基于單片機(jī)的IC卡讀卡器設(shè)計(jì)說明

1、基于單片機(jī)的IC 卡讀卡器設(shè)計(jì)第 1 章緒論本章介紹了 IC 卡的發(fā)展歷史和應(yīng)用情況，說明了現(xiàn)代IC 卡技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，最后分析了目前常見的IC 卡讀寫器終端，并提出了本課題中IC 卡讀寫器的設(shè)計(jì)目標(biāo)。1.1 IC卡的發(fā)展和使用應(yīng)用情況卡片是作為個(gè)人身份識(shí)別的手段而引進(jìn)的，而作為交易憑證的卡片則早在19 世紀(jì)80 年代就萌芽于英國了，1950年，美國商人設(shè)計(jì)了第一張現(xiàn)代的塑料信用卡，1951年美國富蘭克林銀行作為金融機(jī)構(gòu)率先發(fā)行了信用卡，到60 年代中期， 人們?cè)谒芰辖鹑诮灰卓ǖ谋趁尜N上磁條， 發(fā)展成為能夠自動(dòng)讀取信息進(jìn)行在線處理的磁卡，磁卡因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，得到迅速推廣。IC 卡是近年

2、從歐洲開始出現(xiàn)的，IC 卡具有突出的 3S特點(diǎn)，即 Standard( 國際標(biāo)準(zhǔn)化 )、Smart( 靈巧智能化 )、和 Security( 安全性 )。因而發(fā)展迅速，在金融、通訊、 交通等眾多領(lǐng)域中后來居上，即使那些磁卡已經(jīng)普及應(yīng)用的范圍也將被取而代之。 IC 卡不僅改變了現(xiàn)有多種卡的使用方法和功能作用，還不斷開創(chuàng)出新的應(yīng)用領(lǐng)域。將 IC 卡和其他設(shè)備組成系統(tǒng)就能提供非常豐富的服務(wù)功能，把這些功能與生產(chǎn)或流通領(lǐng)域有機(jī)地結(jié)合起來， 將出現(xiàn)令人意想不到的奇跡， 創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，IC 卡作為一種先進(jìn)的信息存儲(chǔ)介質(zhì)，它的應(yīng)用己經(jīng)滲透到各國的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活、軍事等各個(gè)方

3、面，將來更有著廣闊的發(fā)展空間。1.2 IC卡應(yīng)用技術(shù)IC 卡比磁卡存儲(chǔ)容量大，可靠性和安全性高，在應(yīng)用上除了覆蓋磁卡的全部應(yīng)用范圍以外，還提供了許多磁卡所不具備的應(yīng)用特性。正是這些特性，使IC 卡在脫機(jī)業(yè)務(wù)處理和聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)一致性等方面表現(xiàn)出前所未有的優(yōu)勢(shì)。IC 卡雖然有很強(qiáng)的功能， 但僅當(dāng) IC卡加入到應(yīng)用系統(tǒng)中， 構(gòu)成發(fā)行商、 應(yīng)用系統(tǒng)和持卡人之間的數(shù)據(jù)傳輸媒介時(shí)，才能有效地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。一個(gè)好的IC 卡應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)具備良好的應(yīng)用特性和性能價(jià)格比，還要有好的安全特性。IC 卡最初是為了解決金融交易中的安全性問題而設(shè)計(jì)的，它帶來全新的交易概念與巨大的優(yōu)勢(shì)。 IC 卡在應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于良好的機(jī)器

4、讀寫能力、共同認(rèn)可的安全防范技術(shù)和相對(duì)較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。1良好的機(jī)器讀寫性能便于人機(jī)卡之間的會(huì)話IC 卡是一種電路卡，它在機(jī)器讀寫性能上遠(yuǎn)優(yōu)于磁卡和光卡，無需往復(fù)的機(jī)械動(dòng)作即可完成人機(jī)卡之間的多次會(huì)話過程，使卡在應(yīng)用時(shí)更容易進(jìn)行操作與相互驗(yàn)證，給卡的應(yīng)用開發(fā)者和使用者都帶來了極大的便利。2 良好的安全防范技術(shù)是卡能夠脫離網(wǎng)絡(luò)使用IC 卡采用了為國際上各種開發(fā)者與使用者所共同認(rèn)可的半導(dǎo)體密碼存放于軟件加密技術(shù)， 它可以有效地阻止卡的非法復(fù)制與數(shù)據(jù)的篡改。應(yīng)用設(shè)備可以在脫離網(wǎng)絡(luò)的情況下，不需要人工干預(yù)，即可對(duì)IC 卡進(jìn)行鑒別，以確定該卡是否是本系統(tǒng)所許可的，是否可在該應(yīng)用場(chǎng)合中使用等。 通過持卡

