專利名稱：基于音頻接口的非接觸式智能卡手機認證設備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本設備用于手機移動平臺的接觸式智能卡的安全認證(其中手機平臺需具有音頻硬件接ロ并且能提供軟件相關(guān)音頻接ロ函數(shù)。例如:采用android平臺相關(guān)手機，蘋果、黑莓手機等)。及其他具有音頻ロ的設備進行智能卡識別認證所用。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的身份認證在手機上采用用戶名+靜態(tài)密碼的方式，此種方式密碼容易泄露，容易被暴力破解，且有可能被手機內(nèi)運行的非法程序截獲。智能卡加密鎖對用戶的軟件代碼和重要數(shù)據(jù)提供了全方位、高安全度的保護，通過音頻ロ將認證信息傳遞給手機端，可避免這些弊端。

發(fā)明內(nèi)容
具有音頻ロ的非接觸智能卡加密鎖讀卡器(以下稱音頻ロ讀卡器)的工作原理:音頻ロ讀卡器具有標準音頻輸入輸出接ロ。手機端需要預先安裝一個與認證設備相對應的認證軟件。在進行認證時，需要將手機和音頻ロ讀卡器通過音頻ロ連接到一起，接觸式智能卡插入智能卡讀卡器中。手機和音頻ロ讀卡器之間的通信是通過音頻接ロ完成的。當音頻ロ讀卡器音頻接ロ插入手機耳機插孔，手機啟動認證軟件后，認證軟件調(diào)用手機操作系統(tǒng)提供的音頻輸出接ロ函數(shù)發(fā)送經(jīng)過調(diào)制的相關(guān)認證請求等信號，把認證信息傳輸給音頻ロ讀卡器。通過這種數(shù)據(jù)傳輸方式來傳送先關(guān)認證信息給音頻ロ讀卡器。

手機端需要發(fā)送數(shù)據(jù)給智能卡時，首先認證軟件將需要發(fā)送到數(shù)據(jù)加密(此處的加密與智能卡的解密相對應，音頻ロ讀卡器透明傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)加密方式由智能卡加密鎖的生產(chǎn)商決定)，然后調(diào)用與音頻ロ讀卡器對應的庫文件中的函數(shù)，將數(shù)字量由FSK (具體見下文)方式調(diào)制轉(zhuǎn)換成對應模擬量，然后調(diào)用系統(tǒng)中提供的音頻操作函數(shù)，將調(diào)制后的模擬信號發(fā)送到音頻ロ，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。音頻ロ讀卡器提供的庫文件中封裝的函數(shù)，其最底層數(shù)據(jù)發(fā)送要依賴于認證手機所采用的操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)不同，音頻端ロ的接ロ函數(shù)就不同。這也是我們要求手機操作平臺能提供音頻接ロ的原因。調(diào)制波形由手機右聲道發(fā)送到音頻接ロ(耳機插ロ)，經(jīng)音頻ロ讀卡器的音頻接ロ接收傳輸?shù)紸D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字量。音頻ロ讀卡器通過檢測數(shù)字量數(shù)據(jù)的變化狀態(tài)來判定是否有新數(shù)據(jù)傳輸(預先約定好數(shù)據(jù)傳輸起始標志，比如數(shù)據(jù)空閑時右聲道輸入保持固定高電壓，AD轉(zhuǎn)換后變?yōu)閷唠娖?，當有?shù)據(jù)傳輸時高電平跳變，標志數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束原理相同)。數(shù)據(jù)傳輸開始后，音頻ロ讀卡器主控制芯片固件程序開辟空間，將音頻輸入端ロ傳輸?shù)哪M量轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量保存。音頻ロ讀卡器主控制芯片將保存的數(shù)字信號解調(diào)為對應的0，1，然后音頻ロ讀卡器主控制芯片將解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過串ロ傳輸給音頻ロ讀卡器認證部分，認證部分由串ロ接收數(shù)據(jù)后解密(對應手機軟件的加密)，然后根據(jù)發(fā)送來的數(shù)據(jù)由串ロ返回相應的認證信息給音頻ロ讀卡器的主控芯片。音頻ロ讀卡器主控芯片根據(jù)串ロ返回的信息，將對應信息經(jīng)FSK調(diào)制，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換發(fā)送到音頻輸出ロMIC聲道，把對應認證信息發(fā)送給手機。