ic卡讀寫器設計與應用

1、基于PIC單片機的IC卡讀寫器設計與應用本設計的主要目的是介紹IC卡的數據存儲技術和IC卡的數據通信，因此使用存儲器卡。由于本設計中既可與IC卡進展串行同步通信，又要與上位機進展中行異步通信，因此需要選 擇一種同時具有這兩種通信方式的單片機。因為 PIC16F877不僅具有本設計所需要的兩種通信方式，而且還具有運行速度快、低功耗、價格低等優(yōu)點，所以選擇PIC16F877單片機作為本設計的單片機。圖1是本設計的電路圖，圖中電源變換電路和發(fā)光二極管等指示電路沒有畫出。圖中 的二極管電路是單片機與 IC卡通信數據線的保護電路。當數據線上的電壓為負電壓時，與 地相連的二極管導通；當數據線上的電壓大于5

2、V時，與5V相連的二極管導通， 從而保證數據線上的電壓在 0V5V之間，保護單片機和IC卡不受損壞。圖中單片機的15腳和23 腳分別與IC卡的輸出引腳3和4相連。由于IC卡的輸出電壓為 CMOS電平，而單片機可 以正確的識別IC卡的輸出信號，需要加上拉電阻。1 SPI 工作方式串行外圍設備接口 SPI Serial Peripheral Interface 總線技術是Motrola 公司 推出的一種同步串行接口。 SPI 總線是一種三線同步總線， 因其硬件才能很強， 與 SPI 有關的軟件就相當簡單，使CPU 有更多的時間處理其它事務，因此得到廣泛應用。SPI 形式允許 8 位數據同步發(fā)送和接

3、收， 支持 SPI 的所有四種方式。 SPI 形式傳輸數據需要四根信號線：串行數據輸出 SDO 線、串行數據輸入 SDI 線、串行時鐘 SCK 和從選擇 SS 。其中，從選擇線只用于附屬形式。SPI 主形式由于控制時鐘 SCK 的輸出，主形式可以在任何時候開始傳輸數據。主形式通過軟件協(xié) 議控制從形式的數據輸出。在主形式中， 一旦 SSPUF 存放器寫入， 數據就會發(fā)送或接收。 在接收數據時， SSPSR存放器按照時鐘速率移位，一旦接收到一個字節(jié)，數據就傳輸到 SSPBUF ，同時中斷標志 位和狀態(tài)標志位置位。時鐘的極性可以通過編程改變。在主形式中，時鐘 SCK 的頻率可以設置為： fosc/4

4、（ 即Tcy） 、 fosc/16（ 即 4Tcy） 、 fosc/64（ 即 16Tcy） 和定時器 2 Timer2 輸出的二分頻等四種。在芯片時鐘為20MHz 時， SCK 的最大頻率為 5.0MHz 。在本設計中，使用的就是SPI 主形式，由單片機控制時鐘 SCK 的輸出。當向 IC 卡中寫數據時， 隨時可以發(fā)送數據； 當讀 IC 卡內的數據時，先要發(fā)送任意一個數據此時IC 卡不處于寫入狀態(tài)，不會接收該數據， 給 IC 卡提供輸出數據的時鐘，然后再接收IC 卡發(fā)出的數據。其時序如圖 2 所示。發(fā)送和接惦的數據均為 6FH $dkTjrLrLrL_rL_rm_rL_rLSDO|8【1 L

5、II圖2假設要連續(xù)發(fā)送數據，那么每次將數據送到SSPBUF存放器后，都要判斷是否已經發(fā)送完該數據，即判斷 PIR1存放器的SSPIF位是否為1。假設SSPIF位為1,那么說明數 據已經發(fā)送完畢，可以繼續(xù)發(fā)送下一個數據。但此時還不能立即發(fā)送下一個數據，因為SSPIF位必須在程序中由軟件清零，只有將SSPIF位軟件清零后，才能繼續(xù)發(fā)送下一個數據。SPI從形式在SPI從形式，數據的發(fā)送和接收領先SCK引腳上輸入的外時鐘脈沖，當最后一位被鎖存后，中斷標志位 SSPIFPIR1的D3位。在休眠形式，從形式仍可發(fā)送和接收數據， 一旦接收到數據，芯片就從休眠中喚醒。 假設采用SS控制的從形式，當SS引腳接到