5、人輸入PIN，與卡內(nèi)一組密碼比較， 可以確認(rèn)持卡人的身份。這些特點(diǎn)使 IC 卡能成為傳導(dǎo)媒體，再加上認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密等功能，使卡能夠脫離網(wǎng)絡(luò)使用。3 大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力使IC 卡成為數(shù)據(jù)媒體在一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)使用中， 系統(tǒng)必須對(duì)所有持卡人建立一份身份與使用的檔案。在磁卡系統(tǒng)中，這組檔案存放在中心數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)，持卡人每次使用都需通過終端，以網(wǎng)絡(luò)形式從數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中提出那份與自己相關(guān)的檔案?，F(xiàn)在IC 卡的存儲(chǔ)能力增加了，這份相關(guān)信息可以存放在 IC 卡中，終端設(shè)備交易的實(shí)時(shí)性明顯改善，使用的靈活性也大大增加。IC 卡三大特點(diǎn)的結(jié)合， 構(gòu)成了 IC 卡應(yīng)用的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)， 它一方面降低了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴程度，提高

6、了相應(yīng)速度 ;另一方面對(duì)發(fā)行商、應(yīng)用商和持卡者三方面的利益提供了有效的保護(hù)手段，為 IC 卡的廣泛應(yīng)用鋪平了道路。IC 卡應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，這里僅根據(jù)現(xiàn)有的應(yīng)用提供部分應(yīng)用領(lǐng)域。（1）應(yīng)用于金融領(lǐng)域，可以作為信用卡、現(xiàn)金卡、證券卡或電子資金轉(zhuǎn)賬卡等。（2）可以作為身份證明卡使用，如身份證、駕駛執(zhí)照、會(huì)員卡等。（3）在醫(yī)療、保健等領(lǐng)域， IC 卡可以用于健康卡、少兒疫苗卡、就診卡等。（4）在商業(yè)及服務(wù)領(lǐng)域，可以用IC 卡作為優(yōu)惠卡、結(jié)算卡、服務(wù)卡等。（5）在交通領(lǐng)域， 可以用 IC 卡取代公交或地鐵月票， 可以改變?cè)袑?duì)月票的當(dāng)月有效限制為有效次數(shù)限制。還可用于公路付費(fèi)和停車付費(fèi)等場(chǎng)合。（6）I

7、C 卡電話卡，這是至目前為止IC 卡用量最大的一種應(yīng)用 .用 IC 卡公用電話替代磁卡電話與投幣電話即可杜絕欺詐行為，又可省去攜帶零錢所帶來的麻煩。（7）IC 卡在門禁系統(tǒng)、設(shè)備使用等情形中，以鑰匙卡的形式出現(xiàn)，使“鎖”有了新的一個(gè)層次定義。（8）IC 卡還可集各種服務(wù)功能于一身，如企業(yè)的員工卡、校園“一卡通”等即屬此類，持卡人可以用卡進(jìn)行考勤、開門、就餐、借閱圖書等。1.3 課題的建立以及本文完成的主要工作本文主要包括以下內(nèi)容：1總體方案的構(gòu)思2. 畫出各模塊電路圖3. 元器件的選取與購買4. 正確焊接接硬件電路5軟件設(shè)計(jì)中完成寫主存儲(chǔ)器、寫保護(hù)存儲(chǔ)器、寫密碼和校驗(yàn)密碼操作6. 完成 SLE

8、4442 復(fù)位應(yīng)答調(diào)試第 2 章方案論證方案一選用飛思卡爾單片機(jī)MC9S12D64做為主控芯片，該芯片是一款性能優(yōu)良的單片機(jī), 包含一個(gè) 16 位中央處理單元、 64 KB Flash、4 KB RAM 、1 KBE2PROM 、一個(gè) I2C接口、一個(gè)同步串行接口和兩個(gè)異步串行通信接口等豐富資源, 能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。具體方案如圖2-1 所示。圖 2-1 MC9S12D64的總體設(shè)計(jì)方案方案二選用 STC89C55RD+做為主控芯片， STC89C55是一種帶 16K 字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read On

9、ly Memory ）的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容，具體方案如圖 2-2 所示。SLE4442 IC卡主機(jī)主控芯片 MC9S12D64電源電路復(fù)位電路時(shí)鐘電路RS232通信模塊I C 接口2圖 2-2 STC89C55的總體設(shè)計(jì)方案因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)需要用到的單片機(jī)引腳不多，對(duì)單片機(jī)配置也要求不高； 飛思卡爾單片機(jī) MC9S12D64功能太強(qiáng)大價(jià)格也比較昂貴，綜合考慮選擇比較熟悉的STC89C系列單片機(jī)是比較合理的。顯示鍵盤輸入控制器Stc89c55RD+PC通信IC 卡SLE4

