基于51单片机的IC卡读写器的设计于实现

哈尔滨师范大学

学年论文

题目基于51单片机的IC卡读写器的设计与

实现

学生徐连超

指导教师邢恺讲师

年级 2008级

专业计算机工程与应用

系别计算机科学与信息系

学院计算机科学与信息工程学院

哈尔滨师范大学

2011年6月

论文提要

近年来，近年来，随着科技的发展，人们日益增长的物质文化需要，IC卡应运而生（IC 卡是集成电路卡（Integrated Circuit Card）的简称，有些国家和地区称之为微芯片卡（Microchip Card）或微电路卡（Microcircuit Card）），特别是在IC卡的设计与应用上更是日新月异。随着这种潮流的发展，C51单片机下面的开发项目日益增多，IC卡成为了一个主流项目，设计与实现IC卡的读写也成为了一项重要的项目。随着项目的发展国际化的变准也发展起来，更多的要求也出现了，为了方便后来人的开发，本文介绍了一种新型的IC卡读写终端的设计并介绍了实现IC卡数据存储的控制方法，IC卡读写软硬件的实现。

基于51单片机的IC卡读写器的设计与实现

徐连超

摘要：本文主要介绍了一种新型的IC卡读写终端的设计并介绍了实现IC卡数据存储的控制方法，IC卡读写软硬件的实现，SLE4442接口电路的设计，89C51软件模块设计。

关键词：89C51；IC卡；嵌入式；串口。

近年来，随着科技的发展，人们日益增长的物质文化需要，IC卡应运而生，特别是在IC卡的设计与应用上更是日新月异。

一、前言

IC卡是集成电路卡（Integrated Circuit Card）的简称，有些国家和地区称之为微芯片卡（Microchip Card）或微电路卡（Microcircuit Card）。IC卡的大小和磁卡相同，它把集成电路镶在塑料卡片上，芯片一般是数据不易丢失的存储器（ROM,EPROM.EPROM）,保护逻辑电路，或者GPU。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重，是指广泛应用于电话，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卡制造商们仍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。

按照IC卡与读写设备的数据交换方式，IC卡可分为接触式IC卡和非接触式IC卡。接触性IC卡就是在使用时，通过有形的电极触电将卡的集成电路与外部接口设备直接接触连接来进行数据交换的IC卡。非接触式IC卡是通过无线电波或电磁场感应的方式，将卡集中成电路内的数据与外部设备接口设备通信，卡片不用直接接触接口设备的电极就可以进行数据读写。按照IC卡的功能和结构又可以把IC卡分为存储型IC卡和智能型IC卡。存储型IC卡是属于被动型，它只能实现数据的各种输入/输出。这种类型IC卡内部电路可分为两大功能部分，数据存储部分和数据加密操作控制部分。而且不是所有IC卡都必须具有这两大功能。我们把只有数据存储功能的IC卡称为非加密型存储卡（Memory Card）。把具有数据存储功能和数据加密操作控制的IC卡称为加密型存储卡（Memory Card with Security Logic），它们有暂时或永久的数据存储能力，其内容可供处理或判断之用。只能型IC卡就是在IC卡的集成电路中带有微处理器电路的IC卡。它是一种主动型IC卡，不仅能够管理各种数据的I/O操作，效验来自接口设备的个人密码，而且能够根据应用系统的要求主动识别与之连接的接口设备。因此，在智能型IC卡中能够建立各种应用系统的授权，存放多个应用系统的相关数据，并实现对数据信息存储的高可靠性，高安全性控制，可以进行复杂的信息处理和计算。

二、IC卡国际标准和读写要求

由于ＩＣ卡使用具有流动性与全球性，建立相应的国际标准和国家标准就显得特别重要。在信息技术领域ISO（国际标准化组织）和IEC（国际电子技术委员会）共同建立了一个技术委员会ISO／IEC JTC1以制定相应国际标准。在IC卡应用系统的设计中，读写设备对IC卡的读写控制的每一个环节都应当遵照相应的国际标准，才能保证数据的正确读取。这是IC卡读写器终端设计的基础。