手機根據(jù)音頻輸入數(shù)據(jù)對應模數(shù)轉(zhuǎn)換的起始電平跳變后，接收數(shù)據(jù)，并保存。數(shù)據(jù)接收完畢后，經(jīng)調(diào)制解調(diào)，將保存數(shù)據(jù)還原為O，I狀態(tài)。通過此種方式完成一次，手機和認證設備的通信。FSK (Frequency-shift keying)即用數(shù)字信號調(diào)制載波的一種調(diào)制方式。該方式用不同的載波頻率承載數(shù)字信號0和I。利用載波的頻率傳遞數(shù)字信息實現(xiàn)起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。如圖1:FSK調(diào)制示意圖。當要發(fā)送數(shù)據(jù)0吋，我們在時間t內(nèi)發(fā)送兩個正弦波，此時的正弦波周期為t/2，頻率為2/t。當要發(fā)送數(shù)據(jù)I時，我們在時間t內(nèi)發(fā)送ー個正弦波，此時的正弦波的周期為t，頻率為1/t。調(diào)制信號通過DA再次轉(zhuǎn)換，發(fā)送到音頻輸出端ロ。音頻ロ讀卡器接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，由控制芯片固件程序開辟空間保存數(shù)據(jù)，開始解調(diào)數(shù)據(jù)。解調(diào)數(shù)據(jù)完成后，主控芯片通過串ロ將解調(diào)的數(shù)據(jù)發(fā)送給具有標準IS07816接ロ的發(fā)送芯片，芯片通過IS07816協(xié)議，將接受到的數(shù)據(jù)發(fā)送給智能卡加密鎖，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。數(shù)據(jù)返回時，智能卡加密鎖通過IS07816接ロ，將數(shù)據(jù)發(fā)送給音頻ロ讀卡器的發(fā)送芯片，發(fā)送芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送主控芯片，音頻ロ讀卡器主控芯片將數(shù)據(jù)調(diào)制成對應音頻模擬信號，發(fā)送給音頻ロ，最終將數(shù)據(jù)發(fā)送手機認證端。手機認證音頻ロ讀卡器的工作流程:手機認證音頻ロ讀卡器通過手機耳機插孔插入手機并打開手機認證軟件。當手機需要進行身份認證時，首先認證軟件將需要發(fā)送的認證請求進行加密，之后通過信號調(diào)制，將加密后的認證請求調(diào)制為模擬信號，經(jīng)由耳機插孔的右聲道輸入到音頻ロ讀卡器的音頻接ロ，音頻接ロ接收信息后發(fā)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號保存到主控芯片固件程序開辟的空間中，主控芯片經(jīng)過解調(diào)得到加密后的認證請求，然后將此認證請求通過SPI接ロ發(fā)送到非接觸式通信中的高度集成讀寫芯片，該芯片對發(fā)來的數(shù)據(jù)處理調(diào)制，經(jīng)天線將加載有數(shù)據(jù)的射頻信號發(fā)送出去。非接觸式智能卡加密設備線圈磁通量發(fā)生變化，電荷經(jīng)一段時間積累，電壓達到智能卡正常エ作電壓，智能卡開始工作，接收射頻信息，然后解調(diào)數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)通過射頻信號返回相應認證信息。非接觸式高度集成讀寫芯片接收到返回的認證信息的射頻信號，解調(diào)出認證信息，經(jīng)由SPI接ロ，將認證信息發(fā)送給主控芯片，主控芯片把傳輸來的認證信息，調(diào)制成模擬信號，發(fā)送到音頻接ロ的Mic ロ，手機認證軟件檢測到耳機插孔端有數(shù)據(jù)傳輸過來，接收數(shù)據(jù)。接收完畢后，首先對數(shù)據(jù)解調(diào)為數(shù)字信號，然后對數(shù)據(jù)進行解密(對應認證音頻ロ讀卡器主控芯片的加密)，獲得最終認證信息，得到認證結(jié)果，即完成了一次身份認證。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細的描述，以使得本發(fā)明的上述優(yōu)點更加明確。圖1是FSK調(diào)制示意圖；圖2是非接觸式音頻ロ讀卡器硬件框圖；圖3是非接觸式音頻ロ讀卡器電路層次圖； 圖4是音頻ロ讀卡器電源；