10、442第3章硬件設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的讀寫器以STC89C55RD+單片機(jī)為核心， 配以 IC 卡接口電路、串行通信電路、存儲(chǔ)電路、鍵盤輸入電路和液晶顯示電路等部分。通過讀寫器插槽與IC 卡芯片通信，由 STC89C55RD+單片機(jī)控制數(shù)據(jù)傳輸過程，實(shí)現(xiàn)讀卡和寫卡操作。系統(tǒng)的總體電路圖如圖 3-1 所示。圖 3-1 系統(tǒng)總體電路圖系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖3-2 所示。圖 3-2 系統(tǒng)總體框圖3.1 IC 卡芯片選擇IC 卡集成電路卡 (IntegratedC ircuit Card) 的簡(jiǎn)稱1，有些國家和地區(qū)稱之為微芯片卡(Microchip card)或微電路卡 (Microcircuit Card)。I

11、C 卡的大小和磁卡相同，它把集成電路鑲在塑料卡片上， 芯片一般是不易揮發(fā)性存儲(chǔ)器(ROM, EPROM. EPROM)，保護(hù)邏輯電路，甚至于CPU 。本節(jié)介紹 IC 卡的一些基本知識(shí)，使讀者對(duì)IC 卡有一個(gè)大概的了解。由于本設(shè)計(jì)所采用的IC 卡為接觸型邏輯加密卡（SLE4442 ） ，所以本節(jié)的內(nèi)容重點(diǎn)介紹此卡。SLE4442是由德國西門子公司設(shè)計(jì)的邏輯加密存儲(chǔ)卡。它具有2K 位的存儲(chǔ)容量和完全獨(dú)立的可編程加密代碼存儲(chǔ)器。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(chǔ)器容量能夠滿足應(yīng)用領(lǐng)域的各種要求。是目前國內(nèi)應(yīng)用較多的一種IC 卡芯片。3.1.1 芯片特點(diǎn)1面向字節(jié)尋址；2采用

12、多存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：主存儲(chǔ)器、保護(hù)型存儲(chǔ)器、加密存儲(chǔ)器；3線連接協(xié)議，觸點(diǎn)和串行接口滿足ISO7816同步傳送協(xié)議；4芯片采用 NMOS 工藝技術(shù)，每字節(jié)的擦除/ 寫入編程時(shí)間為 2.5ms ；5復(fù)位響應(yīng)（ ATR ）符合 ISO/IEC7816-3協(xié)議；6存儲(chǔ)器采用至少10 000次的擦除 / 寫入周期，數(shù)據(jù)保持時(shí)間至少為10 年；7額外特性：數(shù)據(jù)僅能在正確輸入24 位可編程安全碼（安全存儲(chǔ)器）之后才能改變。顯示鍵盤輸入控制器Stc89c55RD+PC通信IC 卡SLE44423.1.2 芯片的引腳配置芯片的引腳與國際標(biāo)準(zhǔn)兼容，引腳的定義和功能說明如表3-1 所示。表 3-1 SLE4442引腳功

13、能引腳卡觸點(diǎn)符號(hào)功能1 2 3 4 5 6 7 8 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8VCC RST CLK NC GND NC I/O NC 操作電壓 5V 復(fù)位時(shí)鐘未用地未用雙向數(shù)據(jù)線（漏極開路）未用3.1.3 芯片功能SLE4442IC卡芯片主要包括三個(gè)存儲(chǔ)器：256 8 位 EEPROM 型主存儲(chǔ)器、 321 位 PROM 型保護(hù)存儲(chǔ)器和 48 位 EEPROM 型加密存儲(chǔ)器2。1主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器為可重復(fù)擦除使用的EEPROM 型存儲(chǔ)器。 按字節(jié)尋址， 擦除寫入。 在擦除時(shí)，一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的所有8 位被全部置“ 1” 。在寫入時(shí)，在 EEPROM單元中的信息則根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，

14、按字位方式變換成邏輯“0”(即在 EEPROM 中，新寫入的數(shù)據(jù)與原來存在的數(shù)據(jù)進(jìn)行“邏輯與”)。通常，要改變一個(gè)數(shù)據(jù)需要先進(jìn)行擦除再進(jìn)行寫入兩項(xiàng)操作。如果在被尋址的字節(jié)中8 位沒有一個(gè)字位需要從0 變?yōu)?1，則可以不進(jìn)行擦除處理。反之亦然，在被尋址的字節(jié)中， 如果沒有一個(gè)字節(jié)需要從1 變?yōu)?0， 則可以不做寫入處理，寫入或擦除操作一次至少耗費(fèi)2.5ms 時(shí)間。主存儲(chǔ)器的地址是從00H 到 FFH 。但主存儲(chǔ)器可分為兩個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)：保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)和應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)，保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)是主存儲(chǔ)器前32 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)區(qū)。其地址是從0(00H) 到 31(1FH)這部分的數(shù)據(jù)讀出不受限制，但擦除和寫入操作均受到保護(hù)存儲(chǔ)器內(nèi)

