463.IC卡讀寫電路的設(shè)計及編程

1、ic卡讀寫電路的設(shè)計及編程摘 要接觸式ic卡具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點，因此在我們的生活中還有著非常廣泛的應用。本系統(tǒng)就以德國simens(西門子)公司設(shè)計的邏輯加密存儲卡sle4442作為主要研究對象，然后圍繞其應用中的周邊電路及設(shè)備進行討論。從硬件和軟件兩個方面來對系統(tǒng)分別進行設(shè)計，最后再對系統(tǒng)的軟硬件進行優(yōu)化，以實現(xiàn)軟硬件的完美結(jié)合。完成其功能要求。首先，本文對ic卡的由來、發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展方向進行了簡要的介紹。其次，本文敘述了單片機系統(tǒng)的基本組成以及其工作原理，并介紹了由單片機構(gòu)成的系統(tǒng)的優(yōu)點。再次，討論了接觸式ic卡讀寫電路實現(xiàn)的基本方法，分析了它的工作原理，并且給出了

2、其實現(xiàn)的具體電路以及ic卡讀寫電路的軟件設(shè)計方法。最后，在附錄中，本文還將給出一些必要的系統(tǒng)設(shè)計資料，供參考之用。關(guān)鍵詞：ic卡，單片機，射頻卡，讀寫器the ic card reads and writes design and programming of the circuit abstractthe contact-type ic card has advantage of simple structure, and the cost is cheap, so there is very extensive application in our life. this system en

3、crypts the storage card sle4442 as the main research object with the logic that germany simens company designs, then organize discussion around peripheral circuit and apparatus in its application. design the system respectively from hardware and software two respects, optimize the software and hardw

4、are of the system afterwards, in order to realize the perfect combination of the software and hardware. finish its functions requiring. first of all, this text has introduced the brief one to the origin, developing history, current situation and future developing direction of the ic card. secondly,

5、this text has narrated basic composition of the one-chip computer system and its operation principle, have introduced the advantage of the system become by the single organization. moreover, it is discussed that the contact-type ic card reads and writes the basic tool that the circuit realizes, has

6、analyzed its operation principle, and concrete circuit and ic card providing its realization read and write the software design method of the circuit. finally, in the appendix, this text will also provide some essential systems and design the materials, for reference.key words: ic card, one-chip com

7、puter, the radio frequency ic card, reading and writing device目 錄1 緒論11.1 課題背景介紹11.2 課題研究狀況11.3 課題研究方法22 設(shè)計方案論證32.1 設(shè)計方案論述32.1.1 由微機實現(xiàn)的ic卡讀寫電路32.1.2 由單片機實現(xiàn)的ic卡讀寫電路42.2 元器件介紹52.2.1 at89s51介紹52.2.2 sle4442介紹62.3 設(shè)計方案確定93 系統(tǒng)硬件設(shè)計103.1 ic卡讀寫電路介紹103.1.1 ic卡讀寫電路的分類103.1.2 ic卡讀寫電路的組成123.2 ic卡讀寫電路設(shè)計143.2.1 i

8、c卡接口及供電電路設(shè)計143.2.2 單片機處理與控制單元設(shè)計163.2.3 鍵盤顯示電路設(shè)計174 系統(tǒng)軟件設(shè)計194.1 ic卡接口電路程序設(shè)計194.1.1 ic卡的插入識別程序設(shè)計194.1.2 ic卡上下電控制程序設(shè)計204.2 ic卡的讀寫控制程序設(shè)計224.2.1 ic卡的數(shù)據(jù)讀出程序設(shè)計224.2.2 ic卡的數(shù)據(jù)寫入程序設(shè)計254.3 外圍輔助電路程序設(shè)計264.3.1 鍵盤電路程序設(shè)計264.3.2 顯示電路程序設(shè)計27結(jié)論29致謝30參考文獻31附錄 ic卡讀寫電路硬件電路圖321 緒論1.1 課題背景介紹在當今社會，各種各樣的ic卡已經(jīng)成為了人們生活中不可缺少的一部分，

9、從早期的ic電話卡到現(xiàn)在已經(jīng)應用非常廣泛的手機ic(sim)卡，而這些ic卡的廣泛應用，離不開各種各樣的ic卡讀寫設(shè)備的支持，ic卡讀寫電路的作用就是完成ic卡與應用設(shè)備之間的信息的交換。作為一名工科大學生，利用自己所學的專業(yè)知識設(shè)計一個ic卡的讀寫電路必將大大提高我們的專業(yè)技能。這次畢業(yè)設(shè)計，我們就是圍繞這一問題而展開的1。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，非接觸式的ic卡也取得了非常廣闊的應用，而且有一步步取代傳統(tǒng)的接觸式ic卡的趨勢，相比接觸式的ic卡，非接觸式ic卡主要就是取消了ic卡與讀寫設(shè)備的觸點，取而代之的是一種無線的接口，這樣就減少了讀寫設(shè)備對ic卡的磨損，有效的延長了ic卡及讀寫設(shè)備的使用

10、壽命，并給使用者帶來更大的便利，當然其成本也隨之增加。因此，非接觸式ic卡適用于需要非常頻繁的讀寫ic卡中內(nèi)容的地方，而接觸式的ic卡主要適用于對使用的便利性及使用的頻度要求不是很高的地方，這樣就可以大大降低設(shè)備的成本，帶來更大的經(jīng)濟效益。像各種智能電表計費系統(tǒng)，煤氣計費系統(tǒng)等很多都采用了接觸式ic卡，另外在其它的一些電子產(chǎn)品中也包含有ic卡的讀寫電路，比如現(xiàn)在應用非常普遍的手機中就包含有ic卡的讀寫電路，手機sim卡其實就是一張ic卡。本次畢業(yè)設(shè)計我們就選擇了傳統(tǒng)的接觸式ic卡作為我們研究的主要對象，同時對ic卡的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀作了一些探討。1.2 課題研究狀況ic是integrated c

