基于單片機(jī)的智能IC卡讀寫器設(shè)計(jì).doc

基于單片機(jī)的智能IC卡讀寫器設(shè)計(jì)摘要：隨著社會的進(jìn)步和現(xiàn)代化程度的不斷提高，人類所擁有的信息種類和數(shù)量都在成倍地增長，每天都要處理許多與個(gè)人有關(guān)的信息，而這些信息管理十分不便。因此，在實(shí)際生活中IC卡的應(yīng)用范圍非常廣泛，它有助于解決問題。IC卡讀寫器是IC卡和計(jì)算機(jī)之間的傳輸媒介，它與計(jì)算機(jī)之間通過串行口相連，本文主要應(yīng)用89C2051單片機(jī)為核心對SLE4442卡進(jìn)行讀寫控制。接觸式IC卡是IC卡領(lǐng)域的一項(xiàng)新興技術(shù),它是射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。首先在緒論中介紹了課題的開發(fā)意義及功能概述。其次在主要描述了系統(tǒng)硬件工作原理，并介紹了IC卡SLE4442的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理圖，論述了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所應(yīng)用的各硬件接口技術(shù)和各個(gè)接口模塊的功能及工作過程。本系統(tǒng)是以單片機(jī)的基本語言匯編語言來進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，指令的執(zhí)行速度快。最后具體描述了各個(gè)功能模塊的軟、硬件調(diào)試。本文撰寫的主導(dǎo)思想是軟、硬件結(jié)合，以硬件為基礎(chǔ)，來進(jìn)行各功能模塊的編寫。關(guān)鍵詞：讀寫控制，單片機(jī)，IC卡。Abstract:Raisecontinuouslyalongwiththeprogressandmoderndegreeofthesociety,theinformationcategoryandquantitiesthatthemankindownallBebecomingdoublyagrowth,wanttohandletobemanyandpersonaleverydayrelevantofinformation,buttheseinformationmanagementsisveryinconvenient.TheapplicationoftheICcardisveryextensiveinthereallife.itcontributestosolveproblem。ICcardsreadingandwriteamachineistheICcardandofthecalculatordelivermedium,itgoestoconnectwitheachotherwithofthecalculatorthroughastring,thistextappliesasinglesliceof89C2051machineforthecoremainlytotheSLE4442cardsestocarryonreadingandwriteacontrol.ThecontacttypeICcardisanewlyarisentechniqueoftheICcardrealm,itistheoutcomethattheradiofrequencyidentifiesthetechniqueandtheICcardtechniquetocombinetogether.Firstintroducedintheintroductiontothetopicofsignificanceandfunctionsoutlined.Secondlythetextinsidedescribesthesystemhardwareworkprinciple,andintroducetheICSLE4442internalstructureandchipfigure,discussthefunctionandworkingprocessofthesedegreegraduationprojectstationappliedeachhardwareinterfacetechnologyandeachinterfacemodule.IThissystemeditscollectedmaterialsthelanguagetoproceedwithsinglethebasiclanguageofamachinethesoftwaredesigns,theinstructioncarriesoutthespeedquick,savememory.Inconclusionconcretiondescriptionsoftandhardwaredebugofeachfunctionalmodule.Thepredominancethoughtthatthistextcomposeissoft,thehardwarecombinestogether,regardinghardwareasthefoundation,proceedstheplaitofeachfunctionmoldpiecewrite.Keywords:Readandwriteacontrol,singleslicemachine,ICcard.