15、部數(shù)據(jù)狀態(tài)的限制。當(dāng)保護(hù)存儲(chǔ)器中第N 位為 0 時(shí)，則對(duì)應(yīng)主存儲(chǔ)器中第N 個(gè)字節(jié)就不允許進(jìn)行擦除和寫入操作。故保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)一般均作為IC 卡的標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，存放一些固定不變的標(biāo)識(shí)參數(shù)。應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)為主存儲(chǔ)器后224 個(gè)字節(jié)。其地址從32(20H) 到 255(FFH) 。這部分的數(shù)據(jù)讀出不受限制，但擦除和寫入受控于加密存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)校驗(yàn)比較結(jié)果的影響。當(dāng)需要修改應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容時(shí)，必須首先輸入一個(gè)3 字節(jié)長(zhǎng)的“校驗(yàn)字”。這個(gè)新輸入的“校驗(yàn)字”與原來存在在加密存儲(chǔ)器中的 “參照字” 進(jìn)行一對(duì)一的比較。只有當(dāng)兩者完全一致時(shí)，芯片的加密控制邏輯才打開芯片的主存儲(chǔ)器，允許后面的擦除和寫入操作。 芯片允許在有限的

16、次數(shù)內(nèi)重試比較操作。如果在連續(xù)三次比較失敗之后，芯片的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到“0” ，并將鎖死主存儲(chǔ)器， 禁止隨后的任何比較操作和寫入擦除操作。這時(shí)整個(gè)主存儲(chǔ)器變成一個(gè)只讀存儲(chǔ)器。芯片中各存儲(chǔ)器的內(nèi)容不能再改變。2保護(hù)存儲(chǔ)器保護(hù)存儲(chǔ)器是一個(gè)32 1 位的一次性可編程只讀存儲(chǔ)器 （PROM ） 。它是按字位方式尋址和寫入。 保護(hù)存儲(chǔ)器從 032 的每一位對(duì)應(yīng)著主存儲(chǔ)器地址從0 到 31 的字節(jié)。因此可以理解為每個(gè)字節(jié)單元的控制熔絲。從出廠到被初始化之前，保護(hù)存儲(chǔ)器的狀態(tài)為全“1” 。從控制方面來說，保護(hù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容只能從“1”寫成“0”而不能從“ 0”擦除成“1” 。保護(hù)存儲(chǔ)器每個(gè)被寫“ 0”的單元所

17、對(duì)應(yīng)控制的主存儲(chǔ)器的字節(jié)單元將不再接收任何擦除和寫入命令， 從而使得該字節(jié)單元的數(shù)據(jù)不可再改變。從使用方面來講， 如果需要防止一些固定的標(biāo)識(shí)參數(shù)被改動(dòng)，可以將這類參數(shù)先寫入主存儲(chǔ)器的保護(hù)存儲(chǔ)區(qū)，然后將對(duì)應(yīng)單元的保護(hù)存儲(chǔ)器的字位寫位“0” ，從而使這一部分單元中的參數(shù)內(nèi)容永遠(yuǎn)不可更改。保護(hù)存儲(chǔ)器本身的讀出操作不受限制。但對(duì)其寫入操作仍然受到加密存儲(chǔ)器比較校驗(yàn)操作結(jié)果的控制。當(dāng)輸入的“校驗(yàn)字”與芯片內(nèi)的“參照字”一致，則可以執(zhí)行后續(xù)的寫入操作。如果比較不成功，則控制邏輯將閉鎖保護(hù)存儲(chǔ)器。3加密存儲(chǔ)器加密存儲(chǔ)器是一個(gè)48 位的 EEPROM 型存儲(chǔ)器。在這個(gè)存儲(chǔ)器中，第 0 字節(jié)為 “密碼輸入錯(cuò)誤計(jì)

18、數(shù)器” (EC)。密碼輸入錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的有效位是低3 位。在芯片初始化時(shí)，計(jì)數(shù)器設(shè)置成 111 。 這一字節(jié)是可讀的。 每次比較密碼時(shí)，先判斷計(jì)數(shù)器中是否還有 “1” 。如果還有“ 1” ，則將其中一個(gè)“ 1”寫成“ 0” ，然后進(jìn)行比較“校驗(yàn)字”操作。如果比較結(jié)果一致，密碼錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器將允許進(jìn)行擦除操作(芯片不能自動(dòng)進(jìn)行擦除操作)，同時(shí)打開主存儲(chǔ)器、保護(hù)存儲(chǔ)器和加密存儲(chǔ)器， 并允許進(jìn)行擦除和寫入操作。 如果比較結(jié)果不一致，則密碼錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器中為“1”的個(gè)數(shù)將減少一位。只要計(jì)數(shù)器的內(nèi)容不全為0，則芯片的比較“校驗(yàn)字”操作還允許進(jìn)行。 當(dāng)密碼計(jì)數(shù)器減數(shù)為零， 則芯片的存儲(chǔ)單元將全部鎖死。加密存儲(chǔ)器的第

