Arduino 控制RFID读写器读写 IC卡

ZhangYixi • 2022年5月1日 pm9:29 • 嵌入式

Arduino 控制RFID读写器读写 IC卡

一、IC卡的认识

IC卡可以通过频段进行划分，低频（125KHz~134kHz，典型工作频率是12KHz）、高频（13.56MHz）和超高频（860-960MHz）。

今天的主角是高频卡即咱的M1卡，当然高频卡还有其他类型的卡，M1卡的芯片主要有s50和s70，即Philips Mifare 1 S50/S70芯片。区别是前者存储区只有1KB，后者4KB。协议遵循ISO 14443 和ISO 10536。

M1 S50卡共分为16个扇区，每个扇区分为4个块，每个块16个字节，所以总共16X4X16=1024字节，即1KB。

每个扇区的最后一个块，也就是块三，控制着整个扇区的数据读写权限，数据可进行增加和减少等等，具体显示如下。

FF FF FF FF FF	FF 07 80 69	FF FF FF FF FF
密码A	控制权限	密码B

控制字节的前三个字节为有效字节，最后一个字节为备用字节，通过位的组合来进行多种控制的选择，

比如第二个字节的第四位X、第三个字节的第一位Y和第三个字节的第四位Z组成一个0-7 的数据，每个数据代表一种控制方式，控制着块0的读写及数据加减操作。

	7	6	5	4	3	2	1	0
字节1 （FF）	Y3_b	Y2_b	Y1_b	Y_b	X3_b	X2_b	X1_b	X_b
字节2 （07）	X3	X2	X1	X	Z3_b	Z2_b	Z1_b	Z_b
字节3 （80）	Z3	Z2	Z1	Z	Y3	Y2	Y1	Y
字节4（69备用）

控制位	控制位	控制位	访问条件	访问条件	访问条件	访问条件
X	Y	Z	读数据	写数据	数据增加+	数据减少
0	0	0	KEYA/B	KEYA/B	KEYA/B	KEYA/B
0	0	1	KEYA/B	X	X	X
0	1	0	KEYA/B	KEYB	X	X
0	1	1	KEYA/B	KEYB	KEYB	KEYA/B
1	0	0	KEYA/B	X	X	KEYA/B
1	0	1	KEYB	KEYB	X	X
1	1	0	KEYB	X	X	X
1	1	1	X	X	X	X

** KEYA/B 表示验证AB密码均可 ，X表示没有该权限 无法进行该操作。

X_b表示X的反码。

比如上面的控制权限为000 即验证A或者B任意密码均可以进行读写加减数据等操作，属于安全性较低的一种控制权限。

然后块1和块2的读写权限也如上图所示，是由X1 ，Y1，Z1和X2、Y2和Z2来控制。

块3的读写权限，与块012有所不同。

控制位	控制位	控制位	A密码访问条件	A密码访问条件	存取控制访问条件	存取控制访问条件	B密码访问条件	B密码访问条件
X3	Y3	Z3	读数据	写数据	读数据	写数据	读数据	写数据
0	0	0	X	KEYA/B	KEYA/B	X	KEYA/B	KEYA/B
0	0	1	X	X	KEYA/B	X	KEYA/B	X
0	1	0	X	KEYB	KEYA/B	X	X	KEYB
0	1	1	X	X	KEYA/B	X	X	X
1	0	0	X	KEYA/B	KEYA/B	KEYA/B	KEYA/B	KEYA/B
1	0	1	X	KEYB	KEYA/B	KEYB	X	KEYB
1	1	0	X	X	KEYA/B	KEYB	X	X
1	1	1	X	X	KEYA/B	X	X	X

普通的M1白卡块0的前四位是UID号，代表着该卡唯一ID，不可以随意修改，因此许多门禁卡将其作为身份的识别，但是也有不少人想复制别人的卡，意思就是将自己卡的UID改成与别人的卡的UID一致。

#块0 16字节数据解释
D9 B2 20 09: 4字节卡号(即UID)
41         : XOR卡号校验
08         : 卡容量
04 00      : 卡类型
00 00 00 00: 其它
00 00 00 00: 其它

普通的M1白卡无法修改，就出现了一种特殊的M1卡，UID卡，也称为魔术卡，UID可以更改，但是不可以直接通过读写更改，需要特殊的指令才可以修改，可以更改多次，但是无法绕过读写器的防火墙，会响应读写器后指令，被发现为复制卡。
在这里插入图片描述