6、VDD 時，SPI形式復位；假設 彩CKE=1控制的從形式，必須開放 SS引腳控制。在本設計中，由于IC卡是存儲器卡，不能提供時鐘信號，因此不能采用從形式，只能 采用主形式，由單片機控制時鐘信號。單片機的SPI方式初始化程序如下:MOVLW20H;將20H送到累加器MOVWF SSPCON ;將累加器中的數送到 SSPCON存放器BSF STATUS ， RP0 ；將定 RAM 區(qū)的第 1 頁BCF SSPSTAT ， SMP ；將 SSPSTAT 存放器的 SMP 位置 0BSF SSPSTAT ， CKE ；將 SSPSTAT 存放器的 CLK 位置 1BCF TRISC ， 3 ；將端口

7、 C 的第 3 位設置為輸出BCF TRISC ， 5 ；將端口 C 的第 5 位設置為輸出其中，上述第1 、 2 行程序是配置控制存放器，將SPI 方式配置為主控形式，時鐘頻率為單片機時鐘頻率的 1/4 ，并將時鐘的高電平設置為空閑狀態(tài)。第 3 行程序為換頁指令，將指針轉到第1 頁。因為 PIC16F877 單片機的數據存儲器是分頁的，而所要操作的存放器在第 1 頁，因此要用換頁指令將指針到第 1 頁。第 4、 5行程序是配置狀態(tài)存放器，將SPI方式設置為數據輸出時鐘的中間采樣，時鐘 SCK 的上升沿觸發(fā)。第6 、 7 行程序那么是將RC 口的 RC3 和 RC5 設置為輸出。2 USART

8、 方式通用同步異步接收發(fā)送模塊 USART 是兩個串行通信接口之一， USART 又稱為 SCI Serial Communication Interface 。 USART 可以設置為全雙工異步串行通信系統(tǒng)，這種方式可以與個人計算機PC 或串行接口 CRT 等外圍設備進展串行通信：也可以設置為半雙工異步串行通信系統(tǒng)，與串行接口的 A/D 或 D/A 集成電路、串行EEPROM 等器件連接。USART 是二線制串行通信接口，它可以被定義如下三種工作方式：全雙工異步方式、半雙工同步主控方式、半雙工同步從動方式。為了把 RC6 和 RC7 分別設置成串行通信接口的發(fā)送/時鐘TX/CK 線和接收/數

9、據 TX/DT 線，必須首先把SPEN 位 TCSTAT 的 RD7 和方向存放器 TRISC 的 D7 ： D6置1。USART 功能模塊含有兩個8 位可讀/寫的狀態(tài)/控制存放器，它們是發(fā)送狀態(tài)/控制存放器 TXSTA 和接收狀態(tài)/控制存放器TCSTA 。USART 帶有一個 8 位波特率發(fā)生器BRG Bau d Rato Generator ，這個 BRG 支持USART 的同步和異步工作方式。用 SPBRG 存放器控制一個獨立的 8 位定時器的周期。在異步方式下，發(fā)送狀態(tài)/控制存放器TXSTA 的 BRGH 位即 D2 也被用來控制波特率在同步方式下忽略BRGH 位。向波特率存放器 SP

10、BRG 寫入一個新的初值時，都會使BRG 定時器復位清零，由此可BRG 不需要等到定時器溢出后就可以輸出新的波特率。對 USART 方式進展初始化的程序如下：BSF STATUS ， RP0 ；將指針指向數據存儲器的第1 頁MOVLW 0 x19MOVWF SPBRG ；設置波特率為 9600BCF STATUS ， RP0 ；將指針指向數據存儲器的第0 頁CLRF RCSTA ；將接收控制和狀態(tài)存放器清零BSF RCSTA ， SPEN ；串口允許CLRF PIR1 ；去除中斷標志BSF STATUS ， RP0 ；將指針指向數據存儲器的第1 頁CLRF TXSTA ；將發(fā)送控制和狀態(tài)存放器

11、清零BSF TXSTA ， BRGH ；設置為異步、高速波特率BSF TXSTA ， TXEN ；允許發(fā)送BCF STATUS ， RP0 ；將指針指向數據存儲器的第0 頁BSF RCSTA ， CREN ；允許接收初始化完成后，即可發(fā)送或接收數據。在發(fā)送或接收數據時，通過查詢發(fā)送 / 接收中斷標志位即可判斷是否發(fā)送完一個數據/接收到一個數據。發(fā)送/ 接收中斷標地不需要也不有用軟件復位。在異步串行發(fā)送的過程中，只要TXREG 存放器為空，中斷標志TXIF 就置位。因此，TXIF 為 1 并不是發(fā)送完畢的標志，但仍可以用 TXIF 標志來判斷。因此當 TXREG 為空時，將數據送入后， 數據會保