目錄:1前言11系統(tǒng)的提出及研究意義。12系統(tǒng)的研究方向及功能概述。2正文21硬件設(shè)計(jì)思路。22硬件論證方案。23硬件各模塊的設(shè)計(jì)。2.3.189C2051單片機(jī)的簡介。2.3.2SLE4442IC卡的簡介：芯片概述：芯片功能；芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)；傳輸協(xié)議：復(fù)位和復(fù)位響應(yīng)；命令模式；輸出數(shù)據(jù)模式；處理數(shù)據(jù)模式；2.3.3SLE4442的應(yīng)用：芯片的復(fù)位方式；芯片的操作命令格式；2.3.4SLE4442的接口技術(shù)：SLE4442卡的接口電路；SLE4442卡的插入/退出識別與上電/下電復(fù)位過程；SLE4442卡的讀寫；SLE4442卡的邏輯加密。2.3.5RS232通信接口芯片：2.3.6電路原理分析24軟件設(shè)計(jì)思想。軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其分析；軟件系統(tǒng)分析；25軟件程序設(shè)計(jì)3系統(tǒng)調(diào)試4結(jié)論5參考文獻(xiàn)6致謝附錄：附錄一：外文專業(yè)參考資料譯文附錄二：外文專業(yè)參考資料原文附錄三：電路原理圖附錄四：程序流程圖附錄五：程序清單1前言11系統(tǒng)的提出及研究意義。當(dāng)今世界信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，一個(gè)以電子商務(wù)為主要特征的經(jīng)濟(jì)時(shí)代即將來臨，IC卡是一種將個(gè)人信息最有效地送入到先進(jìn)的全球信息網(wǎng)絡(luò)并獲取所需結(jié)果的最有效的辦法，IC卡將成為人們聯(lián)網(wǎng)身份識別和實(shí)現(xiàn)電子支付手段。其影響面是前所未有的。智能IC卡與普通磁卡相比具有更高的安全性，為此，對智能IC卡的讀寫進(jìn)行研究是非常有意義的。按卡與外界數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问絹矸?，有接觸式IC卡和非接觸式IC卡兩種。當(dāng)前廣泛使用的是接觸式IC卡，本文對其進(jìn)行了詳細(xì)介紹。目前,IC卡家族中檔次最高的智能IC卡,又稱CPU卡.顧名思義,這種卡片上不但有存儲數(shù)據(jù)的存儲器和對外聯(lián)絡(luò)的通訊接口,還帶有具備數(shù)據(jù)處理能力的微處理器,實(shí)際上是一臺卡上的單片微機(jī)系統(tǒng).為了管理這一系統(tǒng)中的硬件和軟件資源,卡上存儲有進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫和安全管理的程序,以及管理這些程序的卡上操作系統(tǒng),即COS(ChipOperatingsystem).COS與我們在PC機(jī)上常見的DOS和WINDOWS等操作系統(tǒng)有很大不同,它是根據(jù)IC卡特點(diǎn)而開發(fā)的專用操作系統(tǒng).COS受IC卡存儲容量和微處理器性能的限制,主要功能是:控制IC卡與外界的信息交換；管理IC卡上各種存儲器；在IC卡內(nèi)執(zhí)行讀寫器的各種操作命令.有了CPU與COS,IC卡就有了智能.因此智能IC卡具有超強(qiáng)的存儲性能,提供很高的信息安全性和可靠性.12系統(tǒng)的研究方向及功能概述。本文主要以89C2051單片機(jī)為核心，IC卡讀/寫設(shè)備就是能將數(shù)據(jù)信息“寫入”IC卡或?qū)C卡內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息“讀出”或“擦除”的電子接口設(shè)備，總體來說，可將其分為通用型讀/寫設(shè)備和專用型讀/寫設(shè)備。本設(shè)計(jì)主要分析接觸型IC卡讀/寫器，作為PC機(jī)的嵌入式外設(shè)，通過串型接口實(shí)現(xiàn)交換。