11、ircuit的英文縮寫，ic卡的中文意思就是集成電路卡，ic卡是一種內(nèi)藏大規(guī)模集成電路的塑料卡片，其大小和原來的磁卡電話的磁卡大小相同。ic卡通?？煞譃榇鎯?、加密卡和智能卡三類，存儲卡是可以直接對其進行讀、寫操作的存儲器，加密卡是在存儲卡的基礎(chǔ)上增加了讀、寫加密功能，對加密卡進行操作時，必須首先核對卡中的密碼，密碼正確才能進行正常操作，智能卡中帶有微處理器(cpu)，同時也稱作cpu卡。ic卡的概念是70年代初提出來的，法國布爾(bull)公司于l976年首先創(chuàng)造出ic卡產(chǎn)品，并將這項技術(shù)應用到金融、交通、醫(yī)療、身份證明等多個行業(yè)，它將微電子技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合在一起，提高了人們生活和工作的

12、現(xiàn)代化程度。ic卡芯片具有寫入數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)的能力，ic卡存儲器中的內(nèi)容根據(jù)需要可以有條件地供外部讀取，完成供內(nèi)部信息處理和判定之用。ic卡一出現(xiàn)，就以其超小的體積、先進的集成電路芯片技術(shù)以及特殊的保密措施和無法破譯及仿造的特點受到普遍歡迎2。隨著技術(shù)的發(fā)展，ic卡已經(jīng)由傳統(tǒng)的接觸式ic卡發(fā)展到了非接觸式ic卡，而且，其應用也越來越多，在不久的將來，非接觸式ic卡必將取代接觸式ic卡，成為ic卡的主流。1.3 課題研究方法ic卡的讀寫設(shè)備主要包括兩個部分，一是硬件電路，二是軟件程序。因此我們要從硬件和軟件兩個方面來進行討論。硬件電路一般由單片機系統(tǒng)和一些外圍器件組成，主要為設(shè)備的正常運行提供硬

13、件支持；而軟件主要起到控制和監(jiān)視的作用，控制硬件電路什么時間做那些工作，并監(jiān)測硬件電路狀態(tài)的改變，以根據(jù)不同的狀態(tài)來完成不同的操作。只有軟件和硬件的完美結(jié)合才能組成完美的應用系統(tǒng)。2 設(shè)計方案論證2.1 設(shè)計方案論述ic卡讀寫電路的實現(xiàn)方法一般有兩種：一種是由單片機來實現(xiàn)，另外一種是由通用的微機來實現(xiàn)。兩種方案各有各的特點，這就需要根據(jù)不同的應用場合和不同的系統(tǒng)要求來合理選擇。其中由單片機構(gòu)成的ic卡讀寫電路，根據(jù)所使用的單片機的種類的不同，其實現(xiàn)方法也不盡相同，實現(xiàn)的功能也有所區(qū)別，當然功能強大的成本就會高一些。這就牽涉到一個單片機的選型的問題，這也需要我們進行系統(tǒng)功能的分析，從而選擇一個最

14、佳的方案來實現(xiàn)我們的設(shè)計要求。2.1.1 由微機實現(xiàn)的ic卡讀寫電路該方案利用通用微機直接對ic卡電路進行讀寫操作，這種方法比用單片機控制ic卡讀寫的方法簡單，且便于進行數(shù)據(jù)管理，但需要一臺通用微機來完成與ic卡的通信，在一些場合就顯得大材小用。并行口的工作方式有單向數(shù)據(jù)傳輸和雙向數(shù)據(jù)傳輸方式。而ic卡的sda引腳是雙向數(shù)據(jù)輸入/輸出口。當有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能的并行口與ic卡連接時，可直接連接，當并行口只有單向數(shù)據(jù)傳輸功能時，ic卡的串行數(shù)據(jù)輸入由并行口數(shù)據(jù)腳輸出，而ic卡的數(shù)據(jù)輸出只能經(jīng)并行口的狀態(tài)腳讀取。ic卡輸入輸出腳的兩種狀態(tài)可通過電子開關(guān)進行切換。本方案采用4066作為電子開關(guān)，連接方

15、式如圖2.1所示。圖2.1 微機并行口與ic卡的連接在圖2.1所示的連接方式中，+5v電源由并行口的數(shù)據(jù)腳6、7、8、9提供(輸出高電平)；開關(guān)k為ic卡卡座上的機械式開關(guān)，當ic卡插到位時，開關(guān)閉合，當取出ic卡時開關(guān)斷開。ic卡的輸入數(shù)據(jù)由并行口的第2腳經(jīng)4066的1-2腳開關(guān)輸入，而輸出數(shù)據(jù)經(jīng)4066的4-3腳開關(guān)輸出到并行口的狀態(tài)引腳第10腳。輸入和輸出數(shù)據(jù)的切換由并行口的第4腳和第5腳控制，并行口的第4腳輸出為高、第5腳輸出為低時，4066的1-2導通，而3-4為高阻態(tài)。反之，并行口的第4腳輸出為低、第5腳輸出為高時，則4066的1-2為高阻態(tài)，而3-4導通。2.1.2 由單片機實現(xiàn)

16、的ic卡讀寫電路該方案利用單片機完成ic卡的讀寫操作，由單片機完成數(shù)據(jù)的處理、讀寫的控制等功能，這種方案具有成本低、重量輕、攜帶方便等優(yōu)點，但其功能簡單，不易實現(xiàn)復雜的功能。該方案主要由單片機最小系統(tǒng)、ic卡電路、電源電路及其它輔助電路組成，單片機與ic卡的接口通過兩根線連接，一根線向ic卡提供時鐘信號，另一根提供雙向的數(shù)據(jù)傳輸。其中ic卡的電源vcc應受控于單片機，即ic卡插入卡座后才給ic卡供電，取卡后則不供電。單片機與ic卡的簡易接口電路如圖2.2所示。圖2.2 單片機與ic卡電路的連接在圖2.2所示的ic卡讀寫電路中，單片機用于完成向ic卡的讀寫數(shù)據(jù)控制；ic卡座用于固定ic卡片，使其