圖5是音頻ロ讀卡器主控芯片最小系統(tǒng)；圖6是音頻ロ讀卡器音頻部分；圖7是射頻信號發(fā)射部分；圖8是音頻ロ讀卡器軟件流程圖；圖9是STM32與MFRC通信流程；圖10是數(shù)據(jù)發(fā)送信號檢測示意圖；圖11是調(diào)制數(shù)據(jù)示意圖；圖12是濾波示意圖。
具體實施例方式手機認證音頻ロ讀卡器硬件框圖及實施案例:如圖2。音頻ロ讀卡器采用ST公司的STM32F105RTC6為控制芯片，該芯片是32位微控制器，最高工作頻率72Mhz。內(nèi)置12位AD工作頻率，最多可有16個通道，轉(zhuǎn)換范圍0至3.6V。2路12位DAC通道。內(nèi)置5個通用串行ロ，方便數(shù)據(jù)傳輸。非接觸式通信中的高度集成讀寫芯片采用MF RC522，MF RC522是NXP公司推出的ー款低電壓、低功耗、低成本、體積小的非接觸式讀寫芯片，是智能儀表和手持設備研發(fā)的較好選擇。非接觸式音頻ロ讀卡器層次電路圖如圖3。XC6219系列是高精度，低噪音，采用CMOS生產(chǎn)エ藝的LDO電壓調(diào)整器芯片，2-6V輸入電壓。音頻ロ讀卡器采用固定輸出3.3V型號。音頻ロ讀卡器采用ST公司的STM32F105RTC6為控制芯片，該芯片是32位微控制器，最高工作頻率72Mhz。內(nèi)置12位AD工作頻率，最多可有16個通道，轉(zhuǎn)換范圍0至3.6V。2路12位DAC通道。內(nèi)置5個通用串行ロ，方便數(shù)據(jù)傳輸。音頻部分采用3.5mm標準四芯音頻接ロ，電路如圖7。MF RC522是NXP公司推出的ー款低電壓、低功耗、低成本、體積小的非接觸式讀寫芯片。內(nèi)置對卡片或標簽的信號進行解調(diào)和譯碼的高集成度的模擬電路；采用少量外部元件，即可將輸出驅(qū)動天線；支持ISO 14443 TypeA和Mifare通信協(xié)議，可讀寫與該ニ標準的非接觸式IC卡和應答器；2.5 3.6V的低電壓低功耗設計；如圖7。當手機需要進行身份認證時，通過認證軟件發(fā)送認證請求到音頻接ロ。音頻ロ讀卡器約定音頻接ロ空閑時保持低電壓(由單片機低電平轉(zhuǎn)換后的電壓)。當有數(shù)據(jù)發(fā)送吋，設置發(fā)送端為一段時間高電壓(由單片機高電平轉(zhuǎn)換后的電壓)，聲明告知接收端將要有數(shù)據(jù)發(fā)送，做好接收準備，保持一段高電壓后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。認證軟件檢測到手機音頻ロMIC輸入一段持續(xù)高電平，得知將要有數(shù)據(jù)傳輸，做好接收數(shù)據(jù)準備，其間手機軟件一直檢測MIC電壓，當檢測到電壓不再是高電平轉(zhuǎn)換的電壓后，得知真正數(shù)據(jù)開始傳輸，模擬信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，得到對應數(shù)字信號，認證軟件開辟空間保存這些數(shù)字信號數(shù)據(jù)。音頻ロ讀卡器主控芯片STM32軟件程序流程圖如圖所8STM32與MFRC522通信的過程流程如圖9示。首先，STM32初始化工作中，很重要的一部分是對MFRC522進行初始化，包括對通信寄存器的讀寫，來設定通信參數(shù)。初始化工作完成后，STM32通過SPI端ロ把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及對應命令寫入RC522的FIFO寄存器，然后STM32寫RC522通信命令字寄存器，開始與智能卡認證設備通信。通信數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送出去后，STM32檢測讀取RC522狀態(tài)寄存器，檢測RC522與智能卡認證設備的通信狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)判斷與智能卡認證設備通信的成功與否。最后根據(jù)通信成功標志寄存器，進行下一歩操作。軟件首先初始化配置IO ロ、定時器、DMA、串ロ等寄存器，配置完成后，DMA寄存器默認為接收100字節(jié)數(shù)據(jù)觸發(fā)中斷。數(shù)據(jù)傳輸標志位默認初始化狀態(tài)為O。軟件約定Com_flag標志位為0時，表示音頻ロ讀卡器未檢測到認證軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸信號(起始的高電平狀態(tài))。