基于89C51单片机的接触式IC卡读写控制系统设计毕业设计论文.docx
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基于89C51单片机的接触式IC卡读写控制系统设计毕业设计论文
学号：
毕业设计（论文）
题目：
基于89C51的接触式IC卡读写控制系统设计
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摘要
在IC卡管理应用系统中，作为IC卡数据读写的终端IC卡读写器是必不可少的。
IC卡读写器除了完成基本的IC卡数据读写功能外，还要完成数据收集传送、控制命令输入和显示输出、提供上位机控制管理接口和数据加密处理等等功能。
本文主要介绍了一种IC卡读写终端的设计，IC卡读写终端是一个单片机嵌入式应用系统。
论文介绍了实现IC卡数据存储的控制方法，并以西门子公司的SLE4442型逻辑加密卡为基础，详细介绍了单片机控制IC卡数据读写的软、硬件实现方法。
关键词：
单片机；IC卡；控制系统
ABSTRACT
BeinginterfacedeviceofICcards,theICcardread-writeterminalisnecessaryinallICcardinformationmanagementsystems.BesidesfulfillingthebasefunctionofICcarddatareadingandwriting,ICcardread-writeterminalsalsoneedotherfunctionssuchascollectingdatatransferring,usercommandinputtinganddisplaymessageoutputting,controlinterfaceproviding,dataencryptingandsoon.Todesignaread-writeterminalwithneededfunctionsandexcellentperformanceisakeytocomposinganefficientICcardmanagementapplicationsystem.ThispaperintroducesthedesigningofatypeICcardread-writeterminalmainly.TheterminalisaMCUembeddedapplicationsystem.ThepaperhasintroducedthereadingandwritingtechniqueofICcarddata.ThepaperhasspecifiedthesoftwareandhardwarerealizationofICcarddatareadingandwritingonthebaseofSLE4442whichisakindofSmartCardwithSecurityLogicmadebySIEMENS.
Keyword:
Microcontrollerunit;ICcard;Controlsystem
图表目录
第一章绪论
1.1引言
IC卡是利用安装在卡中的集成电路（IC）来记录和传递信息，是一种将个人信息有效地送入信息网络并获得所需结果的有效办法。
IC卡与磁卡相比，具有存储容量大，可靠性和安全性高等特点，在应用上除了覆盖磁卡的全部应用范围以外，还提供了许多磁卡所不具备的应用特性。
正是这些特性，使IC卡在脱机业务处理和联网数据一致性等方面表现出前所未有的优势。
因此IC卡将逐渐代替磁卡广泛应用于金融和商贸等信息管理领域，其本身有着广阔的发展前景。
1.2IC卡的发展和使用情况