19、1,2,3字節(jié)為“參照字”存儲(chǔ)區(qū)。這3 個(gè)字節(jié)的內(nèi)容作為一個(gè)整體披稱為可編程加密代碼 (PSC)。值得注意的是：這3 個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在PSC 比較成功前是不可讀的，只能進(jìn)行比較操作。而“寫入、擦除”操作也受自身“比較”操作結(jié)果的控制。只有當(dāng)“比較”成功，加密存儲(chǔ)器各字節(jié)內(nèi)容才可以進(jìn)行讀出、寫入和擦除。3.1.4 SLE4442芯片傳送協(xié)議傳送協(xié)議是在接口設(shè)備IFD 與 IC 卡的集成電路之間的兩線連接協(xié)議，SLE4442芯片的協(xié)議類型為 S=10( 同步卡協(xié)議 )。 I/O 線上數(shù)據(jù)變化只在 CLK 信號(hào)的下降沿才有效4。傳送協(xié)議包括 4 種模式：復(fù)位和復(fù)位響應(yīng)命令模式輸出數(shù)據(jù)模式處理模式1復(fù)位

20、和復(fù)位響應(yīng)復(fù)位響應(yīng)是根據(jù)ISO 7816-3標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行的。在操作期間的任何時(shí)候都可以復(fù)位，只有經(jīng)過了復(fù)位才能對(duì)IC 卡進(jìn)行其他操作。開始時(shí)地址計(jì)數(shù)器隨一個(gè)時(shí)鐘脈沖而被設(shè)置成 0。當(dāng) RST 線從 H 狀態(tài)置到 L 狀態(tài)時(shí)，第一個(gè)數(shù)據(jù)位的內(nèi)容被送到I/O線上。若連續(xù)輸入 32 個(gè)時(shí)鐘脈沖，主存儲(chǔ)器中的前4 個(gè)字節(jié)地址單元中的內(nèi)容被讀出。在第33 個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿， I/O線被置成 H 狀態(tài)而關(guān)閉。芯片復(fù)位即復(fù)位響應(yīng)的時(shí)序關(guān)系如圖3-3 所示。在復(fù)位響應(yīng)期間，“啟動(dòng)”和“停止” (見下面 )狀態(tài)被忽略。圖 3-3 芯片復(fù)位即復(fù)位響應(yīng)的時(shí)序關(guān)系2命令模式復(fù)位響應(yīng)之后，芯片等待著命令。每條命令都以一

21、個(gè)“啟動(dòng)狀態(tài)”開始。整個(gè)命令包括三個(gè)字節(jié) (命令含義后面解釋 )。隨后緊跟著一個(gè)附加脈沖并用一個(gè)“停止?fàn)顟B(tài)”來結(jié)束操作。命令模式時(shí)序關(guān)系如圖3-4 所示。啟動(dòng)狀態(tài)：在 CLK 為 H 狀態(tài)期間， I/O 線的下降沿為啟動(dòng)狀態(tài)。停止?fàn)顟B(tài)：在 CLK 為 H 狀態(tài)期間， I/O 線的上升沿為停止?fàn)顟B(tài)。在接受一個(gè)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)模式 )和處理數(shù)據(jù)模式。圖 3-4 命令模式時(shí)序關(guān)系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)傳送給外部接口設(shè)備的一種操作。輸出數(shù)據(jù)模式的時(shí)序關(guān)系如圖 3-5 所示。在第一個(gè) CLK 脈沖的下降沿之后， I/O 線上的第一位數(shù)據(jù)變?yōu)橛行?/p>

22、。隨后每增加一個(gè)時(shí)鐘脈沖，芯片內(nèi)部的一位數(shù)據(jù)被送到I/O線上。其輸出的順序是從每個(gè)字節(jié)的最低位開始。當(dāng)所需要的最后一個(gè)數(shù)據(jù)送出以后，需要再附加一個(gè)時(shí)鐘脈沖來把I/O線置成H 狀態(tài)，以便準(zhǔn)備接受新的命令。在輸出數(shù)據(jù)期間，任何“啟動(dòng)狀態(tài)”和“停止?fàn)顟B(tài)”均被屏蔽掉。圖 3-5 輸出數(shù)據(jù)模式的時(shí)序關(guān)系4處理數(shù)據(jù)模式這種模式是對(duì) IC 卡芯片做內(nèi)部處理。處理數(shù)據(jù)模式的時(shí)序關(guān)系如圖3-6 所示。在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿將I/O從 H 狀態(tài)拉為 L 狀態(tài)并開始處理。 此后芯片在內(nèi)部連續(xù)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)，直到第N 個(gè)時(shí)鐘脈沖之后的附加時(shí)鐘脈沖的下降沿I/O線被再次置高，完成芯片的處理過程。在整個(gè)處理過程中I/O線被鎖

23、定成低狀態(tài)。圖 3-6 處理數(shù)據(jù)模式的時(shí)序關(guān)系3.1.5 芯片的操作命令1命令的格式每條命令包含三個(gè)字節(jié)，其順序如表3-2 所示。表 3-2 命令順序MSB 控制字LSB MSB 地址字LSB MSB 數(shù)據(jù)字LSB B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 A7 A6A5 A4 A3 A2 A1 A0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1D0命令的傳送總是從控制字節(jié)開始。首先傳送字節(jié)的最低位LSB( 即 B0)?？刂谱止?jié)傳送完畢以后， 依次傳送地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)，傳送順序均從各字節(jié)最低位開始。在最后一位 D7傳送完成之后，需要增加一個(gè)附加脈沖把I/O 線置成高狀態(tài)。SLE4442芯片具