17、能夠可靠的與觸點接觸，確保數(shù)據(jù)的正常傳輸。其中vcc引腳是ic卡的電源引腳，它應該是一個受控電源，其電源的通斷受單片機的控制，在卡片插入時接通電源，而在卡片拔出時斷開電源，這樣能夠避免帶電插拔而損壞ic卡芯片；sw1和sw2是ic卡插入的識別開關(guān)，用于識別ic卡的插入狀態(tài)，clk為時鐘信號輸入引腳，為ic卡芯片提供工作所必需的時鐘信號；i/o引腳為數(shù)據(jù)輸入輸出引腳，數(shù)據(jù)的輸入與輸出由ic卡的不同工作模式?jīng)Q定，工作模式的選擇由單片機來控制；rst引腳為復位信號輸入引腳，單片機發(fā)出復位信號后，控制ic卡芯片完成復位操作3。2.2 元器件介紹2.2.1 at89s51介紹at89s51是一個低功耗高

18、性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含4k byte isp(in-system programmable)的可反復擦寫1000次的flash只讀程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準msc51指令系統(tǒng)及80c51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲單元，功能強大的微型計算機的at89s51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。其引腳圖如圖2.3所示。圖2.3 at89s51引腳圖at89s51具有如下特點：40個引腳，4k bytes flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(ram)，32個外部雙

19、向輸入/輸出(i/o)口，5個中斷源，2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，1個全雙工串行通信口，看門狗(wdt)電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，at89s51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0hz，并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，cpu暫停工作，而ram、定時計數(shù)器、串行口、外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存ram的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有pdip、tqfp和plcc等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。主要功能特性：兼容mcs-51指令系統(tǒng)； 4k可反復擦寫(1000次)isp flash rom；32個雙向i/o口； 4.5-5.5v

20、工作電壓；2個16位可編程定時/計數(shù)器； 時鐘頻率0-33mhz；全雙工uart串行中斷口； 128x8bit內(nèi)部ram；2個外部中斷源； 低功耗空閑和省電模式；中斷喚醒省電模式； 3級加密位；看門狗(wdt)電路； 軟件設(shè)置空閑和省電功能；靈活的isp字節(jié)和分頁編程； 雙數(shù)據(jù)寄存器指針。2.2.2 sle4442介紹sle4442是德國西門子公司設(shè)計的邏輯加密存儲卡。它具有2k位的存儲容量和完全獨立的可編程代碼存儲器(psc)。內(nèi)部電壓提升電路保證了芯片能夠以單+5v電壓供電，較大的存儲容量能夠滿足通常應用領(lǐng)域的各種需要。因此是目前國內(nèi)應用較多的一種ic卡芯片。芯片采用多存儲器結(jié)構(gòu)，2線連接

21、協(xié)議(串行接口滿足iso7816 同步傳送協(xié)議)，nmos工藝技術(shù)，每字節(jié)的擦除/寫入編程時間為2.5ms。存儲器具有至少10000 次的擦寫周期，數(shù)據(jù)保持時間至少10年。鑒于ic卡芯片sle4442的優(yōu)良性能，下面我們將對其進行詳細的介紹。1、sle4442的工作模式：(1)復位和復位響應復位和復位響應是根據(jù)iso7816-3標準來進行的。在操作期間的任意時候都可以復位。開始，地址計數(shù)器隨一個時鐘脈沖而被設(shè)置為零。當rst線從高狀態(tài)(h)置到低狀態(tài)(l)時，第一個數(shù)據(jù)位(lsb)的內(nèi)容被送到i/o上，若連續(xù)輸入32個時鐘脈沖，主存儲器中的前四個字節(jié)地址單元中的內(nèi)容被讀出。在第33個始終脈沖的

22、下降沿，i/o線被置成高狀態(tài)而關(guān)閉。其時序圖如圖2.4所示。圖2.4 復位時序圖(2)命令模式復位響應以后，芯片等待著命令。每條命令都以一個“啟動狀態(tài)”開始。整個命令包括3個字節(jié)。隨后緊跟著一個附加脈沖并用一個“停止狀態(tài)”來結(jié)束操作。啟動狀態(tài)：在clk為高(狀態(tài)h)狀態(tài)期間，i/o線的下降沿為啟動狀態(tài)。停止狀態(tài)：在clk 為高狀態(tài)期間，i/o線的上升沿為停止狀態(tài)。在接收一個命令之后，有兩種可能的模式：輸出數(shù)據(jù)模式(即讀數(shù)據(jù))和處理數(shù)據(jù)模式。命令模式時序圖如圖2.5所示。圖2.5 命令模式時序圖(3)輸出數(shù)據(jù)模式這種模式是將ic卡芯片中的數(shù)據(jù)傳送到外部設(shè)備接口(ifd)的一種操作。在第一個clk

23、脈沖的下降沿之后，i/o線上的第一位數(shù)據(jù)變?yōu)橛行АｋS后每增加一個時鐘脈沖，芯片內(nèi)部的一位數(shù)據(jù)被送到i/o線上。其順序是從每個字節(jié)的最低位(lsb)開始。當所需要的最后一個數(shù)據(jù)送出以后，需要再附加一個時鐘脈沖來把i/o置成高狀態(tài)，以便接收新的命令。在輸出數(shù)據(jù)期間，任何“啟動狀態(tài)”和“停止狀態(tài)”均被屏蔽掉。其輸出數(shù)據(jù)時序如圖2.6所示。圖2.6 輸出數(shù)據(jù)時序圖(4)處理數(shù)據(jù)模式這種模式是對ic芯片作內(nèi)部處理。芯片在第一個時鐘脈沖的下降沿，將i/o線從高狀態(tài)拉到低狀態(tài)并開始處理。此后芯片在內(nèi)部連續(xù)計時計數(shù)，直到第n個時鐘脈沖之后的附加一個時鐘脈沖的下降沿，i/o線再次置高，完成芯片的處理過程，在整個