當該標志位為I吋，則表示音頻ロ讀卡器已經(jīng)成功接收到認證軟件發(fā)送來的數(shù)據(jù)傳輸信。初始狀態(tài)音頻ロ讀卡器未接收到認證軟件的數(shù)據(jù)發(fā)送信號，所以通過DMA中斷函數(shù)，調(diào)用Ched^ReceiveO函數(shù)，不斷檢測音頻接ロ是否接收到認證軟件發(fā)來的發(fā)送數(shù)據(jù)標志信號。如果沒有檢測到，則等到下次DMA中斷繼續(xù)檢測。軟件約定，數(shù)據(jù)發(fā)送信號為ー段連續(xù)高電平。軟件約定，當DMA工作在檢測發(fā)送數(shù)據(jù)信號狀態(tài)時，接收到經(jīng)過音頻接ロ由單片機內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換而來100字節(jié)大小的數(shù)據(jù)時觸發(fā)一次DMA中斷。檢測時，每字節(jié)保存一個由AD轉(zhuǎn)換后的整數(shù)，當這100個整數(shù)(高電平信號經(jīng)音頻接ロ接收，再由單片機內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換后的8位ニ進制整數(shù))中大于等于100的數(shù)的個數(shù)大于等于5時，我們就約定音頻ロ讀卡器接收到高電平信號，即接收到數(shù)據(jù)發(fā)送信號。此時函數(shù)Ched^ReceiveO返回值為I。如圖10據(jù)發(fā)送信號檢測示意圖。根據(jù)Check_Receive ()的返回值I,軟件置位com_flag標志位,標志軟件已經(jīng)檢測到數(shù)據(jù)發(fā)送信號。重新配置DMA寄存器，以方便正確接收將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。為保證接收數(shù)據(jù)的完整性，軟件約定，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)信號后，將電平拉低，數(shù)據(jù)線保持一段低電平狀態(tài)，然后發(fā)送調(diào)制后的波形。當數(shù)據(jù)接收完畢后(軟件開辟足夠大小的緩存存放數(shù)據(jù))，因為軟件在接收到數(shù)據(jù)發(fā)送信號之后，便開始采集保存數(shù)據(jù)發(fā)送信號之后的數(shù)據(jù)，所以在保存的數(shù)據(jù)中，可能保存了數(shù)據(jù)發(fā)送信號后的一段高電平，以及數(shù)據(jù)發(fā)送信號的低電平，因此在解調(diào)數(shù)據(jù)之前，要濾去這些數(shù)據(jù)，找到真正調(diào)制數(shù)據(jù)的起始點。

如圖11接收的數(shù)據(jù)區(qū)間包含高電平以及低電平，而軟件真正想要傳遞的數(shù)據(jù)是從c點開始，這就要求我們找到的點。由圖形可以分析出，c點對應轉(zhuǎn)換的數(shù)字量一定比前一刻采樣的模擬量對應的數(shù)字量大，并且比后一刻采集的模擬量對應的數(shù)字量的值要小，根據(jù)這ー特征我們找到該點或該點左近的點，作為真正數(shù)據(jù)的起始點。這也是軟件再發(fā)送完數(shù)據(jù)發(fā)送信號后，拉低數(shù)據(jù)線的原因，方便找到數(shù)據(jù)起始點。在模擬量傳輸?shù)倪^程中，為避免干擾導致的錯誤，軟件濾去其中偏差較大的值。如圖8中b點的值，正常情況下，b點值應該介于a點c點之間，在解調(diào)的過程中，首先將檢測b點的值是否超過某ー閾值(軟件取150)，如果超過，則該點視為干擾值，重新對齊賦值，值的大小取前后兩點的中間值。軟件中調(diào)用Find_Start_P0int()函數(shù)，找到該點，采用的方法就是比較保存數(shù)據(jù)的值的大小，當找到如上所述的特征點時，軟件就將其作為真正數(shù)據(jù)的起始點。找到數(shù)據(jù)的起始點后，然后就是對數(shù)據(jù)的解調(diào)。軟件規(guī)定，發(fā)送0吋，認證軟件向音頻ロ發(fā)送2個整周期的2KHz正弦波，發(fā)送I吋，為I個整周期IKHz的正弦波，0或I對應的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號時，都采樣20次。即ニ進制數(shù)0、1轉(zhuǎn)換后的模擬信號對應著20字節(jié)的數(shù)據(jù)，即20個整數(shù)。也就是說認證軟件發(fā)送的0或I，對應著音頻ロ讀卡器保存數(shù)據(jù)中的20個整數(shù)。