功能：能識別和讀/寫存儲卡；為連機(jī)型讀/寫器，做為依附于PC機(jī)的一種外設(shè)，通過RS-232C與PC機(jī)進(jìn)行通信；能自動連續(xù)讀/寫，具有上電冷復(fù)位，插卡熱復(fù)位功能；卡上數(shù)據(jù)讀/寫采用雙認(rèn)證方式，確保讀/寫數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性；具有一定的抗攻擊能力，即對于非法插拔，非法IC卡等具有一定的抵抗能力，可避免短路等造成的讀/寫損壞；具有聲光提示讀/寫狀態(tài)；采用動態(tài)加密算法，避免IC卡被非法復(fù)制，并保證IC卡數(shù)據(jù)的安全性。2.正文21硬件設(shè)計(jì)思路：IC卡的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。在IC卡的觸點(diǎn)和讀/寫設(shè)備的觸點(diǎn)良好接觸之前，讀/寫設(shè)備不應(yīng)對IC卡施加有關(guān)信號，以免造成不可預(yù)料的損壞。IC卡讀/寫設(shè)備作為系統(tǒng)和用戶交換的接口，必將面對各種各樣復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。因此，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)注意IC卡讀/寫設(shè)備環(huán)境。作為操作系統(tǒng),管理IC卡的硬件資源和數(shù)據(jù)資源是其基本任務(wù).IC卡上的硬件資源包括CPU,ROM,EEPROM和RAM及通訊接口,這些都由IC卡上操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理,使外部不能直接控制這些資源,使IC卡對外表現(xiàn)為一個(gè)黑匣子,從而加強(qiáng)了系統(tǒng)的保密性能.智能卡通訊管理主要功能是執(zhí)行智能IC卡的信息傳送協(xié)議,接收讀寫器發(fā)出的指令,并對指令傳遞是否正確進(jìn)行判斷.一般可采用奇偶檢,CRC校驗(yàn)等方式判斷傳輸錯(cuò)誤.對于采用分組傳輸協(xié)議的系統(tǒng),還可以通過分組長度變化來檢出錯(cuò)誤。智能卡操作系統(tǒng)最重要的功能之一就是數(shù)據(jù)安全管理.這可以具體地分為用戶與IC卡的鑒別,核實(shí)功能以及對傳輸數(shù)據(jù)的加密與解密操作.智能IC卡COS的應(yīng)用管理功能是對讀寫器發(fā)來的命令進(jìn)行判斷,譯碼和處理.智能卡的各種應(yīng)用以專有文件形式存在卡上,各專有文件則是由IC卡的指令系統(tǒng)中指令排列所組成的.鑒別是指對IC卡本身的合法性進(jìn)行驗(yàn)證,判定一張IC卡是不是偽造的.如在前兩講中談到的多采用多種卡上設(shè)置的讀,寫,擦除密碼作為防偽的基本手段.而COS由于可以通過內(nèi)部軟件運(yùn)行來完成密碼轉(zhuǎn)換,因此智能IC卡上實(shí)際寫入的密碼無法被讀寫器直接讀取,安全性能更強(qiáng).IC卡由于其高存儲量和高保密性,應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,除覆蓋了傳統(tǒng)磁卡的全部功能外,還拓展到許多磁卡不能勝任的領(lǐng)域22硬件論證方案：IC卡是一種集成電路卡，它的讀/寫設(shè)備是每個(gè)IC卡應(yīng)用系統(tǒng)必不可缺的周邊設(shè)備。該設(shè)備通過IC卡的8個(gè)觸點(diǎn)向IC卡提供電源并與IC卡相互交換信息。雖然IC卡是從磁卡發(fā)展而來的。本IC卡讀/寫器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有：IC卡的插拔檢測，IC卡的電源控制，IC卡與CPU的接口以及必要的人機(jī)界面。軟件系統(tǒng)主要由IC卡數(shù)據(jù)讀/寫模塊，串行通信模塊等組成。SLE4442是德國SIMENS公司設(shè)計(jì)的邏輯加密存儲卡。它具有2K位的存儲容量和完全獨(dú)立的可編程代碼存儲器。內(nèi)部電壓提升電路保證了芯片能夠以單一+5V電壓供電，較大的存儲容量能夠滿足通常應(yīng)用領(lǐng)域的各種需要，因此是目前國內(nèi)應(yīng)用較多的一種IC卡芯片。芯片采用；多存儲器結(jié)構(gòu)，2線連接協(xié)議（串行接口滿足ISO7816同步傳輸協(xié)議），NMOS工藝技術(shù)，每字節(jié)的擦除/寫入編程時(shí)間位。2。5MS。存儲器具有至少10000次的擦寫周期，數(shù)據(jù)保持時(shí)間至少10以上。