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基于单片机的ic卡读写器
摘要
IC卡是目前广泛应用于访问控制和电子票据的一种智能卡。
本文主要介绍了一种新型的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。
论文从IC卡的国际标准入手，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．详细分析了单片机控制IC卡数据读写的软、硬件实现。
本文提出了逻辑加密存储卡SLE4442在单片机系统中的一种最简单的应用方法，并采用AT89C51单片机设计了一个简易接触式IC卡控制系统，该系统可以对逻辑加密存储卡SLE4442进行读写。
配合不同的软件及外围扩展电路，该系统可以应用到电业管理、燃气收费等不同的行业。
还介绍了SLE4442芯片的特点、存储器结构，以及该芯片与单片机的最基本连接，分析了SLE4442逻辑加密存储卡的操作过程和AT89C51单片机的控制程序，并给出了对应的程序流程图。
关键词：
IC卡；接触式；读写终端
Abstract
Atpresent，theICcardisakindofintelligentcardapplyingtovisitcontrollingandelectronicnoteextensively．ThispaperhasintroducedthedesigningofanewtypeICcardread-writeterminalmainly．TheterminalisaMCUembeddedapplicationsystem．Firstofall，proceedingwiththeInternationalStandardofICcards，thepaperhasintroducedthereadingandwritingtechniqueofICcarddata．OnthebaseofSLE4442-akindofsmartcardofsecuritylogicmadebySIEMENS．ThepaperhasspecifiedthesoftwareandhardwarerealizationofICcarddatareadingandwriting．
ThearticlehasprovidedakindofsimplestapplicationmethodforICcardSLE4442inthesinglechipcomputersystem．AndasimplecontrolsystemforintelligentcontacttypeICcardispresentedwithAT89C51，whichiscapabletoreadandwritethelogicallyencryptedmemorycardSLE4442．Withsomeadaptationsinsoftwareandperipheralcircuits，thesystemcouldbeeasilyusedinvariousfields．Suchaspowerchargingsystemandgaschargingsystem．ThepaperalsohasintroducedthecharacteristicoftheSLE4442chip，thestructureofstorage，andthemostessentialconnectionbetweenSLE442chipandsinglechipprocessor．Moreover，themethodhowtousethesystem，theproblemofprogramming，andtheflowchartofthesystemprogramofsomeinterrelatedcommandshavealsobeenillustratedinthepaper．
Keywords:
ICcard；contacttype；read-writeterminal
1绪论
1.1IC卡技术的发展
IC卡即集成电路卡，英文名称为“IntegratedCircuitCard”，通常情况下，IC卡是指将集成电路芯片固封在塑料基片中的卡片，是一种功能多样、用途广泛的电子卡片。
它的外形和尺寸同普通名片差不多，一般厚度为0.76─1.2毫米，小巧玲珑，携带方便，使用简捷。
卡的基片是由聚氯乙烯硬质塑料制成的，内装集成电路芯片。