24、處理過程中i/o線被鎖定成低狀態(tài)。其時序圖如圖2.7所示。圖2.7 處理數(shù)據(jù)模式時序圖2、芯片的復位方式(1)外部復位：sle4442 是基于同步復位響應的傳送協(xié)議。芯片的復位時序如前述。(2)加電復位：在把操作電壓連接到vcc端之后，芯片內(nèi)部進行復位操作。i/o 線被置為高狀態(tài)。必須在對任意地址進行讀操作或做一個復位響應操作之后才可以進行數(shù)據(jù)交換。(3)中止：在clk為低狀態(tài)期間，如果rst置為高狀態(tài)，則任何操作均無效。i/o線被鎖定到高狀態(tài)。需要一個最小維持時間t=5us之后，芯片才能接收新的有效復位，中止狀態(tài)之后，芯片又準備下一個操作。3、芯片的操作命令(1)命令格式每條命令包含三個字節(jié)

25、，其排列順序如表2.1所示。表2.1 sle4442命令格式msb 控制字 lsbmsb 地址字 lsbmsb 數(shù)據(jù)字 lsbb7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0(2)sle4442芯片具有七種命令，其格式和功能如表2.2所示。表2.2 sle4442芯片命令格式及功能表字節(jié)1(控制)b7b0字節(jié)2(地址)a7a0字節(jié)3(數(shù)據(jù))d7d0功能命令模式30h地址數(shù)無效讀主儲存器輸出數(shù)據(jù)模式38h地址數(shù)輸入數(shù)據(jù)修改主儲存器處理模式34h無效無效讀保護儲存器輸出數(shù)據(jù)模式3ch地址數(shù)輸入數(shù)據(jù)寫保護儲存器

26、處理模式31h無效無效讀加密儲存器輸出數(shù)據(jù)模式39h地址數(shù)輸入數(shù)據(jù)修改加密儲存器處理模式33h地址數(shù)輸入數(shù)據(jù)比較校驗數(shù)據(jù)處理模式2.3 設(shè)計方案確定綜合以上分析，在對兩種方案進行綜合比較后，鑒于單片機的特點及其優(yōu)良性能，并結(jié)合ic卡讀寫電路的特點和系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能。我們決定采用由單片機為核心構(gòu)成的ic卡讀寫電路設(shè)計方案。第二種方案采用mcs51系列單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，由于單片機是專門用于自動控制系統(tǒng)的微型計算機，在很多智能控制系統(tǒng)中，都采用了單片機作為控制處理器件。它的應用已非常成熟，其典型的應用就可以滿足我們的需求。特別是有些公司推出內(nèi)部集成有flash閃存的程序存儲器的單片機后，其程序的

27、燒寫已經(jīng)非常方便，這樣就給系統(tǒng)的調(diào)試和升級帶來了很大的方便。很顯然使用單片機為核心器件構(gòu)成的ic卡讀寫電路更有優(yōu)越性和靈活性，且系統(tǒng)很容易進行軟件升級，擴充系統(tǒng)功能。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)的硬件電路為系統(tǒng)的正常工作提供物理電路連接，是系統(tǒng)軟件運行的物理基礎(chǔ)，良好的硬件電路設(shè)計是一個系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定運行的保證。3.1 ic卡讀寫電路介紹ic卡讀寫電路是連接ic卡與應用系統(tǒng)間的橋梁，是ic卡應用中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。ic卡接口設(shè)備的種類很多，其讀寫電路也不盡相同，功能上由于不同的應用需要，差異亦很大，但就其對卡(以接觸式卡為例)的操作功能來說，都應具備以下幾個基本功能：1、ic卡的插入/退出的識別與

28、控制(接觸式卡)；ic卡進/出rf區(qū)的識別和控制(非接觸式卡)。2、向ic卡提供其所需的穩(wěn)定的電源與時鐘信號。3、實現(xiàn)與卡的數(shù)據(jù)交換，并提供相應的控制信號。4、對于加密數(shù)據(jù)系統(tǒng)，應提供相應的加密解密處理及密鑰管理機制5、提供相應的外部控制信息及與其它設(shè)備的信息交換。3.1.1 ic卡讀寫電路的分類ic卡讀寫電路可按照不同的功能、外形結(jié)構(gòu)以及應用范圍等分類，根據(jù)其適用的范圍可分為通用讀寫器和專用讀寫器兩大類。專用讀寫器是專門為某種用途設(shè)計，不具備再開發(fā)功能的專用獨立裝置。它本身已具備某種完整的固定用途，如ic卡門鎖、ic卡電話、ic卡公用事業(yè)預收費儀表、ic卡公共汽車收費機、ic卡出租車計價器等

29、，使用方式和功能在出廠前已由廠家設(shè)置，用戶僅可根據(jù)具體使用情況做小范圍設(shè)定4。通用讀寫器多數(shù)以從設(shè)備形式與pc等后端裝置構(gòu)成系統(tǒng)，其本身并不限于某種固定用途。功能主要針對ic卡的讀寫操作，并具備與后瑞通訊的豐富靈活硬/軟件接口，可借助pc等進行二次開發(fā)，且?？芍С侄喾N類型卡、為專用讀寫器所不及。通用讀寫器有聯(lián)機和脫機兩種類型。如圖3.1所示。專用讀寫器通用讀寫器聯(lián)機型脫機型外置式內(nèi)置式串行讀寫并行讀寫臺式掛式圖3.1 ic卡讀寫器的分類1、聯(lián)機型讀寫器的內(nèi)置和外置(1)內(nèi)置式讀寫器外形尺寸類似3.5英寸軟盤驅(qū)動器，可直接安裝于pc機箱前面板，由pc電源供電。其與pc間分并行和串行兩種信息交換方

