基于FRAM芯片和篮牙模块实现车载机收费及数据采集系统的设计

引言

自从20世纪70年代IC卡诞生以来，在飞速发展的微电子技术的带动下，IC卡已经深入到社会生活的各个角落，各种各样的卡大大方便了人们的生活：银行的食堂卡、信用卡，公交车使用的交通卡，就餐使用的食堂卡，出入管理使用的考勤卡，打电话使用的付费电话卡，手机中使用的SIM卡等等。

一 开发背景

公共交通是我国居民出行的主要方式，但由于我国人口众多，公共汽车常常拥挤不堪，售票员工作量较大，工作环境恶劣，公交收费、找零、财务管理及对售票员的监督难度较大。如果乘客人手一张智能卡，上车时只需将卡轻轻一晃，票款就自动记录下来，公交管理的问题将应刃而解。

二 系统概述

该系统运用先进的非接触式IC技术，FRAM存储和高效的篮牙网关系统，为公交支付提供了安全可靠，低成本，方便高效的支付方式和完整的业务处理系统，为提高公交行业的服务质量，树立公交行业优质高效服务的新形象，奠定了坚实的技术基础。同时，也为银行更进一步地发展持卡消费，创造了良好的条件。此外，非接触式IC卡多应用技术的实施，使得同一张IC卡能够提供更多的社会服务（如轮渡、地铁及公园门票的非接触式收费），真正做到一卡多用，从而产生积极的社会效益和可观的经济效益。

RAMTRON公司的FRAM芯片跟传统的EEPROM，FLASH相比有着几乎无限次擦写次数，数据安全性高等优点，它的应用，使得公交支付服务具备了以下优点：

（1） 使用方便。公交车每次到达车站时，本次（一个来回）的刷卡记录可以在到站时通过篮牙网关实时的传到站内的PC机中，所有操作均无需接触，全部由系统自动完成，不需人员干涉，降低人工成本。

（2） 简化读卡器的结构。传统方案的数据至少需要保存一周左右，采用篮牙网关以后数据只用保存公交车出行一个来回的时间，数据就可以传到站内PC机，读卡器内的数据就可以清除，因为采用FRAM（如：FM1808等并口系列芯片），数据不需要冗余双备份，从体积，成本等方面来考虑都有所减少。

（3） 降低数据丢失的概率。数据在读卡器里滞留的时间越长，发生出错的概率越高，再加上采用FRAM来存储交易记录，更能保证数据不会出错。

（4） 良好的系统开放性和通用性。通过采用良好的篮牙通用网关设备，使得系统可灵活增减符合篮牙协议标准协议的公交读卡器节点。为灵活组网提供了硬件基础。 （5） 结算方便简捷。通过高效的金融网络系统可方便高效地进行资金结算，大大加快了资金流动，减少了资金周转时间，为公交支付服务的进一步发展提供了保证。

三 系统结构

3.1系统结构说明：

（1） 银行帐务主机：管理卡及帐户档案，以及所有卡及卡帐户的帐务处理，IC卡业务的收发包处理，IC卡黑名单管理等，可通过X.25或TCP/IP协议与公交公司帐务主机通讯。

（2） 银行网点加值系统：完成公交IC卡的开卡，存款以及日常结算工作，通过银行内部网络与银行帐务主机相联。‘

（3） 公交主机系统：负责与银行主机的数据通讯及交易的管理，以及通讯，日志，统计管理等。

（4） 公交分公司系统：负责与公交主机系统的数据通讯及交易的管理，包括对下级车载机系统管理，驾驶员管理，通讯管理，统计管理，日志管理等。

（5） 车载机收费及数据采集系统：非接触式收费方式，均由非接触式接收器和相应通讯设施组成，完成公交IC卡的扣款，累计的交易统计数据在车行驶过程中暂存到FRAM中，然后通过篮牙模块在公交车进站时传输到数据系统中，再经过网络传输到公交主机。