24、有七種命令，其格式和功能如表3-3 所示。表 3-3 命令格式及功能字節(jié) 1（控制） 字節(jié) 2（地址） 字節(jié) 3（數(shù)據(jù)）功能命令模式30H 38 H 34 H 3B H 31 H 39 H 地址數(shù)地址數(shù)無效地址數(shù)無效地址數(shù)無效輸入數(shù)據(jù)無效輸入數(shù)據(jù)無效輸入數(shù)據(jù)讀存儲(chǔ)器修改存儲(chǔ)器讀保護(hù)存儲(chǔ)器寫保護(hù)存儲(chǔ)器讀加密存儲(chǔ)器修改加密存儲(chǔ)器輸出數(shù)據(jù)模式處理模式輸出數(shù)據(jù)模式處理模式輸出數(shù)據(jù)模式處理模式33 H 地址數(shù)輸入數(shù)據(jù)比較校驗(yàn)數(shù)據(jù)處理模式2有關(guān)命令的說明（1）讀主存儲(chǔ)器： 該命令是指讀出主存儲(chǔ)器的內(nèi)容。該命令的控制字為 (30H) 。對(duì)于每個(gè)字節(jié)來說總是從最低位開始讀出。從給定的字節(jié)地址(N)開始，直到整

25、個(gè)存儲(chǔ)器的末尾。在該命令輸入以后，接口設(shè)備IFD必須提供足夠的時(shí)鐘脈沖。對(duì)于從地址 (N)開始讀數(shù)據(jù)所需要的時(shí)鐘脈沖的數(shù)量M=(256-N) 8+1 。對(duì)主存儲(chǔ)器做讀操作不受限制。（2）讀保護(hù)存儲(chǔ)器： 該命令的控制字為 (34H) 。 在連續(xù)輸入 32 個(gè)時(shí)鐘脈沖情況下，芯片將保護(hù)存儲(chǔ)器內(nèi)各位內(nèi)容傳送到I/O線上。最后一個(gè)附加時(shí)鐘將I/O線置為 H 狀態(tài)。對(duì)保護(hù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀取操作不受限制。（3）讀加密存儲(chǔ)器：該命令類似于讀保護(hù)存儲(chǔ)器那樣，可以讀出4 個(gè)字節(jié)的加密存儲(chǔ)器的內(nèi)容。在輸出數(shù)據(jù)模式下，所需時(shí)鐘脈沖的數(shù)量為32。其后再附加一個(gè)時(shí)鐘脈沖將 I/O線置成高狀態(tài)。 如果可編程加密代碼 （PSC

26、）的校驗(yàn)不成功 (除第 0 字節(jié)可讀除外 )，I/O線總保持低狀態(tài)。（4）修改主存儲(chǔ)器：該命令就是根據(jù)所傳送地址字節(jié)數(shù)據(jù)，尋址主存儲(chǔ)器的EEPROM字節(jié)，然后修改字節(jié)內(nèi)容。該命令的控制字為(38H) 。在處理模式期間，可能有幾種情況：擦除和寫入至少需要5ms ；只寫入不擦除，至少需要2.5ms ；只擦除不寫入，至少需要2.5ms 。（5）修改加密存儲(chǔ)器：該命令是根據(jù)所傳送的字節(jié)數(shù)和要修改的數(shù)據(jù)，將加密存儲(chǔ)器中相應(yīng)字節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行修改。該命令的控制字為(39H) ，該命令只能在可編程加密代碼(PSC)比較成功之后才能進(jìn)行。 該命令的執(zhí)行時(shí)間和所需的時(shí)鐘脈沖與修改主存儲(chǔ)器的情況相同。（6）寫保護(hù)存儲(chǔ)

27、器：這一命令的執(zhí)行過程包括一個(gè)把被輸入的數(shù)據(jù)與在EEPROM中對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的過程。在確認(rèn)一致的情況下，保護(hù)字位被寫0。從而使得主存儲(chǔ)器中的信息不可更改。如果數(shù)據(jù)比較結(jié)果不一致，則保護(hù)字位的寫操作將被禁止。該命令所需時(shí)鐘脈沖和執(zhí)行時(shí)間與修改主存儲(chǔ)器命令的情況相同。3.2 CD4066 CD4066 的每個(gè)封裝內(nèi)部有4 個(gè)獨(dú)立的模擬開關(guān)， 每個(gè)模擬開關(guān)有輸入、 輸出、控制三個(gè)端子，其中輸入端和輸出端可互換。當(dāng)控制端加高電平時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)控制端加低電平時(shí)開關(guān)截止。 模擬開關(guān)導(dǎo)通時(shí)， 導(dǎo)通電阻為幾十歐姆；模擬開關(guān)截止時(shí)，呈現(xiàn)很高的阻抗，可以看成為開路。 模擬開關(guān)可傳輸數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，可傳輸