30、式，前者將讀寫器主板插入pc主板擴展槽，僅將卡座置于pc前面板，以并行方式與pc通訊，數(shù)據(jù)傳輸率高，僅占用一個擴展槽；后者則將讀寫器的卡座與主板以同一封裝置于pc前面板，通過串口與pc相接。雖然其數(shù)據(jù)傳輸率相對低，但結(jié)構(gòu)簡單，僅占用一個pc串口，因此得以較多運用。(2)外置式讀寫器置于外部，通過串口與之相接，功能與內(nèi)置式相近，但常常自帶交/直流穩(wěn)壓電源，外形尺寸設(shè)計和位置擺放靈活，以適應不同場合需求。2、脫機型讀寫器是一種可獨立完成某些具體工作的讀寫裝置，它們常常擁有簡易鍵盤、led/lcd顯示屏甚至打印接口等人機界面。數(shù)據(jù)存儲空間可達64k2m字節(jié)，程序空間也較大。有些還帶有硬軟件漢字庫和實

31、時時鐘芯片，以輸出漢字和年、月、日、星期、時、分、秒時間信息。其包含臺式(掛式)和手持式兩種。(1)臺式(或掛式)讀寫器可置于工作臺或掛于墻壁上使用。內(nèi)置交/直流穩(wěn)壓電源，可單機獨立工作(借助大容量ic卡進行信息的上傳下達)，也可聯(lián)網(wǎng)使用(通過rs232/rs485接口實現(xiàn)局域網(wǎng)通訊或借助內(nèi)置modem，通過公共電話網(wǎng)等實現(xiàn)廣域網(wǎng)傳輸)?？捎糜谏虉?、賓館、娛樂場所收費或用于考勤、稅務申報等。(2)手持式讀寫器功能與臺式讀寫器相近，但體積小巧、便于攜帶，采用電池供電。鑒于使用環(huán)境條件常較惡劣，因此防水、防塵、防磁、耐高/低溫、抗摔抗撞性能均較強，且部分手持機設(shè)置有14個sam插座，以保證金融等部

32、門的特殊安全保密需要。在公安執(zhí)法、工商稅務等流動場合，甚至飯店酒樓的菜肴點選中，均得以應用。3.1.2 ic卡讀寫電路的組成 此處將以接觸式ic卡讀寫器為例介紹，其硬件結(jié)構(gòu)包括：卡座(ic卡適配插座)、輸入接口電路、存儲器、微處理器、外圍接口和密碼運算處理單元(可選)，如圖3.2所示。圖3.2 接觸式ic卡接口設(shè)備組成框圖ic卡座是讀寫器與卡的物理連接部件，是影響讀寫器壽命的主要因素。也是設(shè)計或選購讀寫器的重要指標、它包括與卡接觸的8個電觸點。檢測“插卡到位”的一對狀態(tài)開關(guān)，固定和彈出卡的機械裝置，與輸入接口電路相接的電氣終端和安裝基座，具有結(jié)構(gòu)、性能、外形、價格不同的多種形式。1、按觸點接觸

33、方式分類(1)滑觸式(sliding)，也稱滑動式，該方式的8個簧片觸點處于固定位置，當ic卡由卡座插入，抵達正常位置時，簧片觸點與卡觸點接觸，卡座的狀態(tài)開關(guān)動作，輸出“插卡到位”信號，卡被簧片觸點彈力所固定。退卡時，用力將卡向外拔即可。顯然，卡的插拔過程中，簧片觸點與卡觸點均承受較大滑動摩擦，因而影響壽命，最大插拔次數(shù)僅5l0萬次，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、價格低。(2)著落式(landing)，也稱下落式、下壓式。特點是：在卡插入的起始階段，卡與簧片觸點不接觸，僅當插到一定位置時，觸點才與卡同步運動逐漸下壓。到終點時，卡觸點與簧片觸點完全接觸(除此“簧片觸點下壓方式”外，還有“卡下壓”方式，原理類同

34、)。由于在卡的插入過程中卡與簧片觸點無相對位移，則磨損小、壽命長，插拔次數(shù)可達30100萬次，但價格也較高。2、按卡的插入/退出形式分類(1)推入拉出式，插卡時用力將卡推入，卡座尾部彈性部件固定卡于工作位置。退卡時用力外拔即可。(2)推入推出式，插卡時用力將卡推入，卡座尾部鎖緊機構(gòu)鎖定卡于固定位置，退出時，用力推入即可將卡彈出。(3)推入自動彈出式，插卡時用力將卡推入，鎖緊機構(gòu)鎖定卡于工作位置。操作完畢后，系統(tǒng)自動向電磁閥發(fā)送一個脈沖，在電磁閥作用下鎖定機構(gòu)釋放，卡在彈黃作用下彈出，該方式一般用于金融、公用電話等較高級場合。(4)推入提/壓式，插卡時用力將卡推入，鎖緊機構(gòu)鎖定卡于工作位置。退卡

35、時輕提或輕壓鎖緊裝置杠桿，卡在彈簧作用下彈出。(5)只推式，插卡時用力將卡推入，并保持一段時間(手不松開)，操作完畢后松手，卡在彈簧作用下彈出。適用于操作時間短、插卡頻繁，且速度要求快的地鐵、電影院等場合。(6)電動出入卡式，插卡時將卡輕輕插入插口，在內(nèi)部電動機構(gòu)驅(qū)動下，卡自動進入軌道。操作完成后，卡自動送出。其走卡平穩(wěn)可靠，但結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴。為防止人為不正當操作，有些卡座設(shè)置了防拔裝置，在操作未完成之前，將卡鎖住，阻止拔卡。此外，還有各種專用卡座，如用于ic卡電表的鑰匙型、大哥大等袖珍設(shè)備的微型、超薄型和針對惡劣環(huán)境的防水、防塵、機械加固型等，其中部分卡座的觸點分布已不符合iso7816