根據(jù)IC卡應(yīng)用系統(tǒng)的這種典型結(jié)構(gòu),開發(fā)者的主要工作包括:(1)設(shè)計(jì)和構(gòu)造應(yīng)用系統(tǒng)中心數(shù)據(jù)庫,對應(yīng)用IC卡管理的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲和管理.由于數(shù)據(jù)庫一般建立在小型機(jī)或微機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上,一般在相應(yīng)環(huán)境中開發(fā)設(shè)計(jì).(2)對IC卡上數(shù)據(jù)的存儲格式,讀寫方式,加密和安全保護(hù)方式進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì).這些可借助IC卡讀寫器和微機(jī)的開發(fā)系統(tǒng)來完成.(3)構(gòu)造IC卡應(yīng)用環(huán)境,建立網(wǎng)絡(luò)和讀寫工作站.作為IC卡系統(tǒng)中的發(fā)卡站和結(jié)算站,可以采用帶聯(lián)機(jī)讀寫器的小型機(jī)或微機(jī).系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境可以是WINDOWS下的VB,FOXPOR,ACCESS等軟件,一般利用讀寫器廠家提供的接口函數(shù)與數(shù)據(jù)庫軟件接口.用戶刷卡使用的工作站可以采用PC機(jī)加聯(lián)機(jī)讀寫器組成,需進(jìn)行用戶界面設(shè)計(jì),能夠提供較友好的用戶界面.也可以使用便攜式的脫機(jī)工作站,一般由單片機(jī)系統(tǒng)組成,帶有液晶顯示器和小型鍵盤.這種讀寫器的用戶接口軟件,也需在專用的單片機(jī)系統(tǒng)中開發(fā).因此,一個(gè)IC卡應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作除了包括各站點(diǎn)的硬件配置,系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和管理軟件編程,各工作站用戶接口軟件的編程,以及IC卡上數(shù)據(jù)規(guī)劃與初始分區(qū)和數(shù)據(jù)寫。2.3硬件各模塊的設(shè)計(jì)：2.3.189C2051單片機(jī)的簡介：本讀寫器以ATMEL89C2051為內(nèi)核。此型號的單片機(jī)是一種低消耗，高性能的8位CMOS微處理芯片。片內(nèi)帶有2KB的閃爍可編程及可擦除只讀存儲器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51指令集相兼容，DIP20封裝。片上的PEROM準(zhǔn)許在線對程序存儲器重新編碼，也可用常規(guī)的非易揮發(fā)存儲芯片編程。它的特點(diǎn)可歸納為：1.與MCS-51產(chǎn)品兼容；2.2KB的在線可重復(fù)編程閃爍存儲器；:壽命：1000次寫/擦除周期，數(shù)據(jù)保存期10年；3.寬工作電壓:范圍Vcc=2.76V；4.全靜態(tài)工作方式：024MHZ；5.3級程序存儲器鎖定；6.256*8位內(nèi)部RAM；7.32條可編程I/O口線；8.3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；9.5個(gè)中斷源；10.可編程串行中斷；11.低功耗的閑置與掉電模式。復(fù)位狀態(tài)：MCS51單片機(jī)復(fù)位后,程序計(jì)數(shù)器PC和特殊功能寄存器復(fù)位的狀態(tài)如表所示。復(fù)位不影響片內(nèi)RAM存放的內(nèi)容,而ALE、PSEN在復(fù)位期間將輸出高電平。由表可以看出:(1)（PC）=0000H表示復(fù)位后程序的入口地址為0000H；(2)（PSW）=00H,其中RS1(PSW.4)=0,RS0(PSW.3)=0,表示復(fù)位后單片機(jī)選擇工作寄存器0組；(3)（SP）=07H表示復(fù)位后堆棧在片內(nèi)RAM的08H單元處建立；(4)P0口P3口鎖存器為全1狀態(tài),說明復(fù)位后這些并行接口可以直接作輸入口,無須向端口寫1；(5)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口、中斷系統(tǒng)等特殊功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)對各功能部件工作狀態(tài)的影響。