卡片是作为个人身份识别的手段而引进的，而作为交易凭证的一片则早在19世纪80年代就萌芽于英国了，1950年，美国商人设计了第一张现代的塑料信用卡，1951年美国富兰克林银行作为金融机构率先发行了信用卡，到60年代中期，人们在塑料金融交易卡的背面贴上磁条，发展成为能够自动读取信息进行在线处理的磁卡，磁卡因为结构简单，价格低廉，得到迅速推厂，IC卡是近年从欧洲开始出现的，IC卡具有突出的3S特点，即Standard（国际标准化）、Smart（灵巧智能化）、和Security（安全性）。
因而发展迅速，在金融、通讯、交通等众多领域中后来居上，即使那些磁卡己经普及应用的范围也将被取而代之。
IC卡不仅改变了现有多种卡的使用方法和功能作用，还不断开创出新的应用领域。
将IC卡和其他设备组成系统就能提供非常丰富的服务功能，把这些功能与生产或流通领域有机地结合起来，将出现令人意想不到的奇迹，创造出巨大的经济和社会效益。
随着信息技术的发展，IC卡作为一种先进的信息存储介质，它的应用已经渗透到各国的经济、社会生活、军事等各个方而，将来更有着广阔的发展空间。
IC卡的应用在国外发展很快。
法国作为IC卡的诞生地，也是IC卡应用的先驱。
据Innovation国际发明组织的统计，1988.10至1989.9全世界IC卡硬件产品中，IC卡及读写器产量分别为4200万张和87700台，其中法国分别占98%和71%，处于领先地位。
现在，法国在IC卡应用的广泛程度和普及性方而也都处于先进行列。
美国是信用卡的发源地，拥有两家最大的发卡组织Master和VISA,1993年仅Master卡和VISA卡的发卡量即达6.6亿张，消费额达8250亿美元。
当前，金融中已开始用IC卡取代磁卡。
在美国，IC卡还成功应用在校园，交通部门，身份验证，作战指挥等领域。
德国的德意志银行从93年5月起，为它的160万客户提供了智能卡，持卡者不仅可以在德意志银行国内1400个ATM机中提款，还可在17000个其他银行的ATM机中提款，并且还适用于全欧4万个ATM机。
德国从94年年底开始，还把使用了近100年的医疗证退役，由智能IC卡取代。
在港台方面，台湾发展IC卡不仅在于台湾本身的应用，还在于要发展成为世界上最重要的IC卡生产基地。
金融IC卡将把公共汽车卡、加油卡、停车卡、家庭/企业银行卡、自动售货卡五者结合成为五合一卡。
香港是世界上三大金融中心之一，信用卡的发卡量超过500万张，平均每人0.4张以上。
香港有两大ATM自动提款及网络，汇丰系统有1300台ATM机，银通系统有1000余台ATM机。
另外还有大大小小80个网络支持着300万台阅读器组成的信用卡/储蓄卡网络。
可以看到我国的一些领域，如电信、交通、医疗等等部门，使用IC卡也己经很普遍，很多单位也已经使用IC卡来进行人员和财务管理。
在金融上我国还基本上是使用磁卡，但是由于IC卡的诸多优点，在不久将来用IC卡取代磁卡己经是必然趋势。
1993年7月我国电子工业部协同银行、邮电及有关部门提出了命名为“金卡”的专项工程，总目标是:
用10年左右的时间，在个国400个大中城市及部分经济发达县区推广使用卡基支付工具，在这些覆盖了3亿城市人口的地区，发卡总量要达到2亿张，年交易额达到一万亿元。
预计在未来的十年中，按金卡工程的总目标为2亿张卡估算，如果到2005年，在3亿城市人日中推广信用卡，若人均一张就是3亿张卡，IC卡所需芯片达3亿张。
若ATM的应用达到台湾当前水平，全国就需要4.5万台ECR和POS，在全国大、中型市场的配备率如要达20%，则至少需要200万台，而这些设备的寿命仅3-5年，十年之需至少在500万台以上，专家们预测在未来十年间，金卡工程对电子产品、软件产业的需求，将提供1000亿元以上的市场，这对我国电子信息产业既是机遇也是挑战，更是巨大的推动力。
1.3IC卡应用技术