它可与多种终端设备连接使用，具有多种功能。
IC卡的最初设想是由日本人提出来的。
1969年12月，日本的有村国孝先生提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并于1970年获专利。
那时叫ID卡（IdentificationCard）。
1974年，法国的罗兰德─穆瑞拉发明了带集成电路芯片的塑料卡片，这就是早期的IC卡，并取得了专利权，但一时尚未实用化。
1983年，这一发明受到法国政府的重视，由政府出面推动IC卡的实用化。
IC卡距今已有近30年的历史。
随着超大规模集成电路技术、计算机技术和信息安全技术等的发展，IC技术也更成熟，并获得更为广泛的应用[1]。
1.2IC卡分类及应用
IC卡根据卡中所用嵌粘的集成电路的功能不同，可分为接触式IC卡和非接触式IC卡两大类。
接触式IC卡，它又分为以下四小类：
存储卡──具有存储记忆功能，不带加密逻辑，这类卡适用于其内部信息不用加密的应用系统，例如健康卡；
加密存储卡──卡中具有若干个密码口令，只有在密码输入正确后，才能对相应区域的信息内容进行读出或写入。
若密码输入出错一定次数后，该卡将自动封锁，成为死卡。
此类卡适用于需加密的应用系统，如食堂就餐卡；
智能卡（SMARTCARD）──卡中还带有信息处理器（CPU），该类卡是一个带有操作系统的单片机系统，严格防范非法用户访问卡中的信息。
发现数次非法访问后也可锁住某个信息区域，但可以用高级命令解锁，使卡中的信息保证绝对安全，系统高度可靠。
此类卡应用于绝密系统中，如银行金融卡；
超级智能卡（SUPERCARD）──在智能卡的基础上装有键盘、液晶显示器和电源。
非接触式IC卡，为封闭式包装，通过射频和外部设备传送信息。
它利用外部发射的高频电磁波能源和信号源，进行擦写存储。
在实际使用中，以接触式IC卡应用最多。
法国首先使用的银行卡，至1992年法国已有2100万张这样的银行卡。
商店中的读卡器在卡与银行之间建立联系，持卡者输入个人识别编码来证明自己有权使用这张卡。
如果个人识别编码与存在卡上的编码不一致，读卡器就通知店员收缴这张卡，此后不久读卡器能用电信号使冒用的卡无效。
非接触式IC卡一般用于外接触场合，如日本的建设省正在研制用于高速公路不停车收费的IC卡。
只要司机兜里装着这种IC卡，高速驶过收费站不需停车，就可以把卡上的费用自动划拔到收费站的帐上。
原理是用光波和电波通过微电脑自动结算。
从全球范围看，现在IC卡的应用范围已不再局限于早期的通信领域，而广泛地应用于金融财务、社会保险、交通旅游、医疗卫生、政府行政、商品零售、休闲娱乐、学校管理及其它领域。
在信息社会，IC卡的前途是无量的，从IC卡的技术上看，总的发展趋势是向高功能，大容量方向迈进。
1.3IC卡技术的特点
1、可靠性高
IC卡具有防磁、防静电、防机械损坏和防化学破坏等能力，信息保存期在100年以上，读写次数在1万次以上，至少可用10年。
2、安全性好
IC卡从生产到投入使用的全过程及全生命周期内都可进行严格的管理，所以安全性好。
IC卡使用信息验证码，在识别卡时，由卡号、有效日期等重要数据与一个密钥按一定算法进行计算验证。
IC卡可提供密钥个人识别码，用户使用时，输入密码后，与该PIN码进行比较，防止非法用户。
3、存储容量大
一般IC卡的容量都在1KB～32KB之间，最大的能达到4M。
4、读写器易实现
IC卡作为一种新型的识别卡，自然需要其专用的设备来支持。
IC卡系统由计算机、卡座、读写器、应用系统和IC卡等几部分组成。
其中，卡座的主要功能是提供对卡的机械支持和电器接触；读写器的基本功能是对卡的读出和写入操作，有的还可以进行数据处理和加密；应用软件的主要功能应有卡的读写控制、结果显示、数据处理、系统加密和系统通信等。
软件设计的好坏将直接影响整个系统的运行效果。
5、灵活性强
IC卡本身可进行安全认证、操作权限认证，以及可存储最新的有关事务处理信息，可以进行脱机操作，简化了网络要求。
IC卡可以一卡多用。
IC卡可为用户提供方便：
例如为用户修改PIN码、个人数据资料、消费权限，以及查询余额等。
这些功能都体现了IC卡的灵活性。
1.4IC卡的接口设备
为了使用卡片，还需要有与IC卡设备配合工作的接口设备IFD（interfacedevice）或称为“读写设备/读写器”IC卡接口设备的种类很多，功能上由于不同的应用需要，差别也很大，但就其对卡（以接触式卡为例）的操作功能来说，都应具备以下几个基本功能：