28、的模擬信號(hào)的上限頻率為 40MHz 。各開關(guān)間的串?dāng)_很小，典型值為50dB 。CD4066是四雙向模擬開關(guān)，主要用作模擬或數(shù)字信號(hào)的多路傳輸。引出端排列與CC4016一致，但具有比較低的導(dǎo)通阻抗。另外，導(dǎo)通阻抗在整個(gè)輸入信號(hào)范圍內(nèi)基本不變。 CD4066由四個(gè)相互獨(dú)立的雙向開關(guān)組成，每個(gè)開關(guān)有一個(gè)控制信號(hào)，開關(guān)中的p 和 n 器件在控制信號(hào)作用下同時(shí)開關(guān)。這種結(jié)構(gòu)消除了開關(guān)晶體管閾值電壓隨輸入信號(hào)的變化， 因此在整個(gè)工作信號(hào)范圍內(nèi)導(dǎo)通阻抗比較低。與單通道開關(guān)相比， 具有輸入信號(hào)峰值電壓范圍等于電源電壓以及在輸入信號(hào)范圍內(nèi)導(dǎo)通阻抗比較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)模擬開關(guān)的電源電壓采用雙電源時(shí)，例如=5V ，

29、=5V （均對(duì)地 0V 而言） ，則輸入電壓對(duì)稱于 0V 的正、 負(fù)信號(hào)電壓（5V5V ） 均能傳輸。這時(shí)要求控制信號(hào) C=“ 1”為+5V， C=“ 0”為-5V ，否則只能傳輸正極性的信號(hào)電壓。元件電路管腳圖如圖3-7 所示圖 3-7 CD4066管腳圖3.3 單片機(jī)STC89C5510是一種帶 16K 字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能COMOS8 的微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51指令集和輸出管

30、腳相兼容。單片機(jī)總控制電路圖如圖3-8 所示。圖 3-8 單片機(jī)總控制電路1時(shí)鐘電路STC89C55內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 RXD 和 TXD 分別是此放大器的輸入端和輸出端。時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部方式的時(shí)鐘電路如圖 3-9(a) 所示，在 RXD 和 TXD 引腳上外接定時(shí)元件， 內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體振蕩頻率可以在1.2 12MHz 之間選擇， 電容值在 530pF 之間選擇，電容值的大小可對(duì)頻率起微調(diào)的作用。外部方式的時(shí)鐘電路如圖3-9 （b）所示， RXD 接地， TXD 接外部振蕩

31、器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無特殊要求， 只要求保證脈沖寬度， 一般采用頻率低于12MHz的方波信號(hào)。 片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘P1 和 P2，供單片機(jī)使用。（a）內(nèi)部方式時(shí)鐘電路（b）外部方式時(shí)鐘電路圖 3-9 時(shí)鐘電路2復(fù)位及復(fù)位電路（1）復(fù)位操作復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把PC 初始化為0000H ，使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。除 PC 之外，復(fù)位操作還對(duì)其他一些寄存器有影響，它們的復(fù)位狀態(tài)如表3-4 所示。表 3-4 一些寄存器的復(fù)位狀態(tài)

32、寄存器復(fù)位狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài)PC 0000H TCON 00H ACC 00H TL0 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL1 00H DPTR 0000H TH1 00H P0-P3 FFH SCON 00H IP XX000000B SBUF 不定IE 0X000000B PCON 0XXX0000B TMOD 00H （2）復(fù)位信號(hào)及其產(chǎn)生RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。 復(fù)位信號(hào)是高電平有效， 其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24 個(gè)振蕩周期 (即二個(gè)機(jī)器周期 )以上。若使用頗率為 6MHz 的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過4us 才能完成復(fù)位操作。產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的電路邏輯如圖3-

33、10 所示。圖 3-10 復(fù)位信號(hào)的電路邏輯圖整個(gè)復(fù)位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)(RST)送至施密特觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2 時(shí)刻對(duì)施密特觸發(fā)器的輸出進(jìn)行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位相按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖3-11 （a）所示。這樣，只要電源Vcc 的上升時(shí)間不超過1ms ，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與 Vcc 電源接通而實(shí)現(xiàn)的， 其電路如圖 3-

34、11 （b）所示；而按鍵脈沖復(fù)位則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實(shí)現(xiàn)的。其電路如圖 3-11 （c）所示。（a）上電復(fù)位（b）按鍵電平復(fù)位（c）按鍵脈沖復(fù)位圖 3-11復(fù)位電路上述電路圖中的電阻、電容參數(shù)適用于6MHz 晶振，能保證復(fù)位信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間大于 2 個(gè)機(jī)器周期。本系統(tǒng)的復(fù)位電路采用圖3-11 （b）按鍵復(fù)位方式。STC89C55具體介紹如下：主電源引腳（ 2 根）VCC(Pin40) ：電源輸入，接 5V 電源GND(Pin20) ：接地線外接晶振引腳（ 2 根）XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端控制引腳（ 4 根）RS

