1、苏州工业职业技术学院基于单片机的 IC 卡读写系统设计苏州工业职业技术学院摘 要随着社会的发展和现代化程度的不断发展，我们人类的信息数量和种类都在加倍地增长，每天都要处理很多和个人有关的信息，而这些信息管理非常不便。因此，在现实生活中IC 卡的应用范围十分广泛，它有助于我们解决问题。IC 卡读写系统是 IC 卡和计算机之间的传输媒介载体，它与计算机之间通过串行口相接，接触式 IC 卡是 IC 卡领域的一项新技术,它是射频识别技术和 IC 卡技术相结合的产物。重点介绍系统硬件工作原理，并给出和介绍了 SLE4442 系列 IC 卡的内部结构和原理图，阐述了本次毕业设计所采用的各硬件接口技术和各个
2、接口模块的功能及工作过程。 关键词：单片机;IC 卡;读写系统苏州工业职业技术学院目录1 硬件设计思路 .22 硬件论证方案 .23 硬件各模块的设计 .43.1 89C2051 单片机的简介 .43.3 SLE4442IC 卡的简介 .124 传送协议 .154.1 复位和复位响应 .154.2 命令模式 .154.3 输出数据模式 .164.4 处理数据模式 .175 SLE4442 卡的应用 .185.2 芯片的复位方式 .185 .2 芯片的操作命令格式 .185.3 SLE4442 卡的接口技术 .196 IC 卡的接口电路 .206.1 IC 卡的插入 /退出识别与上电/下电控制技
3、术： .21苏州工业职业技术学院01 硬件设计思路IC 卡的应用领域非常广泛。在 IC 卡的触点和读/写设备的触点良好接触之前，读/写设备不应对 IC 卡施加有关信号，以免造成不可预料的损坏。IC 卡读/写设备作为系统和用户交换的接口，必将面对各种各样复杂的应用环境。因此，在设计阶段应注意 IC 卡读/写设备环境。作为操作系统,管理 IC 卡的硬件资源和数据资源是其基本任务.IC 卡上的硬件资源包括 CPU,ROM,EEPROM 和 RAM 及通讯接口,这些都由 IC 卡上操作系统统一管理, 使外部不能直接控制这些资源,使 IC 卡对外表现为一个“黑匣子“,从而加强了系统的保密性能. 智能卡通
4、讯管理主要功能是执行智能 IC 卡的信息传送协议, 接收读写器发出的指令,并对指令传递是否正确进行判断.一般可采用奇偶检,CRC 校验等方式判断传输错误.对于采用分组传输协议的系统, 还可以通过分组长度变化来检出错误。智能卡操作系统最重要的功能之一就是数据安全管理. 这可以具体地分为用户与IC 卡的鉴别,核实功能以及对传输数据的加密与解密操作. 智能 IC 卡 COS 的应用管理功能是对读写器发来的命令进行判断,译码和处理. 智能卡的各种应用以专有文件形式存在卡上,各专有文件则是由 IC 卡的指令系统中指令排列所组成的.“鉴别“是指对 IC 卡本身的合法性进行验证,判定一张 IC 卡是不是伪造
5、的.如在前两讲中谈到的多采用多种卡上设置的读,写,擦除密码作为防伪的基本手段.而 COS 由于可以通过内部软件运行来完成密码转换,因此智能 IC 卡上实际写入的密码无法被读写器直接读取,安全性能更强.IC 卡由于其高存储量和高保密性,应用领域十分广泛,除覆盖了传统磁卡的全部功能外,还拓展到许多磁卡不能胜任的领域。2 硬件论证方案IC 卡是一种集成电路卡，它的读/写设备是每个 IC 卡应用系统必不可缺的周边设备。该设备通过 IC 卡的 8 个触点向 IC 卡提供电源并与 IC 卡相互交换信息。虽然 IC 卡是从磁卡发展而来的。 本 IC 卡读/写器的硬件系统设计主要有：IC 卡的插拔检测，IC
6、卡的电源控制，IC 卡与 CPU 的接口以及必要的人机界面。软件苏州工业职业技术学院1系统主要由 IC 卡数据读/写模块，串行通信模块等组成。SLE4442 是德国 SIMENS 公司设计的逻辑加密存储卡。它具有 2K 位的存储容量和完全独立的可编程代码存储器。内部电压提升电路保证了芯片能够以单一+5V 电压供电，较大的存储容量能够满足通常应用领域的各种需要，因此是目前国内应用较多的一种 IC 卡芯片。芯片采用；多存储器结构，2 线连接协议（串行接口满足 ISO7816 同步传输协议） ，NMOS 工艺技术，每字节的擦除/写入编程时间位。2。5MS。存储器具有至少 10000 次的擦写周期，数
7、据保持时间至少 10 以上。根据 IC 卡应用系统的这种典型结构,开发者的主要工作包括:(1) 设计和构造应用系统中心数据库,对应用 IC 卡管理的数据进行分类存储和管理.由于数据库一般建立在小型机或微机网络服务器上,一般在相应环境中开发设计.(2)对 IC 卡上数据的存储格式,读写方式,加密和安全保护方式进行规划和设计.这些可借助 IC 卡读写器和微机的开发系统来完成.(3)构造 IC 卡应用环境,建立网络和读写工作站.作为 IC 卡系统中的发卡站和结算站,可以采用带联机读写器的小型机或微机.系统设计环境可以是 WINDOWS 下的 VB,FOXPOR,ACCESS 等软件,一般利用读写器厂