1、IC卡的插入/退出的识别与控制（接触式卡），IC卡进/出RF区的识别和控制（非接触式卡）；
2、向IC卡提供其所需的稳定的电源与时钟信号；
3、实现与卡的数据交换，并提供相应的控制信号；
4、对加密数据系统，应提供相应的加密解密处理及密钥管理机制；
5、提供相应的外部控制信息及其它设备的信息交换。
很多读写设备除了对卡的基本操作外，还设计了其他一些重要功能必要的控制界面和显示界面，提供数据通讯接口与上位机进行数据通讯，网络控制功能.实现远程适时控制。
1.5IC卡国际标准和设计要求
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/IECJTC1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。
接触式IC卡国际标准的总称为识别卡──接触式集成电路卡国际标准为ISO/IEC7816。
包括以下部分：
第一部分：
ISO7816-1，物理特性
第二部分：
ISO7816-2,触点尺寸和位置
第三部分：
ISO7816-3，电信号和传输协议
第四部分：
ISO7816-4，行业间交换用命令
第五部分：
ISO7816-5,应用标识符的编码系统和注册系统
第六部分：
ISO7816-6，行业间数据元
第七部分：
ISO7816-7，关于结构化卡询问语言的行业间命令
第八部分：
ISO7816-8，与安全有关的行业复位命令
第九部分：
ISO7816-9，附加的行业间命令和复位应答
第十部分：
ISO7816-10，用于同步卡的电信号和复位应答
由于在本课题相关的接触型逻辑加密卡SLE4442的设计中，只涉及到ISO7816-2,IS07816-3和IS07816-10,所以只对这几个标准进行介绍，其中后两个协议直接与读写器设计的细节相关，所以进行了比较详细的介绍。
1.5.1IS07816-1，接触式集成电路卡的物理特性
本标准制定的物理特性适合于ID-1型识别卡，其尺寸为85.6mmX53.98mmX0.76mm.IS07810（识别卡的物理特性）中为各种识别卡定义的物理特性适用于IC卡，IS07813（作为金融交易卡的磁卡的格式即内容）中对金融交易卡定义的阻燃性和外形尺寸也适用于IC卡。
此外，还提出了以下附加特性：
防护紫外线的能力；X光照射的剂量：
触点的表面轮廓：
卡和触点的机械强度；触点电阻；磁条与集成电路之间的电磁干扰；指定强度磁场的影响；静电影响；热耗等。
标准规定了上述各项测试的指标，并要求测试后的IC卡不应损坏或丧失功能。
使用过程中卡的表面温度不应超过50摄氏度[2]。
1.5.2IS07816-2，接触式集成电路卡的触点尺寸和位置
该协议规定了ID-1型集成电路卡各触点的尺寸、位置和功能。
规定每个触点都应有一个不小于2.OmmX1.7mm的矩形表面区域，各触点间应互相隔离，但未规定触点的形状和最大尺寸。
IC卡有8个触点，从C1到C8，触点可安排在卡的正面和反面。
触点的位置如图1.1所示（以卡的接触面的左边和上边为基准线）。
相邻两个触点之间的最大间距为0.84mmX8个触点所占最大面积没有规定，但规定最小面积不小于9.62（宽）mmX9.23（高）mm的矩形平面[3]。
图1.1触点的位置图
每个触点的功能见表1.1：
表1.1IC卡触点功能表
触点编号
功能
触点编号
功能
C1
VCC（电源电压）
C5
GND（地）
C2
RST（复位信号）
C6
VPP（编程电压）
C3
CLK（时钟信号）
C7
I/O（输入/输出）
C4
ISO/IECJTC1/SC17
C8
ISO/IECJTC1/SC17
-
保留使用
-
保留使用
1.5.3IS07816-3/10，接触式集成电路卡的电信号和传输协议
IS07816-3/10协议规定了电源及信号的结构，以及IC卡和设备之间的信息交换，包括信号频率、电压电平、电流值、奇偶校验协定、操作过程、传送机制以及接口设备与IC卡之间的通讯协议等。
这些协议规定是读写终端设计必须严格遵守的。
该协议标准制订后经过多次修改，这里按1997年版本进行介绍。
IC卡有两种传输协议：
同步传输协议和异步传输协议，相应的执行不同协议的IC卡也分为同步卡和异步卡。
在使用同步卡时，外电路的时钟信号加到IC卡的CLK触点C3，直接作为数据读写的同步触发信号，同步传输协议在ISO/IEC7816-10中定义，适用于逻辑加密卡，它是同步IC卡读写数据时序控制的依据，这里要详细介绍：