IC卡比磁卡存储容量大，可靠性和安全性高，在应用上除了覆盖磁卡的全部应用范围以外，还提供了许多磁卡所不具备的应用特性。
正是这些特性，使IC卡在脱机业务处理和联网数据一致性等方面表现出前所未有的优势。
IC卡虽然有很强的功能，但仅当IC卡加入到应用系统中，构成发行商、应用系统和持卡人之间的数据传输媒介时，才能有效地发挥其优势。
一个好的IC卡应用系统，应具备良好的应用特性和性能价格比，还要有好的安全特性。
IC卡最初是为了解决金融交易中的安全性问题而设计的，它带来全新的交易概念与巨大的优势。
很快，这一优势也为其他应用部门所看中，使之广泛应用于电话、医疗保健、路禁控制和门锁控制等等系统中。
随着时间的推移，应用范围还在不断扩大，使用IC卡的数量呈几何级数增长。
同时，为了不同应用场合的需求，IC卡制造商们人在不断地向市场推出新的IC卡，IC卡的价格将随着使用量的增加而逐年下降，所有这些，无疑又会大大推进IC卡在各个领域的普及。
IC卡在应用中的技术优势在于良好的机器读写能力、共同认可的安全防范技术和相对较大的数据存储能力：
1.良好的机器读写性能便于人机卡之间的会话
IC卡是一种电路卡，它在机器读写性能上远优于磁卡和光卡，无需往复的机械动作即可完成人机卡之间的多次会话过程，使卡在应用时更容易进行操作与相互验证，给卡的应用开发者和使用者都带来了极大的便利。
2.良好的安全防范技术是卡能够脱离网络使用
IC卡采用了为国际上各种开发者与使用者所共同认可的半导体密码存放于软件加密技术，它可以有效地阻止卡的非法复制与数据的篡改。
应用设备可以在脱离网络的情况下，不需要人工干预，即可对IC卡进行鉴别，以确定该卡是否是本系统所许可的，是否可在该应用场合中使用等。
通过持卡人输入PIN，与卡内一组密码比较，可以确认持卡人的身份。
这些特点使IC卡能成为传导媒体，再加上认证和数据加密等功能，使卡能够脱离网络使用。
3.大容量的数据存储能力使IC卡成为数据媒体
在一个应用系统使用中，系统必须对所有持卡人建立一份身份与使用的档案。
在磁卡系统中，这组档案存放在中心数据库系统内，持卡人每次使用都需通过终端，以网络形式从数据库系统中提出那份与自己相关的档案。
现在IC卡的存储能力增加了，这份相关信息可以存放在IC卡中，终端设备交易的实时性明显改善，使用的灵活性也大大增加。
IC卡三大特点的结合，构成了IC卡应用的强大优势，它一方面降低了对网络的依赖程度，提高了相应速度；另一方面对发行商、应用商和持卡者三方面的利益提供了有效的保护手段，解决了以前所难于解决的关键问题，为IC卡的广泛应用铺平了道路。
IC卡应用范围相当广泛，这里仅根据现有的应用提供部分应用领域：
1.应用于金融领域，可以作为信用卡、现金卡、证券卡或电子资金转账卡等。
2.可以作为身份证明卡使用，如身份证、驾驶执照、会员卡等。
3.在医疗、保健等领域，IC卡可以用于健康卡、少儿疫苗卡、就诊卡等。
4.在商业及服务领域，可以用IC卡作为优惠卡、结算卡、服务卡等。
5.在交通领域，可以用IC卡取代公交或地铁月票，可以改变原有对月票的当月有效限制为有效次数限制。
还可用于公路付费和停车付费等场合。
6.IC卡电话卡，这是至目前为止IC卡用量最大的一种应用。
用IC卡公用电话替代磁卡电话与投币电话即可杜绝欺诈行为，又可省去携带零钱所带来的麻烦。
此外，IC卡在数字移动通讯网中，以身份卡及保密卡方式投入使用，避免了因冒用用户电话号码给用户带来的损失，是通讯行业中一个成功的应用。
7.IC卡在门禁系统、设备使用等情形中，以钥匙卡的形式出现，使“锁”有了新的一个层次定义。
8.IC卡还可集各种服务功能于一身，如企业的员工卡、校园“一卡通”等即属此类，持卡人可以用卡进行考勤、开门、就餐、借阅图书等。
第二章SLE4442卡接口电路和读写控制