36、標準，如電表鑰匙型5。在選用ic卡適配插座時，以下幾個重要的指標是不容忽視的：卡從接觸好到識別有效的位置差；觸點的電氣性能及與卡接觸的可靠性；ic卡座的插拔壽命；對卡觸點及其它部分的磨損程度；價格因素；對應用現(xiàn)場的適應性。3.2 ic卡讀寫電路設(shè)計ic卡讀寫電路包括ic卡接口及供電電路、單片機處理控制單元以及簡易鍵盤顯示電路等幾部分組成，其組成框圖如圖3.3所示。圖3.3 ic卡讀寫電路組成框圖3.2.1 ic卡接口及供電電路設(shè)計ic卡的接口電路是連接ic卡與讀寫機具的通路，由它實現(xiàn)對ic卡的供電，并滿足不帶電插拔的要求。一般來說，邏輯電路的1和0只是反映電壓大小的關(guān)系，都處于帶電狀態(tài)。若帶電

37、插拔ic卡，有可能會給ic卡帶來損傷，甚至損壞ic卡。因此在插拔前應先斷開向ic卡供電的電源，并切斷其邏輯連接，實現(xiàn)對ic卡的保護。ic卡的邏輯接口電路一般采用集電極開路(oc)輸出及非箝位保護式輸入結(jié)構(gòu)。如圖3.4所示。上拉電阻r源端與ic卡的供電電源相連接。當ic卡處于供電狀態(tài)時，整個接口電路接通，接口設(shè)備與ic卡間構(gòu)成邏輯通路；而當ic卡處于下電狀態(tài)時(vccoff)，上拉電阻r的源端失去了供電，整個與卡接口的電路均處于不帶電狀態(tài)。這種電路的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，可以與cmos、ttl接口相兼容，上升沿阻尼較大。不易產(chǎn)生邊沿振蕩，它的缺點是當接口端的分布電容較大時、上升沿過緩。在作為cpu

38、卡的時鐘驅(qū)動時(通常為3.57mhz)，就有可能產(chǎn)生丟失脈沖等現(xiàn)象。解決這一問題的辦法有兩種：第一種是通過減小時鐘驅(qū)動端的上拉電阻，減小上升時間來解決；另一種是采用互補驅(qū)動方式來進行時鐘驅(qū)動，這種方式結(jié)構(gòu)上略復雜些，但可以實現(xiàn)更高的時鐘頻率，如圖3.5所示。電路中r是一個去耦電阻，可有效地抑制上升及下降沿的抖動現(xiàn)象。所有的ic卡的接口部分都加入了箝位保護二極管，這些箝位二極管可以使各引腳上的電壓嚴格地限定在-vdvcc+vd之間，(vd是箝位二極管的正向壓降，通常為0.6v左右)。這樣，可以抑制由于線路干擾和邏輯電平變化的邊沿產(chǎn)生抖動所帶來的瞬態(tài)過壓，為ic卡提供了進一步的保護措施。ic卡接口

39、設(shè)備中的ic卡供電電路也應是一個相對獨立于其他回路，并提供完善的過流保護措施的穩(wěn)壓電路，這是由于ic卡接口設(shè)備是一個獨立于ic卡的設(shè)備，當有卡插入時，接口設(shè)備便開始向ic卡提供其所需的電力。 圖3.4 ic卡的數(shù)據(jù)接口電路 圖3.5 高頻時鐘的驅(qū)動電路如果插入的是一張電源與地擊穿的壞卡?；蚴且粋€金屬片之類的物質(zhì)，就會造成供電回路的短路現(xiàn)象，若ic卡接口設(shè)備中無過流保護措施，就會造成設(shè)備的損壞。即便有保護措施、若與ic卡接口設(shè)備的其他部分共同使用一個保護回路，就會干擾整個設(shè)備的正常工作。圖3.6所示的是一個兩部分獨立供電的供電電路。圖3.6 ic卡接口設(shè)備的供電回路該電路利用了帶輸出短路保護特性

40、的78系列三端穩(wěn)壓集成電路。78l05的最大輸出電流可達100ma，短路保護電流起點在150ma200ma左右，符合iso/iec 78163所規(guī)定的范圍。當插入的卡是一個電源對地的短路負載時，u1會因輸出過載而形成短路保護，由于接口設(shè)備的供電是在u2提供的穩(wěn)壓回路上，因而不會干擾接口設(shè)備的工作，這一短路保護信息會在“短路報警指示”信號線上形成一個低電平輸出，接口設(shè)備的微處理器通過感知這一信號而切斷對ic卡接口的供電，直到該卡退出為止。u1的輸出也會隨之而轉(zhuǎn)入正常的電壓輸出范圍，以便為后續(xù)插入的ic卡提供正常的供電服務。當前市場上的ic卡，基本上都已采用cmos工藝，功耗最大的也不過十幾毫安，

41、在實際ic卡接口設(shè)備中，從ic卡接口設(shè)備的總體的最大功耗這一角度考慮，將向ic卡供電的過流保護點設(shè)置在50ma70ma是比較適宜的6。3.2.2 單片機處理與控制單元設(shè)計單片機處理與控制單元主要完成ic卡讀寫電路的控制邏輯與一些相關(guān)信息的處理，而這些功能的實現(xiàn)更多的是靠軟件的設(shè)計來完成的，其硬件電路相對簡單，一般情況下，單片機的最小系統(tǒng)就能完成其功能，其硬件電路如圖3.7所示。圖3.7 單片機最小系統(tǒng)對于單片機來說，時鐘信號為其正常有序的工作提供時序，單片機的所有操作都是在時鐘信號下有序進行的，因此，對于單片機系統(tǒng)來說，時鐘電路是必需的。mcs-51單片機內(nèi)部由一個反相放大器構(gòu)成振蕩器，可以由