使用异步卡时，外电路的时钟信号也加到IC卡的C3触点，但不直接控制卡中数据的读写，而是作为卡中CPU的外时钟信号，数据的读写时序由卡中CPU控制，异步传输协议在IS07816-3中介绍，主要适用于内含微处理器的智能卡，但IS07816-3中有些部分也适用于同步卡。
这里就只介绍与逻辑加密卡有关的部分[4]。
1.5.4IS07816-3规定的各触点电压和电流值
先介绍IS07816-3中规定的触点电压和电流值.在讨论每个触点的电特性之前，先将所用符号的意义叙述如下[4]：
Vih：
高电平输入电压Vil：
低电平输入电压
Voh：
高电平输出电压Vol：
低电平输出电压
Tr：
信号幅度10%-90%之间的上升时间
Tf：
信号幅度90%-10%之间的下降时间
Cin：
输入电容Cout：
输出电容
Iil：
高电平输入电流Iil：
低电平输入电流
Ioh：
高电平输出电流Iol：
低电平输出电流
Icc：
Vcc端电源电流Irr：
Vpp端编程电流
所有测量是相对GND（地）定义的。
测量的环境温度在50摄氏度范围内。
流入卡中的电流被定义为正电流。
当满足下列条件时，定义电路为不工作状态：
触点相对于GND的电压保持在OV-0.4V之间，且流向接口设备的电流小于1mA。
另外根据给卡的电压不同而将卡的操作条件分成A、B两类，A类卡VCC上的电压为5V。
B类卡VCC上电压值为3V，一般情况下的我们多使用A类卡。
1、VCC触点：
下表1.2是VCC触点电源电压值，本触点用来提供电源电压
表1.2正常操作下VCC的电特性
符号
条件
最小值
最大值
单位
VCC
A类
4.5
5.5
V
B类
2.7
3.3
ICC
A类在最大允许功率
-
60
mA
B类在最大允许功率
-
50
时钟停止
-
0.5
2、Vpp触点：
在A类操作条件下卡内的非易失性存储器EEPROM编程或擦除时可以从VPP端提供电源。
Vpp有两种状态，空闲状态和激活状态。
除编程和擦除外，均处于空闲状态。
一般IC卡不从VPP取得电压，而山卡内升压电路提供编程和擦除所需电压。
在B类操作条件下，VPP触点保留于将来使用。
正常操作状态下VPP的电特性如表1.3所示：
表1.3正常操作条件状态下Vpp的电特性
符号
条件
最小值
最大值
单位
Vpp
空闲状态
0.95xVcc
1.05xVcc
V
Ipp
-
20
mA
Vpp
编程状态
0.975xP
1.025P
V
Ipp
-
I
mA
卡向接口设备提供P和I值（默认值：
P=5，I=50）
电压上升或下降时间：
200us（最大值），VPP变化速率不超过2V/us.最大功率VppxIpp，在任意一秒时间内的平均值不超过主1.5W。
3、I/O触点：
I/O触点用于数据交换的输入（接收方式）或输出（发送方式）。
有两种可能的状态：
传号或高状态（Z状态），空号或低状态（A状态）。
当卡和接收设备均处在接收方式时，I/O处于Z状态，也可被发送方规定为Z状态：
A状态可山发送方规定。
当卡与接口设备处于不匹配的传输方式时，I/O端的逻辑状态可能是不确定的。
在操作期间，卡与接口设备不能同时处于发送方式。
表1.4为正常操作状态I/O的电特性：
表1.4正常操作下的I/O电特性
符号
条件
最小值
最大值
单位
Vih
Vih时刻
0.7xVCC
VCC
V
Iih
-300
+20
uA
Vil
Vil时刻
0
0.15xVCC
V
Iil
-1000
+20
uA
Voh
外加上拉电阻到VCC
Voh
0.7xVCC
VCC
V
Ioh
+20
uA
Vol
Iol=1mA
Cin=30pF;Cout=30pF
0
0.15xVCC
V
TrTf
1
us
以上测试I/O上的电压保持在-0.3V到+0.3V之间，接口设备工作时，流入卡的电流不应超过5OOuA。
4、CLK触点：
正常操作状态下的CLK触点电特性如下表1.5所示：
表1.5正常操作条件状态下CLK的电特性
符号
条件
最小值
最大值
单位
Vih
Vih时刻
0.7xVcc
Vcc
V
Iih
-20
+100
uA
Vil
Vil时刻
0
0.5
V
Iil
-100
+20
uA
TrTf
Cin=30pF
-
时钟周期的9%
-
CLK上的电压保持在-0.3～Vcc之间
5、RST触点：
正常操作条件下RST的电特性如表1.6所示：
表1.6正常操作条件下RST的电特性
符号
条件
最小值
最大值
单位
Vih
Vih时刻
0.8xVcc
Vcc