于是乎又出现了一种CUID卡，可以直接通过读写指令多次更改0扇区，方便了很多，同时会屏蔽后指令，绕过防火墙，但是其ID可能被其他读写更改，可能导致失效。

于是乎又出现了一种FUID卡，可更改一次UID，之后将变成普通的UID卡，防火墙检测也可以绕过，只能读写一次。还有一种UFUID卡，如果执行封卡操作，则变成普通的M1卡，如果不执行封卡操作，就是CUID卡，可以反复读写，是FUID和CUID的组合版，可能就是比较贵。

二、Arduino读写IC卡取及UID号

笔者使用的Arduino套件中的RFID读写器，芯片采用NXP公司的RC522，SPI通信，由于Arduino中自带SPI和RFID的库，所以很方便的调用来初始化芯片，以及读取卡片信息。
在这里插入图片描述

MCU芯片采用arduino uno r3套件，其芯片是Atmel 公司的AVR系列中的ATmega 328p微控制器，是RISC 指令单片机。

读取IC卡的信息步骤：

0、初始化RC522

1、是否有新卡处于空闲状态，自动忽略睡眠的卡，会唤醒卡

2、发送选择指令选择一张卡，

3、串口输出卡的存储转储文件信息。（dump文件）

/*
【Arduino】108种传感器模块系列实验（资料+代码+图形+仿真）
实验一百零二：MFRC-522 RFID射频 IC卡感应模块读卡器S50复旦卡钥匙扣
1、工具-管理库-搜索“MFRC522”库-安装
2、项目：使用MFRC522 RFID和Arduino读写标签
3、RFID与Arduino Uno的连线
SDA------------------------Digital 10
SCK------------------------Digital 13
MOSI----------------------Digital 11
MISO----------------------Digital 12
IRQ------------------------不用连接
GND-----------------------GND
RST------------------------Digital 9                    
3.3V------------------------3.3V (千万不要连接到5V接口！！！)
*/

#include <SPI.h>
#include <MFRC522.h>

#define SS_PIN 10
#define RST_PIN 9
MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN);  // Create MFRC522 instance.

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Initialize serial communications with the PC
  SPI.begin();  // Init SPI bus
  mfrc522.PCD_Init(); // Init MFRC522 card
  Serial.println("Scan PICC to see UID and type...");
}

void loop() {
  // Look for new cards

  if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) {
    return;
  }

  // Select one of the cards
  if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) {
    return;
  }

  // Dump debug info about the card. PICC_HaltA() is automatically called.
  mfrc522.PICC_DumpToSerial(&(mfrc522.uid));
}

Arduino 读写IC卡内容的程序，主要是验证扇区AB密码、读块数据和写块数据，具体流程如下：

0、初始化RC522，定义要写入的数据等

1、察看是否有新卡

2、选择一张卡

3、显示卡片UID和类型

4、验证密钥，并读取整个扇区数据，具体验证A还是B密钥，需要知道卡的控制类型，根据上面知道的其实000，即验证AB密码均可。

5、验证秘钥，写入对应扇区对应块的数据。

6、检测写入的数据是否正确，先读出数据，然后和源数据做比较，

/*
  【Arduino】108种传感器模块系列实验（资料+代码+图形+仿真）
  实验一百零二：MFRC-522 RFID射频 IC卡感应模块读卡器S50复旦卡钥匙扣
  1、安装库：IDE-工具-管理库-搜索“MFRC522”库-安装
  2、项目三：RC522 模块的读写操作
  3、RFID与Arduino Uno的连线
  SDA------------------------Digital 10
  SCK------------------------Digital 13
  MOSI----------------------Digital 11
  MISO----------------------Digital 12
  IRQ------------------------不用连接
  GND-----------------------GND
  RST------------------------Digital 9
  3.3V------------------------3.3V (千万不要连接到5V接口！！！)
*/

#include <SPI.h>
#include <MFRC522.h>
#define RST_PIN         9           // 配置针脚
#define SS_PIN          10
MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN);   // 创建新的RFID实例
MFRC522::MIFARE_Key key;
void setup() {
  Serial.begin(9600); // 设置串口波特率为9600
  while (!Serial);    // 如果串口没有打开，则死循环下去不进行下面的操作
  SPI.begin();        // SPI开始
  mfrc522.PCD_Init(); // Init MFRC522 card

  for (byte i = 0; i < 6; i++) {
    key.keyByte[i] = 0xFF;
  }

  Serial.println(F("扫描卡开始进行读或者写"));
  Serial.print(F("使用A和B作为键"));
  dump_byte_array(key.keyByte, MFRC522::MF_KEY_SIZE);    //将keybyte格式化成字符串，
  Serial.println();
  Serial.println(F("注意，会把数据写入到卡在#0"));
}


void loop() {

  MFRC522::StatusCode status;