42、它產(chǎn)生時鐘。時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，即內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式：在xtal1和xtal2端外接石英晶體作定時元件，內(nèi)部反相放大器自激振蕩，產(chǎn)生時鐘。時鐘放大器對振蕩脈沖二分頻，即若石英頻率fosc=6mhz，則時鐘頻率=3mhz。因此，時鐘是一個雙相信號，由p1相和p2相構(gòu)成。fosc可在1.212mhz之間選擇，小電容可以取30pf左右。外部方式：可以通過xtal1和xtal2接入外部時鐘。對單片機系統(tǒng)來說，另外一個重要的電路就是復位電路，它在剛加電時和系統(tǒng)軟件出現(xiàn)故障時，使單片機復位，進入到正常的工作狀態(tài)。對于51單片機來說，rst引腳是復位信號的輸入端。復位信號是高電平有效。高電平的

43、持續(xù)時間應為24個振蕩周期以上。若時鐘頻率為6mhz，則復位信號至少應持續(xù)4us以上，才可以使單片機復位。只要該引腳保持高電平，單片機便循環(huán)復位。當rst端由高變低后，51 單片機由rom的0000h開始執(zhí)行程序。單片機的復位方式有上電自動復位和手動復位兩種。只要vcc上升時間不超過1ms，通過在vcc和rst引腳之間加一個10uf的電容，就可以實現(xiàn)自動上電復位，即打開電源就可以自動復位。3.2.3 鍵盤顯示電路設(shè)計在本次畢業(yè)設(shè)計的ic卡讀寫電路中，只需要兩個按鍵即可，一個用于控制對ic卡芯片的讀，一個用于控制對ic卡芯片數(shù)據(jù)的寫入，考慮到以后對系統(tǒng)升級的需要，我們采用了22矩陣式鍵盤，其于單

44、片機的連接圖如圖3.8所示。圖3.8 22鍵盤連接圖8段數(shù)碼管屬于led發(fā)光器件的一種。led發(fā)光器件一般常用的有兩類：數(shù)碼管和點陣。8段數(shù)碼管又稱為8字型數(shù)碼管，分為8段：a、b、c、d、e、f、g、p。其中p為小數(shù)點。數(shù)碼管常用的有10根引腳，每一段有一根引腳，另外兩根引腳為一個數(shù)碼管的公共端，兩根之間相互連通。數(shù)碼管從電路上可以分為共陰和共陽兩種。用單片機驅(qū)動led數(shù)碼管有很多方法，按顯示方法可分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，單片機將要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制led，直到下一次顯示時再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的cpu時間少。靜態(tài)顯

45、示中，每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的i/o端口，該端口用于輸出字型代碼。這樣單片機只要把要顯示的字型代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字型。要顯示新的數(shù)據(jù)時，單片機再發(fā)送新的字型碼。另一種方法是動態(tài)掃描顯示。動態(tài)掃描方法是用其接口電路把所有顯示器的8個筆劃字段ah同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極com各自獨立地接受i/o線控制。cpu向字段輸出端口輸出字型碼時，所有顯示器接收到相同的字型碼，但究竟使用哪個顯示器，則取決于com端，而這一端是由i/o控制的，由單片機決定何時顯示哪一位。動態(tài)掃描用分時的方法輪流控制各個顯示器的com端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過

46、程中，每位顯示器的點亮時間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示各有利弊，靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，占用很少的cpu時間，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅(qū)動電路，使用的電路硬件較多；動態(tài)顯示需要cpu時刻對顯示器件進行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的cpu時間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。在一般較為簡單的系統(tǒng)中，為了降低成本，動態(tài)顯示方案具有一定的實用性，也是目前單片機數(shù)碼管顯示中較為常用的一種顯示方法7。ic卡讀寫電路的顯示電路主要完成ic卡插入狀態(tài)、ic卡讀寫狀態(tài)的顯示，由兩位數(shù)碼管組成，采用動態(tài)顯示的方法，其

47、硬件電路如圖3.9所示。圖3.9 2位數(shù)碼管顯示電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計對于由單片機構(gòu)成的應用系統(tǒng)來說，軟件的設(shè)計是至關(guān)重要的，它直接決定了系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。如何能夠在現(xiàn)有的硬件電路上，通過軟件的設(shè)計來最大的發(fā)揮硬件電路的作用，這就是軟件設(shè)計需要充分考慮的重要因素。另外，很多時候我們可以通過軟件的升級來增加系統(tǒng)的功能，并對系統(tǒng)的功能進行優(yōu)化。這也是由單片機構(gòu)成的系統(tǒng)優(yōu)于不需要軟件支持的純硬件電路的重要原因。4.1 ic卡接口電路程序設(shè)計ic卡的讀寫電路的軟件程序主要包括ic卡的插入/退出識別程序、ic卡的上電/下電控制程序以及ic卡的讀寫程序。其程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1 ic卡的接口電路程

48、序流程圖4.1.1 ic卡的插入識別程序設(shè)計ic卡的插入與退出的識別是通過ic卡適配插座上的感應開關(guān)來識別的，對于復雜結(jié)構(gòu)的ic卡適配插座，如電動式ic卡適配插座等，其識別與控制過程也相當復雜，且針對不同的卡座，其控制也各不相同。這里，我們僅針對那些手動插拔的ic卡適配插座來討論，這種識別過程非常簡單。僅有一個開關(guān)。表示卡是否已插入。如果卡已插入到正確位置，ic卡適配插座就會給出一個開關(guān)接通(或斷開)的信號，而一旦卡離開這個位置。該信號就會立即發(fā)生反轉(zhuǎn)。對于手動式ic卡適配插座來說，這一信號已經(jīng)足夠了。為了確保ic卡已準確地插到位置，插入的識別過程必須加入消顫處理。其程序流程圖如圖4.2所示8