V
Iih
-20
+150
uA
Vil
Vil时刻
0
0.12xVcc
V
Iil
-200
+20
uA
TrTf
Cin=30pF
-
1
us
RST电压保持在-0.3～Vcc之间
1.5.5ISO/IEC7816-10协议，同步卡的电信号和复位应答
ISO/IEC7816-10协议专门规范了同步卡的电信号和复位应答，描述了在同步传输的集成电路与接口设备之间的电源、信号结构和复位应答结构。
除了带CPU的智能卡，其他IC卡都属于同步卡，包括这里要使用的逻辑加密卡，所以了解ISO/IEC7816-10协议也很重要。
除了在此说明的以外，在ISO/IEC7816-3中说明的仍适用。
它还包括信号速率、操作条件和通讯。
本规范说明两种类型的同步卡：
第一类（type1）和第二类（type2）.IC卡的触点C，指定为第二类同步卡的功能码（FCB）,FCB和RST一起构成在卡中执行的命令。
第二类卡的传输率可以比第一类高。
1、卡的复位
接口设备将所有线置于状态L，然后VCC加电，VPP置于休闲状态，CLK和RST保留于状态L，接口设备的I/O置于结束方式。
RST至少有50us维持于状态H，然后回到状态L。
上升沿和下降沿时间不超过0.5us。
时钟脉冲在它与RST上升沿之后相隔5us时间后给出，时钟脉冲状态H的持续时间在10us-50us之间。
在RST处于状态H时只准有一个时钟脉冲，CLK与RST下降沿之间的间隔为5us。
在I/O线上得到的第一位数据可视为应答，此时CLK处于状态L，并在RST下降沿10us后有效。
2、复位应答
在同步工作传输方式中，I/O线上一串数据位用CLK上的时钟信号进行同步。
I/O线上的位速率与接口设备发到CLK的时钟速率呈线性关系，例如7kHz时钟频率相应于7Kbit/s。
无论对于那种同类卡，最大上升沿/下降沿各为0.5us。
第一类卡低于50kHz的任意频率可用；第二类卡低于280kHz的任意频率可用。
在设计读写器的读写控制时要选择合适的CLK频率，即要保持比较快的数据传输速率，又要保证数据传输的可靠性。
复位（reset）操作的结果是从卡发送应答到接口设备。
该头的长度固定为32位，其开始的两个字节H1和H2是必备的。
bl-b32是按时间顺序发送的信息位，最低位先发送[4]。
1.5.6IC卡国际标准和设计要求小结
本节详细介绍了有关IC卡的国际标准，标准规范了IC卡物理特性、触点大小和位置、触点电信号特征和传输协议等等，它也是IC卡读写设备设计的基本规范，是读写设备对IC卡进行数据操作的所必需遵循的基础。
1.6IC卡在国内的使用情况和发展前景
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卡也已经很普遍，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卡取代磁卡已经是必然趋势。
我国IC卡经过几年的探索与发展，其建设和实际应用进入了一个新的发展阶段。
据统计，我国目前已有香港、上海、广州、深圳、大连、青岛、南京、桂林、武汉、鞍山、长春、厦门等多个城市都已成功地启用，不少城市的IC卡应用范围涵盖了包括公交、地铁、轮渡、出租车、路桥收费、泊车等城市交通各个方面，有的还往非交通领域延伸，如旅游景点门票、小额餐饮付费等。
这些城市都是在政府的推动下，做出一卡多用的规划，统一组织实施。
截至目前，全国已有90多个城市建立了不同规模的公交IC卡应用系统，累计发卡量2000余万张；已有300多个城市在供水、燃气领域实施了IC卡应用，累计安装IC卡表具已达到450多万台，发卡量达到600多万张。
数字社区、路桥收费、停车场管理等领域的建设事业IC卡应用也有了初步的发展。
建设行业IC卡的应用推广对加强政府对经济的宏观调控，提倡市民新的消费意识，提高公用企事业单位的工作效率、经营管理水平和效益，促进国民经济信息化进程起到了良好作用。
IC卡的一卡多应用，国内外有很多成功的经验可供借鉴，如上海的公共交通一卡通系统，香港特区的八达通卡，新加坡的现金卡NETS项目等。
这些项目都有一个共同特点，即都是在政府的推动下，做出一卡多用的规划，统一组织实施。
上海公共交通“一卡通”工程于1999年5月25日投入建设。
发卡总量达到1200万张，日交易量为500万笔，交易额达人民币800万元。
广州“羊城通
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