公安机关和社会相关部门使用的阅读身份证的机具，利用机读功能，满足信 息交换的需要。新身份证内藏数字芯片，可以与机具进行相互认证，通过机读信息进行安全 性确认，可实现现代化人口信息管理。 1.2. 本设计的目的及意义 l 每位公民持有一张 IC卡公民身份证，电子信息公民姓名、性别、民族、出身年月 日、籍贯、血型、公民身份证号码、彩色照片等个人特征信息，以及发证机关及证件有 效期限。 l 公安机关有一套管理发证系统，通过覆盖全国的专用网络，能够对 IC卡公民身份证进 行发放、更新和注销等全面的管理。 l 有一个全国性的开放的信息中心，负责处理 IC卡公民身份证的发布，提供机构或个人 查询。 l 提供方便携带和使用的身份证验证和读取设备，供机构或个人使用，可以方便读取身份 - 4 - 证信息和准确验证公民身份证的真伪。 l IC卡和身份证读取验证设备使用专用芯片和模块，杜绝身份证伪造现象。 2 系统开发软硬件概述 2.1 单片机最小系统 单片机最小系统，或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机 可以工作的系统。 对 51系列单片机来说,最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电 路 。 下 面 给 出 一 个 51 单 片 机 的 最 小 系 统 电 路 图 （ 图 1 ）： 详细说明如下： 复位电路: 由电容串联电阻构成，由图并结合"电容电压不能突变"的性质，可以知道， 当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的 RC值来决定。典型的 51单片机当 RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复 位，所以，适当组合 RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐 C 取 10u， R取 10K。原则就是要让 RC组合可以在 RST脚上产生不少于 2个机周期的高电平。 至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。 （2） 晶振电路：典型的晶振取 11.0592MHz(因为可以准确地得到 9600 波 特率和 19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的 uS级时歇,方 便定时操作)，在本电路中，取 12M。 （3） 单片机：一片 AT89S51/52 或其他 51 系列兼容单片机。对于 31 脚 （图 1） 图 1 - 5 - (EA/Vpp)，当接高电平时，单片机在复位后从内部 ROM的 0000H开始执行;当接 低电平时,复位后直接从外部 ROM的 0000H开始执行。 ＡＴ８９Ｃ５１单片机的共 40个引脚功总共 40个脚，电源用 2个(Vcc和 GND)，晶振用 2个，复位 1个，EA/Vpp用 1个，剩下还有 34个。29脚 PSEN， 30脚 ALE为外扩数据/程序存储器时才有特定用处，一般情况下不用考虑，这样， 就只剩下 32个引脚，它们是： P0端口 P0.0 - P0.7共 8个； P1端口 P1.0 - P1.7共 8个； P2端口 P2.0 - P2.7共 8个； P3端口 P3.0 - P3.7共 8个； 本文选用 AT89C2051作为本系统的单片机处理器。 2.2 Proteus仿真软件简介 Proteus ISIS是英国 Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件[9]。 它运行于 Windows 操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电 路，该软件的特点是：①实现了单片机仿真和 SPICE电路仿真相结合。具有模拟 电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态 仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和 LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器， 如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。②支持主流单片机系统的仿真。目前支 持的单片机类型有：68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系 列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。③提供软件调试功能。 在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变 量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同 时支持第三方的软件编译和调试环境，如 Keil C51 uVision2等软件。④具有强 大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和 SPICE分析于一身的仿真 软件，功能极其强大。 Proteus 主要用于绘制原理图并可进行电路仿真，Proteus ARES 主要用于 PCB 设计。