8、家提供的接口函数与数据库软件接口.用户刷卡使用的工作站可以采用PC 机加联机读写器组成,需进行用户界面设计,能够提供较友好的用户界面.也可以使用便携式的脱机工作站, 一般由单片机系统组成,带有液晶显示器和小型键盘.这种读写器的用户接口软件, 也需在专用的单片机系统中开发.因此,一个 IC 卡应用系统的设计工作除了包括各站点的硬件配置,系统联网, 系统数据库构建和管理软件编程,各工作站用户接口软件的编程外,还包括 IC 卡上数据规划与初始分区和数据写。3 硬件各模块的设计3.1 89C2051 单片机的简介本读写器以 ATMEL89C2051 为内核。此型号的单片机是一种低消耗，高性能的 8 位
9、 CMOS 微处理芯片。片内带有 2KB 的闪烁可编程及可擦除只读存储器，与苏州工业职业技术学院2工业标准的 80C51 指令集相兼容，DIP20 封装。片上的 PEROM 准许在线对程序存储器重新编码，也可用常规的非易挥发存储芯片编程。它的特点可归纳为：1.与MCS-51 产品兼容；2.2KB 的在线可重复编程闪烁存储器；:寿命：1000 次写/擦除周期，数据保存期 10 年；3.宽工作电压:范围 VCC=2.76V；4.全静态工作方式：024MHZ；5.3 级程序存储器锁定；6.256*8 位内部 RAM；7.32 条可编程 I/O 口线；8.3 个 16 位定时/计数器；9.5 个中断源
10、；10.可编程串行中断；11.低功耗的闲置与掉电模式。复位状态： MCS51 单片机复位后, 程序计数器 PC 和特殊功能寄存器复位的状态如表所示。 复位不影响片内 RAM 存放的内容, 而 ALE、PSEN 在复位期间将输出高电平。由表可以看出: (1) （PC）=0000H 表示复位后程序的入口地址为0000H; (2)（PSW）=00H, 其中 RS1(PSW.4)=0, RS0(PSW.3)=0, 表示复位后单片机选择工作寄存器 0 组; (3)（SP）=07H 表示复位后堆栈在片内 RAM 的 08H 单元处建立;(4)P0 口P3 口锁存器为全 1 状态, 说明复位后这些并行接口可
11、以直接作输入口, 无须向端口写 1; (5) 定时器/计数器、 串行口、 中断系统等特殊功能寄存器复位后的状态对各功能部件工作状态的影响。（表 格 1）苏州工业职业技术学院3上电复位：（图 1）AT89C2051 结构：AT89C2051 是一个有 20 个引脚的芯片，引脚配置如图. 与8051 内部结构进行对比后可发现，AT89C2051 减少了两个对外端口(即 P0、P2 口)，使它最大可能地减少了对外引脚，因而芯片尺寸有所减小。AT89C2051 芯片的 20个引脚功能为:1.VCC 电源电压;2.GND 接地;3: RST 复位输入。当 RST 变为高电平并保持 2 个机器周期时，所有
12、 I/O 引脚复位至“1” 。 引 脚 结 构 ：（图 2）XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2 来自反向振荡苏州工业职业技术学院4放大器的输出。P1 口 8 位双向 I/O 口。引脚 P1.2P1.7 提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流(IIL),这是因内部上拉的缘故。 P3 口引脚 P3.0P3.5 与 P3.7 为 7 个带内部上拉的双向 I/O 引脚。P3.6 在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用 I/O 引脚访问。 P3 口引脚 特殊功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 INT0（外
13、部中断）P3.3 INT1（外部中断）P3.4 T0（定时器 0 外部输入）（表 格 2）单片机内部，外部振荡电路：图 （ 3）单片机存储器分类及配置： MCS51 单片机存储器的分类从物理结构上可分为: 片内、 片外程序存储器（8031 和 8032 没有片内程序存储器）与片内、 片外数据存储器 4 个部分; 从寻址空间分布可分为: 程序存储器、 内部数据存储器和外部数据存储器 3 大部分; 从功能上可分为: 程序存储器、 内部数据存储器、 特殊功能寄存器、 位地址空间和外部数据存储器 5 大部分。 苏州工业职业技术学院5（ a） 程序存储器 ; （ b） 内部数据存储器 ; （ c） 外部数据存储器（ 图 4）特殊功能寄存器(SFR)：AT89C2051 中特殊功能寄存器描述，它们共占用了 19 字节，其功能与 8051SFR 功能相对应。程序存储器的加密：AT89C2051 片内有 2 个锁定位，可以编程(P)，也可以不编程(U)，从而得到 3 种锁定位保护模式。苏州工业职业技术学院6（ 表 格 3）内 部 结 构 ：
