基于PIC單片機的IC卡讀寫器的設(shè)計

1、基于 PIC 單片機的 IC 卡讀寫器的設(shè)計何建平,楊向萍(東華大學機械學院,上海 200051jphe摘 要 :本文介紹了以 PIC16C74單片機為核心的 IC 卡讀寫器的系統(tǒng)設(shè)計,系 統(tǒng)實現(xiàn)了 IC 卡及外部存儲器的讀寫、 PC 機與單片機的串行通訊、 硬件上實現(xiàn)了 串口供電的工作方式,系統(tǒng)具有實用性強穩(wěn)定性高等特點。關(guān)鍵詞 :PIC 單片機; IC 卡讀寫;串行通訊;串口供電IC(integrated circuit card 卡在當今社會被廣泛應用,除在金融系統(tǒng)外, 在非金融系統(tǒng),如在交通領(lǐng)域中的駕駛員執(zhí)照卡、停車收費卡、公共交通設(shè)施的 自動收費卡及公共交通工具的自動收費卡,在醫(yī)療保

2、健、個人身份識別、預收費 儀表、校園及消費娛樂領(lǐng)域中也得到了具體的應用。隨著時間的推移,IC卡的應 用將會越來越廣泛。 它給人們的工作和生活帶來極大的方便,相信在不遠的將來, IC卡會真正走進我們的工作和生活中。 在使用IC進行信息交流的過程中離不開IC 卡讀寫器,IC卡讀寫器就是能將數(shù)據(jù)信息寫入IC卡或?qū)C卡內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息讀入 或擦除的電子接口設(shè)備。 IC卡讀寫器的性能將直接影響讀寫的可靠性、 準確性和 實用性。1.IC卡讀寫器功能要求本設(shè)計IC卡讀寫器是一種接觸式邏輯加密卡的讀寫器,IC卡選用Siemens公 司的SLE4442卡,它是具有加密邏輯的2kbit EEPROM卡,具有以下主

3、要特點: 3字節(jié) 密碼,密碼有效后才能更改數(shù)據(jù);連續(xù)三次密碼給錯則卡自毀;特定的存儲區(qū)寫保 護;使用密碼移交方式來保護卡移交的安全性;器件保證1萬次讀寫循環(huán),10 年數(shù) 據(jù)保存期。設(shè)計的IC卡讀寫器主要有如下特點與功能。(1此讀寫器須完成IC卡和外部存儲器的讀寫功能。(2 提供相應外部控制信息,與PC機進行信息的交換, 實現(xiàn)PC機對讀寫器的控制。(3在硬件上采用串口供電的方式工作,實現(xiàn)了實用性強、穩(wěn)定性高的特點。 2.硬件電路設(shè)計2.1微處理器芯片的選用本讀寫器是以美國Microchip公司生產(chǎn)的 PIC16C74單片機為核心展開設(shè)計的。 該單片機具有低功耗、低工作電壓、高性能、高速度、全靜態(tài)

4、、較強的引腳直接 驅(qū)動能力等特點。 由于采用哈佛 (Harvard 雙總線結(jié)構(gòu)和兩級指令流水線結(jié)構(gòu), 使指令執(zhí)行和取指操作重疊進行, 因而可以達到很高的執(zhí)行速度。 該系列單片機 只有35條單字節(jié)指令,除跳轉(zhuǎn)指令是2周期指令外,其它指令都是單周期指令。這 與其它的8位單片機相比節(jié)省了1/2的程序空間,并且具有41的速度優(yōu)勢。 PIC16C74有4K 14的程序存儲器,192個字節(jié)的數(shù)據(jù)寄存器,22個I/O口,3個定時/計數(shù)器及2個捕捉/比較/PWM模塊,2個串行口,A/D轉(zhuǎn)換器具有5路模擬量輸入端, 還有時鐘、復位、看門狗定時器等。該單片機在靜態(tài)時處于低功耗休眠狀態(tài)。當 接收到喚醒脈沖,單片機才

5、由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)。在本系統(tǒng)中,單片機采用I 2C傳輸方式和IC卡通信,采用RS232串行通信的方式 和PC機通信,這可以使硬件電路得到簡化,并提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.2主電路的設(shè)計與分析IC卡讀寫電路IC卡選用Siemens公司的SLE4442卡, PIC 單片機通過IC卡讀寫接口電路完成對IC卡信息的讀寫。IC卡接口電路有8個引腳,當卡插入卡座時,正好與這幾個引 腳相連,另外,卡座上設(shè)有一個卡插入檢測開關(guān)。 當有卡插入時,改變開關(guān)的狀態(tài), 向PIC單片機的RC2口發(fā)送一低電平信號,使單片機產(chǎn)生中斷對IC卡中數(shù)據(jù)進行讀 寫。對IC卡的操作是通過串行同步時鐘引腳RC3/SCL,串行數(shù)據(jù)輸入

6、/輸出端 RC4/SDA及復位引腳來完成的。為防止IC卡帶電插拔影響使用壽命,在電源和 圖 1 主電路VCC引腳間接有三極管,可以提供IC卡工作所需的電流。在插卡后,單片機通過軟 件把RA3引腳置為高電平,使IC卡上電。同理,在拔卡前,單片機也會把RA3引腳置 為低電平,使卡掉電。為了保證系統(tǒng)的實用性,電路中還采用了報警電路。 存儲器讀寫電路本系統(tǒng)的E 2PROM為美國Microchip公司生產(chǎn)的24LC02B芯片,其存儲容量為 256字節(jié),采用二線I 2C串行總線協(xié)議與PIC單片機通信。 該芯片采用低功耗CMOS工 藝制造,可以在無電源狀態(tài)下長期可靠存儲系統(tǒng)內(nèi)重要數(shù)據(jù),工作壽命可達106次。