ISIS 的主界面主要包括：1 是电路图概览区、2 是元器件列表区、3 是绘图区。绘制电路图的过程如下： 单击 2 区的 P 命令即弹出元器件选择（Pick Devices）对话框，Proteus 提 - 6 - 供了丰富的元器件资源，包括 30 余种元器件库，有些元器件库还具有子库。利 用该对话框提供的关键词（Keywords）搜索功能，输入所要添加的元器件名称， 即可在结果（Results）中查找，找到后双击鼠标左键即可将该元器件添到 2 区， 待所有需要的元器件添加完成后点击对话框右下角的 OK 按钮，返回主界面。接 着在 2 区中选中某一个元器件名称，直接在 3 区中单击鼠标左键即可将该元器 件添加到 3 区。 由于是英国的软件，特别要注意的是绘图区中鼠标的操作和一般软件的操作 习惯不同，这正像是司机座位和人行道走向和国内不同一样。单击左键是完成在 2 区中被选中的元器件的粘贴功能；将鼠标置于某元器件上并单击右键则是选中 该元器件（呈现红色），若再次单击右键的话则删除该元器件，而单击左键的话 则会弹出该元器件的编辑对话框（Edit Component）；若不需再选中任何元器件， 则将鼠标置于 3 区的空白处单击右键即可；另外如果想移动某元器件，则选中 该元器件后再按住鼠标左键即可将之移动。 元器件之间的连线方法为：将鼠标移至元器件的某引脚，即会出现一个“×” 符号，按住鼠标左键后移动鼠标，将线引至另一引脚处将再次出现符号“×”， 此时单击鼠标左键便可完成连线。连线时在需拐弯的地方单击鼠标左键即可实现 方向的改变。绘制好电路后，可利用 1 区的绿色边框对 3 区的电路进行定位。 2.3 Keil编译及调试软件简介 目前流行的 51系列单片机开发软件是德国 Keil公司推出的 Keil C51软件， 它是一个基于 32位 Windows环境的应用程序，支持 C语言和汇编语言编程，其 6.0 以上的版本将编译和仿真软件统一为μVision（通常称为μV2）。Keil 提供 包括 C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的 完整开发方案，由以下几部分组成：μVision IDE 集成开发环境（包括工程管 理器、源程序编辑器、程序调试器）、C51编译器、A51汇编器、LIB51库管理器、 BL51连接/定位器、OH51目标文件生成器以及 Monitor-51、RTX51实时操作系统。 应用 Keil 进行软件仿真开发的主要步骤为：编写源程序并保存——建立工 程并添加源文件——设置工程——编译/汇编、连接，产生目标文件——程序调 试。Keil 使用“工程”（Project）的概念，对工程（而不能对单一的源程序） - 7 - 进行编译/汇编、连接等操作。工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文 件的方法非常易于掌握。首先选择菜单 File—New…，在源程序编辑器中输入汇 编语言或 C 语言源程序（或选择 File—Open…，直接打开已用其他编辑器编辑 好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.asm（.a51） 或.c；然后选择菜单 Project—New Project…，建立新工程并保存（保存时无 需加扩展名，也可加上扩展名.uv2）；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话 框，选择 CPU 后点确定返回主界面。这时工程管理窗口的文件页（Files）会出 现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择 Source Group1，右击鼠标弹出快 捷菜单，选择“Add File to Group ‘Source Group1’”，出现一个对话框，要 求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续 加入其他文件）。加入文件后点 close返回主界面，展开“Source Group1”前面 +号，就会看到所加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文件。紧接着对 工程进行设置，选择工程管理窗口的 Target1，再选择 Project—Option for Target ’Target1’（或点右键弹出快捷菜单再选择该选项），打开工程属性设 置对话框，共有 8个选项卡，主要设置工作包括在 Target选项卡中设置晶振频 率、在 Debug选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在 Output选项卡 中选中“Creat Hex Fi”；其他选项卡内容一般可取默认值。工程设置后按 F7键 （或点击编译工具栏上相应图标）进行编译/汇编、连接以及产生目标文件。 成功编译/汇编、连接后，选择菜单 Debug—Start/Stop Debug Session（或 按 Ctrl+F5 键）进入程序调试状态，Keil 提供对程序的模拟调试功能，内建一 个功能强大的仿真 CPU以模拟执行程序。Keil能以单步执行（按 F11或选择 Debug —Step）、过程单步执行（按 F10 或选择 Debug—Step Over）、全速执行等多种 运行方式进行程序调试。