  // 寻找新卡
  if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent())
    return;

  // 选择一张卡
  if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial())
    return;

  // 显示卡片的详细信息
  Serial.print(F("卡片 UID:"));
  dump_byte_array(mfrc522.uid.uidByte, mfrc522.uid.size);   //将uid格式化成字符串，
  Serial.println();
  Serial.print(F("卡片类型: "));
  MFRC522::PICC_Type piccType = mfrc522.PICC_GetType(mfrc522.uid.sak);
  Serial.println(mfrc522.PICC_GetTypeName(piccType));

  // 检查兼容性
  if (    piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_MINI
          &&  piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_1K
          &&  piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_4K) {
    Serial.println(F("仅仅适合Mifare Classic卡的读写"));
    return;
  }

  // 我们使用第0个扇区
  // 修改块1
  byte sector         = 0;
  byte blockAddr      = 1;
  byte dataBlock[]    = {
    0x01, 0x02, 0x03, 0x04, //  1,  2,   3,  4,
    0x04, 0x06, 0x07, 0x08, //  5,  6,   7,  8,
    0x0A, 0x0B, 0x0C, 0x0D, //  0，0，0，0
    0x0E, 0x0F, 0x09, 0x10  // 0，0，0，0
  };//写入的数据定义
  byte trailerBlock   = 1;

  byte buffer[18];
  byte size = sizeof(buffer);

  // 原来的数据
  Serial.println(F("显示原本的数据..."));
  status = (MFRC522::StatusCode) mfrc522.PCD_Authenticate(MFRC522::PICC_CMD_MF_AUTH_KEY_A, trailerBlock, &key, &(mfrc522.uid));
  if (status != MFRC522::STATUS_OK) {
    Serial.print(F("身份验证失败？或者是卡链接失败"));
    Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));
    return;
  }

  // 显示整个扇区
  Serial.println(F("显示所有扇区的数据"));
  mfrc522.PICC_DumpMifareClassicSectorToSerial(&(mfrc522.uid), &key, sector);
  Serial.println();

  // 从块儿读取数据
  Serial.print(F("读取块儿的数据在：")); Serial.print(blockAddr);
  Serial.println(F("块 ..."));
  status = (MFRC522::StatusCode) mfrc522.MIFARE_Read(blockAddr, buffer, &size);
  if (status != MFRC522::STATUS_OK) {
    Serial.print(F("读卡失败，没有连接上 "));
    Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));
  }
  Serial.print(F("数据内容在第 ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(" 块:"));
  dump_byte_array(buffer, 16); Serial.println();
  Serial.println();

  //开始进行写入准备
  Serial.println(F("开始进行写入的准备..."));
  status = (MFRC522::StatusCode) mfrc522.PCD_Authenticate(MFRC522::PICC_CMD_MF_AUTH_KEY_B, trailerBlock, &key, &(mfrc522.uid));
  if (status != MFRC522::STATUS_OK) {
    Serial.print(F("写入失败，没有连接上或者没有权限 "));
    Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));
    return;
  }

  // Write data to the block
  Serial.print(F("在第： ")); Serial.print(blockAddr);
  Serial.println(F("  块中写入数据..."));
  dump_byte_array(dataBlock, 16); Serial.println();
  status = (MFRC522::StatusCode) mfrc522.MIFARE_Write(blockAddr, dataBlock, 16);
  if (status != MFRC522::STATUS_OK) {
    Serial.print(F("写入失败... "));
    Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));
  }
  Serial.println();


  // 再次读取卡中数据，这次是写入之后的数据
  Serial.print(F("读取写入后第")); Serial.print(blockAddr);
  Serial.println(F(" 块的数据 ..."));
  status = (MFRC522::StatusCode) mfrc522.MIFARE_Read(blockAddr, buffer, &size);
  if (status != MFRC522::STATUS_OK) {
    Serial.print(F("读取失败... "));
    Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));
  }
  Serial.print(F("块 ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F("数据为 :"));
  dump_byte_array(buffer, 16); Serial.println();

  // 验证一下数据，要保证写入前后数据是相等的
  // 通过计算块中的字节数量
  Serial.println(F("等待验证结果..."));
  byte count = 0;
  for (byte i = 0; i < 16; i++) {
    // 比较一下缓存中的数据（我们读出来的数据） = （我们刚刚写的数据）
    if (buffer[i] == dataBlock[i])
      count++;
  }
  Serial.print(F("匹配的字节数量 = ")); Serial.println(count);
  if (count == 16) {
    Serial.println(F("验证成功 :"));
  } else {
    Serial.println(F("失败，数据不匹配"));
    Serial.println(F("也许写入的内容不恰当"));
  }
  Serial.println();