而在这些标准当中，对芯片和电气特征的定义和操作时序的要求又显得尤为重要。此处以同步卡的电气特征和时序为例进行介绍，使用这种卡时，接口设备将所有线置于状态L，然后VCC加电，Vpp处于空闲状态，CLK,RST和FCB处于状态L，接口设备的I/O置于接收模式。时钟脉冲在VCC上升沿之后像个t20后提供，时钟脉冲的持续时间为t25。在时钟脉冲上升沿之后至少像个t22时间FCB仍维持状态L。在I/O线上得到的第一位数据可视为应答，为此CLK处于状态L，并在CLK下降沿t27之后有效。当FCB置于状态H时，每一个时钟脉冲用于读出I/O线上的下一个数据位。在复位应答时，第一个时针脉冲在FCB上升沿之后t24时间给出。时钟脉冲状态H持续时间为t25，状态L的持续时间为lus（t26）。

第二个及其随后的数据位在时钟为低和CLK下降沿之后t27时间给出。数据位一次用时钟脉冲的上升沿采样。

图1-1

三、SLE4442接口电路的设计

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。这种芯片的特点是采用多存储器结构；２线连接协议，串行接VI满足ISO7816同步传送协议：芯片采用NMOS工艺技术，每字节的擦除／写入编程时间为 2.5ms；存储器采用至少104次

的擦除／写入周期，数据保持时间至少为10年。

图2-1

SLE4442的RST，CLK，I/O三条线均需接上拉电阻接到+5V上，因选用的接口，内有上拉电阻，故可以省去。这三条线上也可以加箝拉保护二极管（在电压稳定、干扰很小的情况下，可以不加）。这种接法线路简单、实用。为了防止IC卡座被插入铁片等物而造成短路，卡座的供电最好与单片机系统分开，且让单片机能检测到这种短路，不让P1.7为低电平，从而使IC卡断电。其中R1，D1，Q组成卡上下电电路，当P1.7=0时，Q导通，IC卡座Vcc 得电，P1.7=1时，Q截止，IC卡座失电。R1，D1用于检测卡电源是否短路，以防人为破坏，在对IC卡供电时，如果单片机检测到P1.6=0，说明电源短路，发报警信号。SW1、SW2为IC卡卡座的一对常开触点而读写器的主控芯片采用的是89C51单片机。89C51单片机是INTEL公司开发的８位的系列化处理芯片。内部带有一个８位的CPU，256个字节的RAM。21个特殊功能寄存器（SFR），２个16位的定时/计数器．４个８位并行接口，一个全双工的串行接口，５个中断源及片内时钟振荡器等。由于这是一款非常成熟的单片机，因此本文不作更多的赘述。该读写器的核心模块即如何实现对IC芯片的有效控制和读写操作。而接口电路的设计直接反映了对该芯片的具体操作思想。由于IC卡的逻辑接口电路一般采用集电极开路(OC)输出及非保护式输入结构，所有让上拉电阻R源端与IC卡的供电电源相连接。当IC卡处于供电状态时，整个接口电路接通，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保护二极管，这些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是保护二极管的正向压降，通常为0.6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间过压，为IC卡提供了进一步的保护措施.IC卡控制和读写电路,IC卡的插入与退出的识别是通过IC卡适配插座上的感应开关来识别的，对于简单的手动插拔的IC卡适配插座来说，这种识别过程相当简单，仅有一个开关，表示卡是否已插入。如果卡己插入到正确位置，IC卡适配插座就会给出一个开关接通（或断开）的信号，而一旦卡离开这个位置，该信号就会立即发生翻转。设计中采用的适配器，无卡插入时开关常闭，卡插到位时开关断开。对于手动式IC卡适配插座来说，这一信号已经足够了。为了确保IC卡已准确地插到位置，插入的识别过程必须加入消颤处理，