2.1接触式IC卡的接口电路和一般控制
IC卡的接口电路是连接IC卡与读写机具的通路，由它实现对IC卡的供电，并满足不带电插拔的要求。
2.1.1IC卡供电电路
IC卡接口设备中的IC卡供电电路应是一个相对独立于其他回路，并提供完善的过流保护措施的稳压电路，这是由于IC卡接口设备是一个独立于IC卡的设备，当有卡插入时，接口设备便开始向IC卡提供其所需的电力。
如果插入的是一张电源与地击穿的坏卡，或是一个金属片之类的物质，就会造成供电回路的短路现象，若IC卡接口设备中无过流保护回路，就会干扰整个设备的正常工作。
图2.1所示是供电电路示意。
图2.1IC卡接口设备的供电回路
2.1.2IC卡卡座接口电路
IC卡的逻辑接口电路一般采用集电极开路（OC）输出及非箱位保护式输入结构，如图2.2所示。
上拉电阻R源端与IC卡的供电电源相连接。
当IC卡处于供电状态时，整个接日电路接通，接口设备与IC卡间构成逻辑通路:
而当IC卡处于下电状态时，上拉电阻R的源端失去了供电，整个与卡接口的电路均处于不带电状态。
所有的IC卡接口部分都加入了箱位保护二极管，这些箱位二极管可以使各引脚上的电压严格地限定在-VD-VCC-VD之间（VD是挤位二极管的正向压降，通常为0.6V左右）。
这样，可以抑制由于线路干扰和逻辑电平变化的边沿产生抖动所带来的瞬问过压，为IC卡提供了进一步的保护措施。
图2.2IC卡的卡座接口电路
2.2SLE4442芯片
SLE4442是由德国西门子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加密代码存储器。
内部电压提升电路保证了芯片能够以单5V电压供电，较大的存储器容量能够满足应用领域的各种要求，是目前国内应用较多的一种IC卡芯片。
2.2.1芯片的特点
1.采用多存储器结构。
2.2线连接协议，串行接口满足ISO7816同步传送协议。
3.芯片采用NMOS工艺技术，每字节的擦除/写入编程时间为2.5MS。
4.存储器采用至少10000次的擦除/写入周期，数据保持时间至少为10年。
2.2.2芯片的引脚配置
芯片的引脚与国际标准兼容，表2.1是引脚的定义和功能说明:
表2.1芯片引脚功能
图2.3SLE4442芯片引脚图
2.2.3芯片的功能
SLE4442IC卡芯片主要包括三个存储器：
256×8位EEPROM型主存储器、32×1位PROM型保护存储器和4×8位EEPROM型加密存储器。
（1）主存储器:
主存储器为可重复擦除使用的EEPROM型存储器。
按字节寻址，擦除/写入。
在擦除时，一个数据字节的所有8位被全部置“1”。
在写入时，在EEPROM单元中的信息则根据输入的数据，按字位方式变换成逻辑“0”，（即在EEPROM中，新写入的数据与原来存在的数据进行“逻辑与”）。
通常，要改变数据需要先进行擦除，再进行写入两项操作。
如果在被寻址的字节中8位没有一个字位需要从0变为1，则可以不进行擦除处理。
反之亦然，在被寻址的字节中，如果没有一个字节需要从1变为0,则可以不做写入处理，写入或擦除操作一次至少耗费2.5ms时间。
主存储器的地址是从00H到FFH。
但主存储器可分为两个数据区:
保护数据区和应用数据区。
保护数据区是主存储器前32个字节数据区。
其地址是从0（00H）到31（1FH）。
这部分的数据读出不受限制，但擦除和写入操作均受到保护存储器内部数据状态的限制。
当保护存储器中第N位为0时，则对应主存储器中第N个字节就不允许进行擦除和写入操作。
故保护数据区一般均作为IC一片的标识数据区，存放一些固定不变的标识参数。
应用数据区为主存储器后224个字节。
其地址从32（20H）到255（FFH）。
这部分的数据读出不受限制，但擦除和写入受控于加密存储器数据校验比较结果的影响。
