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IC卡读写器设计与应用

 

基于PIC单片机的IC卡读写器设计与应用

 

本设计的主要目的是介绍IC卡的数据存储技术和IC卡的数据通信,因而使用存储器卡。

由于本设计中既可与IC卡进行串行同步通信,又要与上位机进行中行异步通信,因而需要选择一种同时具有这两种通信方式的单片机。

因为PIC16F877不仅具有本设计所需要的两种通信方式,而且还具有运行速度快、低功耗、价格低等优点,所以选择PIC16F877单片机作为本设计的单片机。

  图1是本设计的电路图,图中电源变换电路和发光二极管等指示电路没有画出。

图中的二极管电路是单片机与IC卡通信数据线的保护电路。

当数据线上的电压为负电压时,与地相连的二极管导通;当数据线上的电压大于5V时,与5V相连的二极管导通,从而保证数据线上的电压在0V~5V之间,保护单片机和IC卡不受损坏。

图中单片机的15脚和23脚分别与IC卡的输出引脚3和4相连。

由于IC卡的输出电压为CMOS电平,而单片机能够正确的识别IC卡的输出信号,需要加上拉电阻。

 

  1SPI工作方式

  串行外围设备接口SPI(SerialPeripheralInterface)总线技术是Motrola公司推出的一种同步串行接口。

SPI总线是一种三线同步总线,因其硬件能力很强,与SPI有关的软件就相当简单,使CPU有更多的时间处理其它事务,因此得到广泛应用。

  SPI模式允许8位数据同步发送和接收,支持SPI的所有四种方式。

SPI模式传输数据需要四根信号线:

串行数据输出(SDO)线、串行数据输入(SDI)线、串行时钟(SCK)和从选择(SS)。

其中,从选择线只用于从属模式。

  1.1SPI主模式

  由于控制时钟SCK的输出,主模式可以在任何时候开始传输数据。

主模式通过软件协议控制从模式的数据输出。

  在主模式中,一旦SSPUF寄存器写入,数据就会发送或接收。

在接收数据时,SSPSR寄存器按照时钟速率移位,一旦接收到一个字节,数据就传输到SSPBUF,同时中断标志位和状态标志位置位。

  时钟的极性可以通过编程改变。

在主模式中,时钟SCK的频率可以设置为:

fosc/4(即Tcy)、fosc/16(即4Tcy)、fosc/64(即16Tcy)和定时器2(Timer2)输出的二分频等四种。

在芯片时钟为20MHz时,SCK的最大频率为5.0MHz。

  在本设计中,使用的就是SPI主模式,由单片机控制时钟SCK的输出。

当向IC卡中写数据时,随时可以发送数据;当读IC卡内的数据时,先要发送任意一个数据(此时IC卡不处于写入状态,不会接收该数据),给IC卡提供输出数据的时钟,然后再接收IC卡发出的数据。

其时序如图2所示。

(发送和接惦的数据均为6FH)

  如果要连续发送数据,那么每次将数据送到SSPBUF寄存器后,都要判断是否已经发送完该数据,即判断PIR1寄存器的SSPIF位是否为1。

如果SSPIF位为1,则表明数据已经发送完毕,可以继续发送下一个数据。

但此时还不能立即发送下一个数据,因为SSPIF位必须在程序中由软件清零,只有将SSPIF位软件清零后,才能继续发送下一个数据。

  1.2SPI从模式

  在SPI从模式,数据的发送和接收领先SCK引脚上输入的外时钟脉冲,当最后一位被锁存后,中断标志位SSPIF(PIR1的D3)位。

在休眠模式,从模式仍可发送和接收数据,一旦接收到数据,芯片就从休眠中唤醒。

如果采用SS控制的从模式,当SS引脚接到VDD时,SPI模式复位;如果彩CKE=1控制的从模式,必须开放SS引脚控制。

  在本设计中,由于IC卡是存储器卡,不能提供时钟信号,因此不能采用从模式,只能采用主模式,由单片机控制时钟信号。

  单片机的SPI方式初始化程序如下:

  ·MOVLW20H;将20H送到累加器

  ·MOVWFSSPCON;将累加器中的数送到SSPCON寄存器

  ·BSFSTATUS,RP0;将定RAM区的第1页

  ·BCFSSPSTAT,SMP;将SSPSTAT寄存器的SMP位置0

  ·BSFSSPSTAT,CKE;将SSPSTAT寄存器的CLK位置1

  ·BCFTRISC,3;将端口C的第3位设置为输出

  ·BCFTRISC,5;将端口C的第5位设置为输出

  其中,上述第1、2行程序是配置控制寄存器,将SPI方式配置为主控模式,时钟频率为单片机时钟频率的1/4,并将时钟的高电平设置为空闲状态。

第3行程序为换页指令,将指针转到第1页。

因为PIC16F877单片机的数据存储器是分页的,而所要操作的寄存器在第1页,因此要用换页指令将指针到第1页。

第4、5行程序是配置状态寄存器,将SPI方式设置为数据输出时钟的中间采样,时钟SCK的上升沿触发。

第6、7行程序则是将RC口的RC3和RC5设置为输出。

  2USART方式

  通用同步异步接收发送模块(USART)是两个串行通信接口之一,USART又称为SCI(SerialCommunicationInterface)。

USART可以设置为全双工异步串行通信系统,这种方式可以与个人计算机PC或串行接口CRT等外围设备进行串行通信:

也可以设置为半双工异步串行通信系统,与串行接口的A/D或D/A集成电路、串行EEPROM等器件连接。

USART是二线制串行通信接口,它可以被定义如下三种工作方式:

全双工异步方式、半双工同步主控方式、半双工同步从动方式。

  为了把RC6和RC7分别设置成串行通信接口的发送/时钟(TX/CK)线和接收/数据(TX/DT)线,必须首先把SPEN位(TCSTAT的RD7)和方向寄存器TRISC的D7:

D6置1。

  USART功能模块含有两个8位可读/写的状态/控制寄存器,它们是发送状态/控制寄存器TXSTA和接收状态/控制寄存器TCSTA。

  USART带有一个8位波特率发生器BRG(BaudRatoGenerator),这个BRG支持USART的同步和异步工作方式。

用SPBRG寄存器控制一个独立的8位定时器的周期。

在异步方式下,发送状态/控制寄存器TXSTA的BRGH位(即D2)也被用来控制波特率(在同步方式下忽略BRGH位)。

  向波特率寄存器SPBRG写入一个新的初值时,都会使BRG定时器复位清零,由此可以保证BRG不需要等到定时器溢出后就可以输出新的波特率。

  对USART方式进行初始化的程序如下:

  BSFSTATUS,RP0;将指针指向数据存储器的第1页

  MOVLW0x19

  MOVWFSPBRG;设置波特率为9600

  BCFSTATUS,RP0;将指针指向数据存储器的第0页

  CLRFRCSTA;将接收控制和状态寄存器清零

  BSFRCSTA,SPEN;串口允许

  CLRFPIR1;清除中断标志

  BSFSTATUS,RP0;将指针指向数据存储器的第1页

  CLRFTXSTA;将发送控制和状态寄存器清零

  BSFTXSTA,BRGH;设置为异步、高速波特率

  BSFTXSTA,TXEN;允许发送

  BCFSTATUS,RP0;将指针指向数据存储器的第0页

  BSFRCSTA,CREN;允许接收

  初始化完成后,即可发送或接收数据。

在发送或接收数据时,通过查询发送/接收中断标志位即可判断是否发送完一个数据/接收到一个数据。

发送/接收中断标地不需要也不有用软件复位。

  在异步串行发送的过程中,只要TXREG寄存器为空,中断标志TXIF就置位。

因此,TXIF为1并不是发送完毕的标志,但仍可以用TXIF标志来判断。

因此当TXREG为空时,将数据送入后,数据会保留在TXREG寄存器中,直到前一个数据从发送移位寄存器中移出,即前一个数据发送完。

  3IC卡

  IC卡是集成电路卡(IntegratedCircuitCard)的简称,有些国家和地址称其为智能卡(SmartCard)、芯片卡(ChipCard)。

国际标准化组织(ISO)在ISO7816标准中规定,IC卡是指在由聚氯乙烯(PVC)或聚氯乙烯酸脂(PVCA)材料制成的塑料卡内嵌入式处理器和存储器等IC芯片的数据卡。