12、存在 TXREG 存放器中， 直到前一個數據從發(fā)送移位存放器中移出，即前一個數據發(fā)送完。3 IC 卡IC 卡是集成電路卡 Integrated Circuit Card 的簡稱，有些國家和地址稱其為智能卡Smart Card 、芯片卡 Chip Card 。國際標準化組織 ISO 在 ISO7816 標準中規(guī)定，IC 卡是指在由聚氯乙烯PVC 或聚氯乙烯酸脂PVCA 材料制成的塑料卡內嵌入式處理器和存儲器等IC 芯片的數據卡。近年來，由于導半體技術的進步，集成化程度和存儲器容量有了很大進步，并使CPU 和存儲器集成在一個芯片上，從而進步了數據的平安性。在本設計中， IC 卡采用的是AT45DB

13、041B-SC 芯片，該芯片的特點如一下：? 單一的2.7V3.6V電源；? 串行接口構造；? 頁面編程操作，單一的循環(huán)重復編程擦除和編程， 2048 頁每頁 264 字節(jié)主 存；? 兩個 264 字節(jié)的 SRAM 數據緩存，允許在重編程非易失性存儲器時接收數據；? 內置的編程和控制定時器；? 低功耗，4mA有源讀取電流，211A CMOS備用電流；? 15MHz 的最大時鐘頻率；? 串行外圍接口方式 SPI 形式 0 和 3 ；? CMOS 的 TTL 兼容的輸入和輸出；?5.0V 可承受的輸入， SI 、 SCK、 CS 低電平有效、 RESET 低電平有效。在本設計的調試過程中， 曾測試

14、過 IC 卡的輸入輸出電平， 結果證明這種 IC 卡的輸入電平與 TTL 兼容，而輸出電平與TTL 不兼容。4 IC 卡的電源提供電路在本設計中，由于IC卡的電源電壓范圍為2.73.6V,而PIC單片機需要的電源為5V ，而且穩(wěn)壓源提供的電壓也是5V ，因此，要設計一個穩(wěn)壓模塊，給IC 卡提供 3V 左右的電壓。設計電路如圖 3 所示。+5VQ-十OJ M F =r=卜 GNDA心ZZI3.9k。VmADJ200 04-9013該電路的主要元件為 LM317芯片，它是三端可調集成穩(wěn)壓器，輸出電壓為1.2537V范圍內可調。當其 Vin端的輸入電壓在240V范圍內變化時，電路均能正常工作，輸出端

15、 Vout和調整端ADJ間的電壓等于基準電壓 1.25V。該芯片內的基電路的工作電流IREF很小，約為50pA,由一個恒流性很好的恒流源提供，所以它的大小不受供電電壓的影響，非 常穩(wěn)定。在圖3中，B點為電壓輸出端，為IC卡提供電壓。A點為控制端，與單片機的一 個端口引腳相連，當該引腳為低電平時，三極管 Q1不工彳B點輸出電壓約為3.15V;當 該引腳為高電平時，三極管Q1工作，B點輸出電壓約為1.25V。在程序中查詢IC卡插座中是否有IC卡，當有IC卡時，將A點所連的單片機引腳設置為低電平，從而為 IC卡提供 電源；當沒有IC卡或對IC卡的操作完畢時，將 A點連的單片機引腳設置為高電平，從而

16、不名IC卡提供電源。IC卡的上電和下電程序如下。IC卡上電子程序IC卡下電子程序POWERO N POWEROOFBSF STATUSRP0 BSFSTATUSRP0BCF TRISE ， 0 BCF TRISE ， 0BCF RTISE ， 1 BCF TRISE ， 1RP0BCF STATUS ， RP0 BCF STATUSBCF PORTE ， 0 BSF PORTE ， 0BCF PORTE ， 1 BSF PORTE ， 1CALL DLYTIM CALL DLYTIMRETURN RETURN在本設計中，單片機與 IC 卡通信的主程序流程圖如圖 4 所示。（開始）單片機初始化1C卡上刖延時子程序6憶卜卜電5與PC機的通信在本設計中，有PIC單片機與PC機串行通信的功能。由于本設計所用的單片機 PIC16F877 有USART方式，該方式可將 C 口的RC5和RC7設置成異步串行通信形式， 因此在本設計中，與 PC機的通信模塊電路就比較簡單。將單片機C 口的RC6和RC7設置為異步串行通彳t形式，經過MAX232A芯片進展電平轉換后，將 TTL電平轉換為RS232電平，再與DB9接口相連，即可實現(xiàn)通信。在 PC機端，可以用 VC等編程工具根據通信 協(xié)議編寫