当需要修改应用数据区的内容时，必须首先输入一个3字节长的“校验字”。
这个新输入的“校验字”与原来存在在加密存储器中的“参照字”进行一对一的比较。
只有当两者完全一致时，芯片的加密控制逻辑才打开芯片的主存储器，允许后而的擦除和写入操作。
芯片允许在有限的次数内重试比较操作。
如果在连续三次比较失败之后，芯片的错误计数器计数到“0"，并将锁死主存储器，禁止随后的任何比较操作和写入擦除操作。
这时整个主存储器变成一个只读存储器。
芯片中各存储器的内容不能再改变。
（2）保护存储器:
保护存储器是一个32×1位的一次性可编程只读存储器（PROM）。
它是按字位方式寻址和写入。
保护存储器从0-32的每一位对应着住存储器地址从0到31的每个字节。
因此可以理解为每个字节单元的控制熔丝。
从出厂到被初始化之前，保护存储器的状态为全“1"。
从控制方面来说，保护存储器的内容只能从“1”写成“0"而不能从“0”擦除成“1"。
保护存储器每个被写“0”的单元所对应控制的主存储器的字节单元将不再接收任何擦除和写入命令，从而使得改字节单元的数据不可再改变。
从使用方面来讲，如果需要防止一些固定的标识参数被改动，不至于引起混乱，可以将这类参数先写入主存储器的保护存储区，然后将对应单元的保护存储器的字位写位“0"，从而使这一部分单元中的参数内容永远不可更改。
保护存储器本身的读出操作不受限制。
但对其写入操作仍然受到加密存储器比较校验操作结果的控制。
当输入的“校验字”与芯片内的“参照字”一致，则可以执行后续的写入操作。
如果比较不成功，则控制逻辑将闭锁保护存储器。
（3）加密存储器:
加密存储器是一个4×8位的EEPROM型存储器。
在这个存储器中，第0字节为密码输入错误计数器。
密码输入错误计数器的有效位是低3位。
在芯片初始化时，计数器设置成“111"。
这一字节是可读的。
每次比较密码时，先判断计数器中是否还有“1"。
如果还有“1"。
则将其中一个“1”写成“0"，然后进行比较“校验字”操作。
如果比较结果一致，密码错误计数器将允许进行擦除操作（芯片不能自动进行擦除操作），同时打开主存储器、保护存储器和加密存储器，并允许进行擦除和写入操作。
如果比较结果不一致，则密码错误计数器中为“1”的个数将减少一位。
只要计数器的内容不全为0，则芯片的比较“校验字”操作还允许进行。
当密码计数器减数为零，则芯片的存储单元将全部锁死。
加密存储器的第1，2，3字节为“参照字”存储区。
这3个字节的内容作为一个整体被称为可编程加密代码（PSC）。
值得注意的是:
这3个字节的内容在PSCEr较成功前是不可读的，只能进行比较操作。
而“写入、擦除”操作也受自身“比较”操作结果的控制。
只有当“比较”成功，加密存储器各字节内容才可以进行读出、写入和擦除。
第三章系统的软硬件实现
一个完整的IC卡读写终端除了完成基本的IC卡数据读写功能，还要提供其他功能。
独立型读写器要求可以脱离上位机独立工作，所以读写器要提供键盘和显示功能作为用户界面。
人机界面是用户是对设备进行操作和控制的接口，用户根据显示的提示，使用键盘输入命令，从显示得到设备输出的结果。
3.1读写终端整体结构设计
读写器相对于IC卡来说就是一种外部接口设备。
对一个具有一般功能的读写器来说，它必须有显示模块，输人模块以及其它辅助模块。
本文所介绍的IC卡读写器是通过使用智能芯片AT89C51及其外部接口来实现的。
它包括键盘输人模块，数码管显示模块，IC卡接口模块等。
其构成框图如图3.1所示。
图3.1读写器方框原理图
在本系统中，键盘输人模块电路简单，占用中央处理器端口少。
IC卡接口电路主要由IC卡片座构成，本系统的IC卡卡座是采用带滑动触点的卡座.它有一对常开触点，用来检测IC卡是否插人卡座。