35、T/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2 個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào)PSEN(Pin29) ：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令?？删幊梯斎?/ 輸出引腳（ 32 根）STC89C55單片機(jī)有 4 組 8 位的可編程 I/O口，分別位 P0、P1、P2、P3 口，每個(gè)口有 8 位（8 根引腳） ，共 32 根。PO 口（Pin39 Pin32 ）：8 位雙向 I/O口線，名稱為 P0.0 P0.7 P1 口（Pin1 Pin8

36、）：8 位準(zhǔn)雙向 I/O口線，名稱為 P1.0 P1.7 P2 口（Pin21 Pin28 ）：8 位準(zhǔn)雙向 I/O口線，名稱為 P2.0 P2.7 P3 口（Pin10 Pin17 ）：8 位準(zhǔn)雙向 I/O口線，名稱為 P3.0 P3.7 STC89C55主要功能如表 3-5 所示。表 3-5 STC89C55主要功能主要功能特性兼容 MCS51 指令系統(tǒng)16K 可反復(fù)擦寫 Flash ROM 32 個(gè)雙向 I/O口1280 x8bit內(nèi)部 RAM 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí) / 計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率 0-24MHz 2 個(gè)串行中斷可編程 UART 串行通道2 個(gè)外部中斷源共 6 個(gè)中斷源2

37、個(gè)讀寫中斷口線3 級(jí)加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能3.4 鍵盤電路鍵盤電路的設(shè)計(jì)通常有兩種方案。 一種是并行接口鍵盤電路， 另一種是串行接口鍵盤電路。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)IC 卡讀寫器的輸入需要，選擇采用一個(gè)44 的 16 按鍵矩陣式鍵盤接口如圖 3-12 所示。圖 3-12矩陣鍵盤3.5 顯示電路本設(shè)計(jì)采用液晶顯示器。其特點(diǎn)是顯示內(nèi)容豐富(可顯示漢字 )，功耗小，可靠性高，電路簡(jiǎn)單，器件型號(hào)為QC1602-7如圖 3-13 所示。圖 3-13 QC1602-71602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊它有若干個(gè)5X7 或者 5

38、X11 等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔每行之間也有間隔起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒茱@示圖形（用自定義CGRAM ，顯示效果也不好） 1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2, 即可以顯示兩行， 每行 16 個(gè)字符液晶模塊 （顯示字符和數(shù)字）。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于 HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口如圖 3-14 所示。圖 3-14 QC1602-7引腳圖第 1 腳：VSS 為電源地第 2 腳：

39、VDD 接 5V 電源正極第 3 腳：V0 為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度） 。第 4 腳：RS 為寄存器選擇， 高電平 1 時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、 低電平 0 時(shí)選擇指令寄存器。第 5 腳：RW 為讀寫信號(hào)線，高電平 (1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平 (0)時(shí)進(jìn)行寫操作。第 6 腳：E(或 EN) 端為使能 (enable) 端。第 714 腳：D0 D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)端。第 15 16 腳：空腳或背燈電源。 15 腳背光正極， 16 腳背光負(fù)極。1602通過 D0D7的 8 位數(shù)據(jù)端傳

40、輸數(shù)據(jù)和指令。顯示模式設(shè)置：(初始化 )0011 0000 0 x38 設(shè)置 162 顯示， 57點(diǎn)陣， 8 位數(shù)據(jù)接口；顯示開關(guān)及光標(biāo)設(shè)置：(初始化)0000 1DCB D顯示(1 有效)、 C 光標(biāo)顯示 (1 有效)、 B 光標(biāo)閃爍 (1 有效)0000 01NS N=1( 讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針加1 & 光標(biāo)加 1)，N=0( 讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針減1 &光標(biāo)減 1)，S=1 且 N=1 (當(dāng)寫一個(gè)字符后，整屏顯示左移)；S=0 當(dāng)寫一個(gè)字符后，整屏顯示不移動(dòng)；數(shù)據(jù)指針設(shè)置：數(shù)據(jù)首地址為80H ，所以數(shù)據(jù)地址為80H+ 地址碼(0-27H ，40-67H) ；其他設(shè)置： 01H( 顯示清屏，數(shù)據(jù)指針 =0，所有顯示 =0)；02H( 顯示回車，數(shù)據(jù)指針 =0)。第4章軟件設(shè)計(jì)介紹接觸式 IC 卡讀寫器的程序設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的所有程序用C51 語言編寫14，由主程序和子程序組成。 其中子程序包括比較校驗(yàn)數(shù)據(jù)子程序、插卡子程序、顯示中斷子程序。4.1 keil KEIL C51標(biāo)準(zhǔn) C 編譯