49、。圖4.2 ic卡識別程序流程圖其程序如下所示：sb: jnb ic-sw, sb ； 若無卡插入，等待 lcall delay-5ms ； 延遲5ms jnb ic-sw, sb ； 再次判斷，若無卡輸入等待 ret4.1.2 ic卡上下電控制程序設(shè)計ic卡的供電控制是一個直接涉及是否能安全可靠地操作ic卡的過程。它必須嚴格地遵循iso78l63所規(guī)定的操作順序。否則，就有可能對ic卡帶來永久性的損環(huán)，iso 78163標準規(guī)定的操作順序如下：1、ic卡的激活(上電過程)：rst處于l狀態(tài)vcc供電接口設(shè)備處于接收方式vpp上升為空閑狀態(tài)clk由相應穩(wěn)定的時鐘提供2、ic卡的去激活過程(下電

50、過程)rst為狀態(tài)lclk為狀態(tài)lvpp不起作用i/o為狀態(tài)avcc關(guān)閉由于ic卡技術(shù)的進步，現(xiàn)有的ic卡事實上都已使用卡內(nèi)自帶升壓電路的eeprom，因此，vpp的控制，這一項既耗費電路投資、又很容易發(fā)生問題的過程，已逐漸失去其具體的含義9。ic卡的時鐘加載過程因同步卡和異步卡的不同而有著明確的區(qū)別，同步型ic卡的時鐘是與讀寫過程相同步的，無需提前加載，而異步卡的時鐘則必須在rst信號無效前產(chǎn)生作用。如果一個ic卡接口設(shè)備需對這兩類不同的卡都進行處理，那么只能依靠程序來進行識別，以確定是何種類型的卡。由于異步型ic卡大多帶有微處理器，其讀寫設(shè)備的操作相對簡單。本次畢業(yè)設(shè)計僅對同步型ic卡的讀

51、寫進行討論。我們可以描述其上電過程和下電過程分別為：1、上電過程：pwon1:lcall sb ；識別是否有卡插入 clr rst ；使rst=1 clr clk ；使clk=l lcall delay-0.5ms ；延遲0.5ms，使端口邏輯信號穩(wěn)定 clr pwr ；給卡供電 clr dataout ；使i/o端口=l ret ；返回2、下電過程：pwoff1: clr rst ；使rst=1 clr clk ；使clk=l clr dataout ；使i/o端口=llcall delay-0.5ms ；延遲0.5ms，使端口邏輯信號穩(wěn)定 setb pwr ；給卡供電 ret ；返回4.2

52、 ic卡的讀寫控制程序設(shè)計不同類型的ic卡其讀寫方式或數(shù)據(jù)協(xié)議方式是不同的，iso7816標準對異步型ic卡的讀寫協(xié)議作了較充分的定義，而對于同步型ic卡，則只定義了其定位響應過程(atr)的協(xié)議標準，這使得各廠家設(shè)計的同步型ic卡的讀寫方式不盡相同，而且由于同步型ic卡主要是不帶微處理器的ic卡，接口協(xié)議是面向操作而進行的，因此，其操作協(xié)議方式也各不相同。好在許多廠家生產(chǎn)的ic卡都以iso7816同步復位響應協(xié)議作為ic卡的數(shù)據(jù)讀寫協(xié)議方式，這樣就使得讀寫電路的通用性擴展了許多，不必為每一種ic卡芯片都設(shè)計一種讀寫電路。4.2.1 ic卡的數(shù)據(jù)讀出程序設(shè)計大多數(shù)符合iso78l6標準的同步型

53、ic卡的地址計數(shù)器是與時鐘緊密相關(guān)的，當卡復位時，地址計數(shù)器置“0”，以后，每向卡發(fā)一個節(jié)拍的時鐘，都將使ic卡的地址計數(shù)器加“1”，這一時鐘頻率上限為50khz或280khz(見iso/iec 781610)。在復位之后的頭32個時鐘周期內(nèi)，是卡的復位響應過程，該過程中，廠家的產(chǎn)品編碼以位編碼方式逐一在數(shù)據(jù)線上送出，以后的字段則根據(jù)廠家及用戶所定義的含義不同而各不相同。若某字段定義為可讀的，則可將時鐘運行到該字段上，然后再逐時鐘讀出。數(shù)據(jù)的讀出過程可分為三個基本過程，即：復位、數(shù)據(jù)字段的定位和數(shù)據(jù)的讀出10。1、復位過程：對符合iso 7816同步協(xié)議標準的ic卡來說，其復位方式也與iso7

54、816標準是相容的，因而該部分程序可描述為：synrst:setb datout ；使能數(shù)據(jù)線 setb rst ；復位使能 lcall delay-10us ；延遲10us setb clk ；置同步復位時鐘h lcall delay-10us ；延遲10us clr clk ；時鐘為l lcall delay-10us ；延遲10us clr rst ；復位結(jié)束 ret2、數(shù)據(jù)字段的定位：前面已提到，數(shù)據(jù)字段的定位是以復位后的時鐘數(shù)目來定位的，這里，我們設(shè)定：r2，r3表示所定位的位地址數(shù)，r2為高位字節(jié)。則定位子程序流程圖如圖4.3所示。圖4.3 數(shù)據(jù)字段定位流程圖其程序如下所示：synpos: lcall synrst ；ic卡復位 sp1: cjne r3,#00h,sp3 ；判低位 cj