这种拔插式卡座的优点是电路接触良好，通信可靠，但是不适于刷卡频繁的场合。
显示模块是通过数码管LED来显示。
AT89C51是一种低功耗，高性能的8位CMOS微控制器，它是整个读写器的核心，它内含有4k字节的闪电存储器（FLASHMEMERY）。
128字节RAM,32条I/O线。
两个16位定时/计数器，五源两级中断结构，全双工串行口。
片内振荡器及时钟电路等等。
这种器件是以ATMEL高密度不挥发存储技术制造，与工业标准MCS-51指令系统和引脚完全兼容片内闪电存储的程序代码或数据可在线写人，亦可通过常规的编程器编程。
本读写器系统的软件系统是采用的MCS-51的指令系统来进行编程的。
软件的工作原理是：
读写器上电复位之后，等待用户刷卡，一旦读写器检测到IC卡后，读写器开始读卡，读出卡号。
此时，用户可以通过键盘输人密码，然后，读写器系统开始校验密码，如果密码正确，则各种交易可以进行了。
如果不正确，本系统将允许用户有三次输入密码的机会，否则IC卡将永久损坏。
如果能进行各种交易，待交易完成之后将数据送往中央主机（读写器管理中心）。
这样一次交易完成，系统回到最初的等待状态。
3.2控制芯片AT89C51
AT89C51单片机在存储器结构上，严格地将程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）在空间上分开，并使用不同的寻址方式和地址指针。
ROM用来存放调试好的程序指令、常数及数据表格，RAM则用来存放少量的随机数据。
采用这种存储器结构主要考虑到单片机的控制特点，即需要较大的程序存储空间和较小的随机数存储空间。
由于集成度的限制，在单片机内的存储器容量不会很大，但允许用户在片外扩展存储器。
因此，CPU可以进行操作的存储器可分为内部程序存储器、外部程序存储器及内部数据存储器、外部数据存储器。
单片机芯片上集成了很多的元器件，需要的引脚就很多，但由于工艺和成品率等原因，芯片上的引脚又不能太多。
为了解决实际允许的引脚数和需要的引脚数之间的矛盾，单片机的引出线一般都设计为多功能型。
每条引线在某一时刻起什么作用，由指令和机器状态决定。
因此，单片机对外并不存在专用的数据总线和地址总线，而是采用分时复用技术来解决片外数据和地址的传送问题。
在单片机中，有21个颇具特色的特殊功能寄存器SFR。
要理解单片机的工作原理，必须对这些特殊功能寄存器的工作过程有清楚的了解。
正是由于有了SFR，才使一个只有40个脚封装的单片机系统的功能获得很大的扩充，并使I/O口在程序的控制下具有第二功能。
利用SFR还可以完成对定时/计数器、串行口和中断的控制。
单片机的另一个特点是在其内部有一个全双工的串行接口，在程序的控制下，串行口能工作于四种方式。
用户可根据需要将它设定为移位寄存器方式，以扩充I/O接口和外接同步输入、输出设备；或用作异步通信接口，以实现双机或多机通信。
因此，单片机能很方便地组成分布式控制系统。
最后，在单片机内部有一个能进行独立操作的位处理器，它有自己的累加器以及可寻址的RAM、特殊功能寄存器和I/O口，并设有专门的按位操作的指令。
利用这些功能，可以方便地进行组合逻辑设计和用软件模拟组合逻辑的功能，这一点在工业控制中十分有用。
AT89C51内部结构方框图如图3.2所示，它包括CPU、存储器（ROM、RAM）、I/O接口、定时/计数器、中断控制器等。
这些部件集成在一块芯片内，片内各功能部件通过内部总线相互连。
图3.289C51内部结构
3.2.1主要功能部件
89C51的主要功能部件包括：
1.8位CPU。
2.片内振荡器：
振荡频率0Hz~24MHz。
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