四 硬件组成

4.1 计算机

主机：486以上机型即可，内存8M以上，硬盘空间110兆以上，标准VGA彩显，分辩率640480，鼠标。

4.2 网络

银行主机、公交总公司主机与各分公司主机可通过X.25或TCP/IP协议联网，车载收费器与公交站之间的数据通讯采用标准的篮牙协议。

4.3 读写设备

读写器采用硬件加密的3DES（TRIPLE DES）。

4.4 智能卡选型

采用普通逻辑加密卡即可，例如SLE4428；

五 软件组成

5.1公交系统功能说明

系统软件主要有以下部分组成：公交系统由车载系统，红外线数据采集系统，以及公交公司信息数据网络系统等部分组成。

1． 车载系统

车载系统安装于公共汽车上，使用公共汽车电源。它具有以下功能。

（1） 车载机开机

车载机开机，驾驶员卡启动完成。开机后，可设置车票票额及路线。

（2） 车载机验票扣款

顾客上车后，使用IC卡，在10cm范围内，验票扣款。卡片可放在钱包内，不必取出。交易时间少于0.1秒。

（3） 语音及指示灯功能

正常交易及异常情况均有不同的铃声提示及指示灯显示。

（4） 余额显示

在每次验票扣款后，均有卡余额显示。 （5） 防碰撞功能（自动分辨功能）

当多张卡同时进入操作区时，车载机会提示只能一张卡进入，当一张卡完成操作未离开操作区而有另一张卡进入时，则这张卡不会对之前的卡片有影响。读写机也不会与后来的卡片交易，直至第一张卡离开读写区为卡。

（6） 驾驶员卡结算

驾驶员每天换班时，用其驾驶员卡结算本机的收入总数，人次总数，月票人次数，以及结算时间，机号，驾驶员号等信息。

2． 数据采集系统

（1） 黑名单下载

公交信息系统下载来自银行的黑名单数据，传输方式采用篮牙协议传输。 （2） 黑名单安装

在公交车发车时，对车载机黑名单通过篮牙模块与公交车站内的PC机进行更新。

（3） 车载机篮牙数据采集

对车载机交易明细数据进行采集。

（4） 交易数据传输

车载机内FRAM的数据通过篮牙模块送至公交站内的PC系统中，再经由公交公司信息网络系统上送公交主机及银行后台主机。

3． 公交公司信息网络系统

该系统由分公司系统及总公司系统组成。通过高速MODEM进行数据传输。

5.2 发卡系统及设计

在非接触IC卡应用系统中，发卡系统的安全及其管理机制，影响着整个系统的安全。银行在指定范围内发行IC卡，如何安全地控制和管理发卡应用系统，便成为IC卡应用系统安全的关键。

本IC卡发卡系统，采用集中管理的方式，对于主密钥的安全存储采用硬件加密存储。发卡系统核心密钥的传输也采用3DES的方式实现。从而确保了整个发卡系统密钥的安全性。

1． 发卡系统说明

（1） 发卡系统结构说明

（2） 主密钥生成

由多人输入发卡主密钥。主密钥经由工厂密钥（Manufacture Key）经3DES加密后，传输至非接触式读卡机，并在读卡机内部经3DES解密，存放于加密存储器芯片中。主密钥包含以下密钥： ① ISSUER KEY：发行者密钥，用于系统控制。

② UPDATE KEY：个人信息修改密钥，用于修改个人信息控制。

③ DEBIT KEY：钱包扣款密钥，用于验票扣款。

④ CREDIT KEY：钱包存款密钥，用于钱包存款。

（3） 发卡过程说明

① 采用发卡管理卡启动发卡系统。

②输入卡号等发卡信息。

③ 读卡机读取卡片序列号（Card Serial Number）

④ 在读卡机内，根据卡片序列号对各主密钥进行处理。

⑤ 将密钥处理结果及数据写入卡片中。

⑥ 卡片初始状态为非启用状态。

5.3系统安全说明

本系统IC卡脱机消费的特性，使得其安全性控制显得尤为重要，在本系统的安全性能设计中，主要考虑了银行后台安全控制，交易认证等一系列措施。

1． 银行后台安全控制机制

为了确保系统的安全性，非接触式IC卡的钱包存款采用联机交易的方式，并且将存款密钥存放于银行后台的安全芯片中，每次存款交易由银行主机进行校验，有效地防止了伪造存款现象的发生。

2． 交易认证

本系统中，车载机在进行验票扣款时，采用3次密码的双向认证（符合ISO DIS9789-2要求）。所有数据均有16BIT的CRC校验。

3． 网络系统信息安全 在该IC卡网络系统的信息安全控制上，采用的是MAC（Message Authentication Code）校验的技术，确保交易信息的完整性和一致性。

4． 黑名单管理

黑名单管理是指IC卡处理时对黑名单卡信息的处理，由于IC卡在公交系统的大量脱机消费交易，使得黑名单的管理显得尤为重要，车载机上必须保存最新的黑名单信息，如上所述，黑名单管理采用了联机下传的方式。

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