7、如圖1所示,對E 2PROM進行讀寫操作時,SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳,SCL為 串行同步時鐘輸入端。 當IC卡插入系統(tǒng)時,卡內(nèi)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)將存儲在24LC02B芯片 中,從而實現(xiàn)了重要數(shù)據(jù)的備份,提高了讀寫器的可靠性與穩(wěn)定性。串行通訊電路由于PC機的串口電壓為 12V,而PIC單片機的工作電壓為5V, 所以需MAX232A 接口芯片實現(xiàn)TTL與RS232電平轉(zhuǎn)換, 采用簡單的3線制通信方式。通信電纜采用 屏蔽3芯電纜。2.3串口供電電路的設(shè)計與分析PC機的串口采用的是RS-232C通用串行總線標準, 常用的信號線主要有:TXD 發(fā)送數(shù)據(jù)、RXD 接收數(shù)據(jù)、GND 信號地,RTS發(fā)送請求、D

8、TR 數(shù)據(jù)終端就緒。DTR 和RTS是串口兩根符合RS-232標準的輸出線,這兩根控制線在串口打開時被置高 電平(+12V,RS-232C標準,關(guān)閉時設(shè)成低電平,因此它有能力在高電平(+12V時對外輸出5mA電流,如果讓DTR和RTS并聯(lián)對外供電,那么可向外設(shè)提供120Mw的功率。用DC-DC變換器將+12V電壓變?yōu)?5V或+3.3V,則可對外提供的一定的電 流, 能滿足一般簡單外設(shè)的需求, 如圖2所示。 本設(shè)計的DC-DC變換器選用廉價的 7805,其效率為40%,能夠滿足本讀卡器的要求。 圖 2 串口供電電路3. 軟件的設(shè)計IC 卡的復位及讀寫操作同步型IC卡的復位符合ISO7816-3標

9、準,其時序見圖3所示,其它模式下的時序 請參見Siemens公司的SLE4442型芯片手冊 。 圖 3 ISO 7816-3 標準復位及復位相應的關(guān)系復位可以在操作期間的任意時候進行,當RST線從高狀態(tài)(H狀態(tài)置到低狀態(tài)(L狀態(tài)時,I/0線上輸出第一個數(shù)據(jù)位(LSB連續(xù)輸入32個時鐘脈沖,主存儲器的前 四個字節(jié)地址中的內(nèi)容輸出,對于SLE4442型IC卡,固定為A2 13 10 91,這是德國 西門子公司在卡片出廠時固化在主存儲器內(nèi)前四個字節(jié)中的數(shù)據(jù), 作為廠家和卡 型的標識,開發(fā)者可以以此來判斷復位是否正確。在第33個時鐘脈沖的下降沿, I/0線被置成高狀態(tài),芯片等待命令。PIC匯編語言編制

10、的復位程序如下: RESETICBSF RA,POWCALLDELAY10USBCFRA,POWBCFRC,RSTBCFRC,CLKCALLDELAY10USBSFRC,RST;IC卡復位CALLDELAY10USBSFRC,CLKCALLDELAY10USBCFRC,CLKCALLDELAY10USBCFRC,RSTRETURN邏輯加密存儲型IC卡的讀操作不受 “可編程加密代碼” 校驗的控制,復位之后, 芯片等待命令,便可以進行讀操作了,對IC卡的任何擦除和寫入操作,都必須在 圖 4 讀卡程序流程圖 圖 5 寫卡程序流程圖與 PC 機的通信下位機軟件具有與 PC 機和 IC 卡數(shù)據(jù)交換的底層

11、協(xié)議, 不會獨立地對 IC 卡進行 任何讀寫操作, IC 卡讀寫器的讀寫操作由上位 PC 機控制,通過串行通信的命令 來實現(xiàn)。 讀卡器與 PC 機以 ASCII 碼形式傳送數(shù)據(jù), 其中包括了同步、 數(shù)據(jù)段開始、 數(shù)據(jù)段結(jié)束、數(shù)據(jù)接收錯誤等數(shù)據(jù)信息。PC 機在檢測到與下位機建立連接后才開始發(fā)送相應的命令。 首先檢測下位機 是否空閑, 在接收到下位機回復的空閑信號后, 發(fā)送數(shù)據(jù)段開始命令。 數(shù)據(jù)段開 始與結(jié)束信號之間包含了需要傳送的數(shù)據(jù), 為了保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性, 每傳輸 一位數(shù)據(jù)后, 會接著傳輸相應數(shù)據(jù)的反碼作為校驗。 下位機按照程序所約定的數(shù) 據(jù)傳輸格式對數(shù)據(jù)進行拆分, 如果在拆分過程中出現(xiàn)

12、數(shù)據(jù)格式等錯誤就回送一個 數(shù)據(jù)格式錯誤信號,要求 PC 機重新發(fā)送。下位機發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)采用相同 的規(guī)則。操作流程如圖 6所示: 圖 6 PC機控制流程圖4結(jié)束語本系統(tǒng)的設(shè)計基本滿足多種方案的要求 , 在軟硬件設(shè)計過程綜合考慮了可靠 性、通用性和實用性設(shè)計 , 本系統(tǒng)不僅解決了接觸式 IC 卡系統(tǒng)因隨意插拔卡容易 造成系統(tǒng)死機的問題 , 而且也實現(xiàn)了串口供電的實用性設(shè)計,打開串口便可工 作,使得系統(tǒng)操作更為方便;同時實現(xiàn)了 PC 機對讀卡器的控制,提高了系統(tǒng)的 擴展性,能夠應付多種多樣的較復雜的環(huán)境 , 具有一定的實用價值。參考文獻 1 竇振中. PIC 系列單片機原理及程序設(shè)計M . 北

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