上電復(fù)位：AT89C2051結(jié)構(gòu)：AT89C2051是一個(gè)有20個(gè)引腳的芯片，引腳配置如圖.與8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比后可發(fā)現(xiàn)，AT89C2051減少了兩個(gè)對外端口(即P0、P2口)，使它最大可能地減少了對外引腳，因而芯片尺寸有所減小。AT89C2051芯片的20個(gè)引腳功能為:1.VCC電源電壓；2.GND接地；3:RST復(fù)位輸入。當(dāng)RST變?yōu)楦唠娖讲⒈３?個(gè)機(jī)器周期時(shí)，所有I/O引腳復(fù)位至“1”。引腳結(jié)構(gòu)：XTAL1反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2來自反向振蕩放大器的輸出。P1口8位雙向I/O口。引腳P1.2P1.7提供內(nèi)部上拉，當(dāng)作為輸入并被外部下拉為低電平時(shí)，它們將輸出電流(IIL),這是因內(nèi)部上拉的緣故。P3口引腳P3.0P3.5與P3.7為7個(gè)帶內(nèi)部上拉的雙向I/O引腳。P3.6在內(nèi)部已與片內(nèi)比較器輸出相連，不能作為通用I/O引腳訪問。單片機(jī)內(nèi)部，外部振蕩電路：單片機(jī)存儲器分類及配置：MCS51單片機(jī)存儲器的分類從物理結(jié)構(gòu)上可分為:片內(nèi)、片外程序存儲器（8031和8032沒有片內(nèi)程序存儲器）與片內(nèi)、片外數(shù)據(jù)存儲器4個(gè)部分；從尋址空間分布可分為:程序存儲器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器3大部分；從功能上可分為:程序存儲器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器、特殊功能寄存器、位地址空間和外部數(shù)據(jù)存儲器5大部分。特殊功能寄存器(SFR)：AT89C2051中特殊功能寄存器描述，它們共占用了19字節(jié)，其功能與8051SFR功能相對應(yīng)。程序存儲器的加密：AT89C2051片內(nèi)有2個(gè)鎖定位，可以編程(P)，也可以不編程(U)，從而得到3種鎖定位保護(hù)模式。（a）程序存儲器；（b）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器；（c）外部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)：低功耗工作方式：AT89C2051有兩種低功耗工作方式：空閑方式與掉電方式。1)空閑方式(休眠方式)：當(dāng)利用軟件使空閑方式位IDL(PCON.0)=1時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入空閑方式。此時(shí)，CPU處于休眠狀態(tài)，而片內(nèi)所有其他外圍設(shè)備保持工作狀態(tài)，片內(nèi)RAM和所有特殊功能寄存器內(nèi)容保持不變。在空閑方式下，當(dāng)晶振fosc=12MHz、電源電壓VCC=6V時(shí)，電源電流ICC從20mA降至5mA，而VCC=3V時(shí)，ICC由5.5mA降至1mA。中斷或硬件復(fù)位可以終止空閑方式。當(dāng)空閑方式由硬件復(fù)位終止時(shí)，CPU要從休眠處恢復(fù)程序的執(zhí)行，執(zhí)行2個(gè)機(jī)器周期后，內(nèi)部復(fù)位算法才起作用。此時(shí)，硬件禁止訪問內(nèi)部RAM，但允許訪問端口引腳。為了防止休眠被復(fù)位終止時(shí)對端口引腳意外寫入的可能性，在生成空閑方式的指令后不應(yīng)緊跟對端口引腳的寫指令。如果不采用外部上拉，P1.0和P1.1應(yīng)置“0”；如果采用外部上拉，則應(yīng)置“1”。2)掉電方式：掉電方式由掉電方式位PD(PCON.1)=1設(shè)置。此時(shí)，振蕩器停止工作，設(shè)置掉電方式的指令成為最后執(zhí)行的1條指令，片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器內(nèi)容保持不變。在掉電方式下，VCCmin=2V。當(dāng)VCC=6V時(shí)，ICCmax=100A；當(dāng)VCC=3V時(shí)，ICCmax=20A。退出掉電方式的唯一方法是硬件復(fù)位。硬件復(fù)位將重新定義特殊功能寄存器，但不影響片內(nèi)RAM。復(fù)位的保持時(shí)間應(yīng)足夠長，以便振蕩器能重新開始工作并