如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在 线修改（Debug—Inline Assambly…），不必执行先退出调试环境、修改源程序、 对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。对于一些必 须满足一定条件（如按键被按下等）才能被执行的、难以用单步执行方式进行调 试的程序行，可采用断点设置的方法处理（Debug—Insert/Remove Breakpoint 或 Debug—Breakpoints…等）。在模拟调试程序后，还须通过编程器将.hex目标 文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。 Keil软件 Eval版（免费产品）的功能与商业版相同，只是程序的最大代码 - 8 - 量不得超过 2kB，但对初学者而言已是足够。Keil软件由于其强大的软件仿真功 能，友好的用户界面以及易于掌握的特点而受到工程技术人员的欢迎，有人甚至 认为 Keil是目前最好的 51单片机开发应用软件。 3 系统方案设计 3.1 整机设计方案 （MC U ） 单 片 机 2 3 2 串 口 键盘 P S 2 声光指示 直流稳压电源 个人身份识别系统 单片机部分 - 9 - 3.2 系统构成及工作原理 本文基于 51单片机设计了一个个人身份证的识别系统，通过串口与 PC机相 连。PC 机里安装着用 VB6 编写的友好的人机界面，作为前台操作系统。系统的 数据库格式采用 VB 数据库格式，也称为本地数据库，这类数据库文件使用与 MicroSoft Access相同的格式,数据的存取利用 VB6的 ADO控件通过 MicroSoft Jet (Joint Engineering Technology) 数据库引擎，速度快工作效率高。 另外还把身份检测系统传送来的数据实时显示并存放在本地硬盘中，以便查 询和打印，并进行实时显示， 本文侧重于单片机硬件及软件设计，着重于实现个人身份证的识别系统硬件 构建。上位机 VB人机界面的设计，从略。 3.3 单片机电路模块框图 本电路采用基于 MCS-51单片机，用 LM032L进行显示的硬件设计方法，电路硬件模块图如下： 硬件框图 ＡＴ８９C51 PC机 单片机复位 振荡电路 声光提示 - 10 - 3.4 稳压直流电源设计 本系统设计为 5V直流稳压电源给系统供电，AC220市电经 220V～9V变压器 变压，然后经桥式整流电路，再经电容滤波电路，经 7805 稳压管稳压，再进行 二次滤波，输出较稳定的 5V电压，给本系统供电。 流程图如下图所示： 3.5 串口通信电路设计 3.5.1 串口通信原理图 AC220V交流电 降压 整流 滤波 稳压 滤波 - 11 - 3.5.2 串口通信简介 RS232串口针脚定义 9针接口针脚定义： Pin 1 CD Received Line Signal Detector (Data Carrier Detect) Pin 2 RXD Received Data Pin 3 TXD Transmit Data Pin 4 DTR Data Terminal Ready Pin 5 GND Signal Ground Pin 6 DSR Data Set Ready Pin 7 RTS Request To Send Pin 8 CTS Clear To Send Pin 9 RI Ring Indicator 9芯 信号方向来自 缩写 描述 1 调制解调器 CD 载波检测 2 调制解调器 RXD 接收数据 3 PC TXD 发送数据 4 PC DTR 数据终端准备好 5 GND 信号地 6 调制解调器 DSR 通讯设备准备好 7 PC RTS 请求发送 8 调制解调器 CTS 允许发送 9 调制解调器 RI 响铃指示器 - 12 - 3.5.3 串口通信的原理及意义 串口通讯对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到电脑 端，而且也能实现电脑对单片机的控制，比如你可以把写入单片机的数据码显示 在电脑上，如可以使用一个按键，当按下它时使某一个字母如：AA，通过单片机 的串口将它发送到电脑上显示，起到仿真器的某些功效，站长在开发数据采集设 备时就是通过串口来检查数据正确与否的。 51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地 进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是 RS232电 平的，而单片机的串口是 TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们 采用了专用芯片 MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但 是还是用专用芯片更简单可靠。我们采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的 9针串口只连接其中的 3根线：第 5脚的 GND、第 2脚的 RXD、第 3脚的 TXD。这 是最简单的连接方法，但是对我们来说已经足够使用了，电路如下图所示，MAX232 的第 10脚和单片机的 11脚连接，第 9脚和单片机的 10脚连接，第 15脚和单片 机的 20脚连接。 为了能够在电脑端看到单片机发出的数据，我们必须借助一个 WINDOWS软件 进行观察，这里我们利用一个免费的电脑串口调试软件。