  // 转储扇区数据
  Serial.println(F("写入后的数据内容为：:"));
  mfrc522.PICC_DumpMifareClassicSectorToSerial(&(mfrc522.uid), &key, sector);
  Serial.println();

  // 停止 PICC
  mfrc522.PICC_HaltA();
  //停止加密PCD
  mfrc522.PCD_StopCrypto1();
}

/**
  将字节数组转储为串行的十六进制值
*/
void dump_byte_array(byte *buffer, byte bufferSize) {
  for (byte i = 0; i < bufferSize; i++) {
    Serial.print(buffer[i] < 0x10 ? " 0" : " ");
    Serial.print(buffer[i], HEX);
  }
}

Arduino 更改UID卡的ID号，UID卡的ID不能直接按常规的上面的方法写入，刚开始的时候，笔者并不知道如何更改UID号，就按照常规的方法写入，即验证秘钥A/B，然后写入，结果发现，每次都无法写入，提示写入失败，卡片无响应。
在这里插入图片描述

然后上网百度发现UID卡无法按照正常的方式写入，需要特殊的指令，这段指令和常规的写法不同，网上有实现采用STM32的，我采用Arduino的，都可以实现。

Sent bits: 50 00 57 cd //休眠，50 00 就是 PcdHalt()
Sent bits: 40 (7 bits) （特殊指令）//第一条指令，要设定 BitFramingReg 使传送 7位数据，不能是8位。
Received bits: a (4 bits)
Sent bits: 43 （特殊指令）//第二条指令
Received bits: 0a
Sent bits: a0 00 5f b1 //第三条指令
Received bits: 0a
Sent bits: 00 dc 44 20 b8 08 04 00 46 59 25 58 49 10 23 02 c0 10 //正常的写入块0数据
Received bits: 0a

经过查找和尝试，找到了库中的一个写入函数：PCD_TransceiveData，这个函数的参数挺复杂的，然后多次尝试之后，终于写成功了，

0、初始化RC522，定义要写入的数据等

1、察看是否有新卡

2、选择一张卡

3、显示卡片UID和类型

4、休眠

5、以此执行一二三条指令，返回正确则正常写入。

6、读取验证是否正常写入（未调试成功）

/*
  【Arduino】108种传感器模块系列实验（资料+代码+图形+仿真）
  实验一百零二：MFRC-522 RFID射频 IC卡感应模块读卡器S50复旦卡钥匙扣
  1、安装库：IDE-工具-管理库-搜索“MFRC522”库-安装
  2、项目三：RC522 模块的读写操作
  3、RFID与Arduino Uno的连线
  SDA------------------------Digital 10
  SCK------------------------Digital 13
  MOSI----------------------Digital 11
  MISO----------------------Digital 12
  IRQ------------------------不用连接
  GND-----------------------GND
  RST------------------------Digital 9
  3.3V------------------------3.3V (千万不要连接到5V接口！！！)
*/

#include <SPI.h>
#include <MFRC522.h>
#define RST_PIN         9           // 配置针脚
#define SS_PIN          10
MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN);   // 创建新的RFID实例
MFRC522::MIFARE_Key key;
void setup() {
  Serial.begin(9600); // 设置串口波特率为9600
  while (!Serial);    // 如果串口没有打开，则死循环下去不进行下面的操作
  SPI.begin();        // SPI开始
  mfrc522.PCD_Init(); // Init MFRC522 card

  for (byte i = 0; i < 6; i++) {
    key.keyByte[i] = 0xFF;
  }

  Serial.println(F("扫描卡开始进行读或者写"));
  Serial.print(F("使用A和B作为键"));
  dump_byte_array(key.keyByte, MFRC522::MF_KEY_SIZE);
  Serial.println();

  Serial.println(F("注意，会把数据写入到卡在#0"));
}


void loop() {

    MFRC522::StatusCode status;

  // 寻找新卡
  if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent())
    return;

  // 选择一张卡
  if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial())
    return;

  // 显示卡片的详细信息
  Serial.print(F("卡片 UID:"));
  dump_byte_array(mfrc522.uid.uidByte, mfrc522.uid.size);
  Serial.println();
  Serial.print(F("卡片类型: "));
  MFRC522::PICC_Type piccType = mfrc522.PICC_GetType(mfrc522.uid.sak);
  Serial.println(mfrc522.PICC_GetTypeName(piccType));