近年来,由于导半体技术的进步,集成化程度和存储器容量有了很大提高,并使CPU和存储器集成在一个芯片上,从而提高了数据的安全性。

在本设计中,IC卡采用的是AT45DB041B-SC芯片,该芯片的特点如一下:

∙单一的2.7V~3.6V电源;

∙串行接口结构;

∙页面编程操作,单一的循环重复编程(擦除和编程,2048页(每页264字节)主存;

∙两个264字节的SRAM数据缓存,允许在重编程非易失性存储器时接收数据;

∙内置的编程和控制定时器;

∙低功耗,4mA有源读取电流,2μACMOS备用电流;

∙15MHz的最大时钟频率;

∙串行外围接口方式(SPI)——模式0和3;

∙CMOS的TTL兼容的输入和输出;

∙5.0V可承受的输入,SI、SCK、CS(低电平有效)、RESET(低电平有效)。

  在本设计的调试过程中,曾测试过IC卡的输入输出电平,结果证明这种IC卡的输入电平与TTL兼容,而输出电平与TTL不兼容。

  4IC卡的电源提供电路

  在本设计中,由于IC卡的电源电压范围为2.7~3.6V,而PIC单片机需要的电源为5V,而且稳压源提供的电压也是5V,因此,要设计一个稳压模块,给IC卡提供3V左右的电压。

设计电路如图3所示。

  该电路的主要元件为LM317芯片,它是三端可调集成稳压器,输出电压为1.25~37V范围内可调。

当其Vin端的输入电压在2~40V范围内变化时,电路均能正常工作,输出端Vout和调整端ADJ间的电压等于基准电压1.25V。

该芯片内的基电路的工作电流IREF很小,约为50μA,由一个恒流性很好的恒流源提供,所以它的大小不受供电电压的影响,非常稳定。

在图3中,B点为电压输出端,为IC卡提供电压。

A点为控制端,与单片机的一个端口引脚相连,当该引脚为低电平时,三极管Q1不工作,B点输出电压约为3.15V;当该引脚为高电平时,三极管Q1工作,B点输出电压约为1.25V。

在程序中查询IC卡插座中是否有IC卡,当有IC卡时,将A点所连的单片机引脚设置为低电平,从而为IC卡提供电源;当没有IC卡或对IC卡的操作结束时,将A点连的单片机引脚设置为高电平,从而不给IC卡提供电源。

  IC卡的上电和下电程序如下。

  IC卡上电子程序IC卡下电子程序

  POWERONPOWEROOF

  BSFSTATUS,RP0BSFSTATUS,RP0

  BCFTRISE,0BCFTRISE,0

  BCFRTISE,1BCFTRISE,1

  BCFSTATUS,RP0BCFSTATUS,RP0

  BCFPORTE,0BSFPORTE,0

  BCFPORTE,1BSFPORTE,1

  CALLDLYTIMCALLDLYTIM

  RETURNRETURN

  在本设计中,单片机与IC卡通信的主程序流程图如图4所示。

  5与PC机的通信

  在本设计中,有PIC单片机与PC机串行通信的功能。

由于本设计所用的单片机PIC16F877有USART方式,该方式可将C口的RC5和RC7设置成异步串行通信模式,因而在本设计中,与PC机的通信模块电路就比较简单。

将单片机C口的RC6和RC7设置为异步串行通信模式,经过MAX232A芯片进行电平转换后,将TTL电平转换为RS232电平,再与DB9接口相连,即可实现通信。

在PC机端,可以用VC等编程工具根据通信协议编写软件来控制对IC卡的读写操作。

  6结论

  经过调试,本设计能够在脱离在线仿真器的情况下,上电后独立的运行程序,并能在PC机软件的控制下,实现对IC卡中任意位置的读写,其中读写的起始地址、读写数据的个数以及数据内容可以在PC机端输入或选择。

  本设计已在实际应用中测试过,具有实用价值。

由于本设计中所使用的PIC单片机的程序存储器较大(8KB),因而可以编写较大的程序,实现多合一该卡器并由PC机控制读写哪种芯片的IC卡。

另外,由于本设计所使用单片机的程序存储器是Flash存储器,因而可以方便地实现程序的下载和升级。

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