有上述可知，IKHz的正弦波，ー個整周期對應采樣點為20個，2KHz的正弦波，ー個整周期對應的采樣點應該為20/2=10個。由采樣點的個數(shù)我們可以區(qū)分出波的頻率，進而能區(qū)分出，認證軟件發(fā)送的是0還是I。要應用上述方法區(qū)分0和I的傳送，首先要區(qū)分一個完整的波形，然后計算出ー個完整波形對應的采樣的點數(shù)，根據(jù)點數(shù)就可以區(qū)分出波的頻率，進而區(qū)分出認證軟件發(fā)送的是0還是1，通過移位等運算得到一個字節(jié)或更大長度的數(shù)據(jù)，達到解調(diào)的目的。音頻ロ讀卡器把解調(diào)后的數(shù)據(jù)，通過SPI接ロ發(fā)送到非接觸式通信中的高度集成讀寫芯片MFRC522。STM32通過指令控制RC522與智能卡認證設備通信。然后讀取RC522芯片中的通信狀態(tài)寄存器(根據(jù)智能卡的應答信號，RC522設置通信狀態(tài)寄存器的值)，判斷通信成功與否。如果通信成功，則進行下一歩操作；如果不成功，則重新通信，直至通信成功為止。RC522芯片對STM32發(fā)來的數(shù)據(jù)處理調(diào)制，經(jīng)天線將加載有數(shù)據(jù)的射頻信號發(fā)送出去。非接觸式智能卡加密設備線圈磁通量發(fā)生變化，電荷經(jīng)一段時間積累，電壓達到智能卡正常工作電壓，智能卡開始工作，接收射頻信息，然后解調(diào)數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)通過射頻信號返回相應認證信息。非接觸式高度集成讀寫芯片MFRC522接收到返回的認證信息的射頻信號，解調(diào)出認證信息，經(jīng)由SPI接ロ，將認證信息發(fā)送給主控芯片。主控芯片檢測到SPI端口中斷，接收認證信息，而后將認證信息調(diào)制成音頻信號傳輸?shù)揭纛l接ロ MIC，認證手機中的認證軟件檢測到音頻ロ的MIC有數(shù)據(jù)傳輸后，開始接收數(shù)據(jù)。接收完畢后，認證軟件對數(shù)據(jù)解調(diào)，解密獲得相應認證信息，完成一次通信。
權(quán)利要求
1.一種基于音頻接ロ的非接觸式認證設備，其特征在于，包括內(nèi)置有音頻接ロ，濾波電路，主芯片部分包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，SPI端ロ，非接觸式高度集成讀寫芯片，及天線。
2.所述的ー種基于音頻接ロ的非接觸式認證設備，其特征在干，音頻接ロ與濾波電路所連接，濾波電路與主芯片所連接。
3.所述的ー種基于音頻接ロ的非接觸式認證設備，其特征在于，其電源部分為非接觸式高度集成讀寫芯片供電。
4.所述的ー種基于音頻接ロ的非接觸式認證設備，其特征在于，當FSK調(diào)制時,在t時間內(nèi)發(fā)送兩個正弦波。
5.根據(jù)權(quán)利要求一所述的ー種基于音頻接ロ的非接觸式認證設備，其特征在干，音頻ロ讀卡器采用高度集成讀寫芯片。
6.所述的ー種基于音頻接ロ的非接觸式認證設備，其特征在干，當手機需要進行身份認證時，通過認證軟件發(fā)送認證請求到音頻接ロ。
7.所述的ー種基于音頻接ロ的非接觸式認證設備，其特征在于，本發(fā)明約定音頻接ロ空閑時保持低電壓，當有數(shù)據(jù)發(fā)送吋，設置發(fā)送端為一段時間高電壓，聲明告知接收端將要有數(shù)據(jù)發(fā)送，做好接收準備，保持一段高電壓后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于音頻接口的非接觸式認證設備，包括音頻輸出接口，濾波電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，電源芯片，SPI端口，本設備用于具有音頻接口的設備上的非接觸智能卡認證，本發(fā)明可應用于手機移動平臺的接觸式智能卡的安全認證，及其他具有音頻接口的設備識別智能卡時的非接觸式認證。
文檔編號H04L9/32GK103138929SQ201110398329
公開日2013年6月5日 申請日期2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月5日
發(fā)明者鄒芬 申請人:賽酷特(北京)信息技術(shù)有限公司