  // 检查兼容性
  if (    piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_MINI
          &&  piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_1K
          &&  piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_4K) {
    Serial.println(F("仅仅适合Mifare Classic卡的读写"));
    return;
  }




  //开始进行写入准备
  Serial.println(F("开始进行写入的准备..."));


    status = mfrc522.PICC_HaltA();         //休眠
    if(status != MFRC522::STATUS_OK)
    {
      Serial.print(F("休眠失败... "));

      return;
    }

    Serial.println(F("休眠成功... "));

    //第一条指令、
    byte buffer_send[4]={0x40,0x00,0x00,0x00};
    byte receive= 0x01;
    byte rec_len = 1;
    byte validbits = 0x07;
    mfrc522.PCD_SetRegisterBitMask(MFRC522::BitFramingReg,validbits);
    status = mfrc522.PCD_TransceiveData(buffer_send,1,&receive,&rec_len,&validbits,0,false);
   if(status != MFRC522::STATUS_OK)
   {
      Serial.println(F("0x40 发送失败... "));
      Serial.println(status); 
      return;
   }
    Serial.println(receive); 

    buffer_send[0] = 0x43;
    validbits = 8;
    mfrc522.PCD_ClearRegisterBitMask(MFRC522::BitFramingReg,0x07);
     status = mfrc522.PCD_TransceiveData(buffer_send,1,&receive,&rec_len,nullptr,0,false);
   if(status != MFRC522::STATUS_OK)
   {
      Serial.println(F("0x43 发送失败... "));
      return;
   } 
    Serial.println(receive); 

    //第一条指令、
    buffer_send[0] = 0xa0;
    buffer_send[1] = 0x00;
    buffer_send[2] = 0x5f;
    buffer_send[3] = 0xb1;
    validbits = 8;
     status = mfrc522.PCD_TransceiveData(buffer_send,4,&receive,&rec_len,nullptr,0,false);
   if(status != MFRC522::STATUS_OK)
   {
      Serial.println(F("块0 发送失败... "));
      return;
   } 
    Serial.println(receive); 

    //第三条指令、
    byte  data[20]={
    0x21, 0xB7, 0x7F, 0xE2, //  1,  2,   3,  4,
    0x9C, 0x08, 0x04, 0x00, //  5,  6,   7,  8,
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, //  0， 0，   0， 0
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00  //  0， 0，   0， 0
   }; 

    byte i=0;
    byte Value = 0;
    for(i=0;i<4;i++)
    {
      Value^=data[i];
    }
    data[4] = Value;
   mfrc522.PCD_CalculateCRC(data,16,&data[16]);
   status = mfrc522.PCD_TransceiveData(data,18,&receive,&rec_len,nullptr,0,false);
   if(status != MFRC522::STATUS_OK)
   {
       Serial.println(F("块0 发送失败... "));
       return;
   }
    Serial.println(receive); 


  byte sector         = 0; //0扇区
  byte blockAddr      = 0; //0块

  byte buffer[18]; 
  byte size = sizeof(buffer);


  // 再次读取卡中数据，这次是写入之后的数据
  Serial.print(F("读取写入后第")); Serial.print(blockAddr);
  Serial.println(F(" 块的数据 ..."));
  status = (MFRC522::StatusCode) mfrc522.MIFARE_Read(blockAddr, buffer, &size);
  if (status != MFRC522::STATUS_OK) {
    Serial.print(F("读取失败... "));
    Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));
  }
  Serial.print(F("块 ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F("数据为 :"));
  dump_byte_array(buffer, 16); Serial.println();

  // 验证一下数据，要保证写入前后数据是相等的
  // 通过计算块中的字节数量
  Serial.println(F("等待验证结果..."));
  byte count = 0;
  for (byte i = 0; i < 16; i++) {
    // 比较一下缓存中的数据（我们读出来的数据） = （我们刚刚写的数据）
    if (buffer[i] == data[i])
      count++;
  }
  Serial.print(F("匹配的字节数量 = ")); Serial.println(count);
  if (count == 16) {
    Serial.println(F("验证成功!"));
  } else {
    Serial.println(F("失败，数据不匹配"));
    Serial.println(F("也许写入的内容不恰当"));
  }
  Serial.println();


  // 停止 PICC
  mfrc522.PICC_HaltA();
  //停止加密PCD
  mfrc522.PCD_StopCrypto1();
}

/**
  将字节数组转储为串行的十六进制值
*/
void dump_byte_array(byte *buffer, byte bufferSize) {
  for (byte i = 0; i < bufferSize; i++) {
    Serial.print(buffer[i] < 0x10 ? " 0" : " ");
    Serial.print(buffer[i], HEX);
  }
}