IC卡读写系统的单片机实现

天津大学网络教育学院专科毕业论文题目：IC卡读写系统的单片机实现完成期限：2016年1月8日至2016年4月20日学习中心：嘉兴专业名称：电气自动化技术学生姓名：姚国良学生学号：132092433073指导教师：李娜娜天津大学网络教育学院专科毕业论文1IC卡读写系统的单片机实现第1章绪论本章介绍了IC卡的发展历史和应用情况，说明了现代IC卡技术的基础知识，最后分析了目前常见的IC卡读写器终端，并提出了本课题中IC卡读写器的设计目标。1.1IC卡的发展和应用使用情况卡片是作为个人身份识别的手段而引进的，而作为交易凭证的卡片则早在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，得到迅速推广。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，即使那些磁卡已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，它的应用己经渗透到各国的经济、社会生活、军事等各个方面，将来更有着广阔的发展空间。1.2IC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。1.3课题中IC卡的设计目标读写器是IC卡应用系统的终端设备，只有通过读写设备才能和IC卡建立联系，读写IC卡中的数据;读写器一般还要求和信息网络中的上位机进行通讯，把IC卡中的数据融入到上层数据库。设计选择读写器是建立IC卡应用系统的关键。本文是就设计IC卡读写器展开的，课题的设计目标是一种通用的接触式IC卡读写终端，要求读写器能够单独工作。天津大学网络教育学院专科毕业论文2预期目标：实现用户信息的存储通过键盘显示电路实现人机交互实现卡的插入与退出识别实现伪卡的识别天津大学网络教育学院专科毕业论文3第2章IC卡芯片的介绍2.1SLE4442IC卡IC卡是集成电路卡(IntegratedCircuitCard)的简称，有些国家和地区称之为微芯片卡(Microchipcard)或微电路卡(MicrocircuitCard)。IC卡的大小和磁卡相同，它把集成电路镶在塑料卡片上，芯片一般是不易挥发性存储器(ROM,EPROM.EPROM),保护逻辑电路，甚至于CPU。本节介绍IC卡的一些基本知识，使读者对IC卡有一个大概的了解。由于本设计所采用的IC卡为接触型逻辑加密卡（SLE4442），所以本节的内容重点介绍此卡。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。2.1.1芯片特点面向字节寻址；采用多存储器结构：主存储器、保护型存储器、加密存储器；线连接协议，触点和串行接口满足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；复位响应（ATR）符合ISO/IEC7816-3协议；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；额外特性：数据仅能在正确输入24位可编程安全码（安全存储器）之后才能改变。2.1.2芯片的引脚配置芯片的引脚与国际标准兼容，下表3-1是引脚的定义和功能说明：天津大学网络教育学院专科毕业论文4表2-1SLE4442引脚功能引脚卡触点符号功能12345678C1C2C3C4C5C6C7C8VCCRSTCLKNCGNDNCI/ONC操作电压5V复位时钟未用地未用双向数据线（漏极开路）未用2.1.3芯片功能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，要改变一个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卡的标识数据区，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，允许后面的擦除和写入操作。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。天津大学网络教育学院专科毕业论文52）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的每一位对应着主存储器地址从0到31的字节。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，从而使得该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，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”(EC)。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披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PSC比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。2.1.4芯片传送协议传送协议是在接口设备IFD与IC卡的集成电路之间的两线连接协议，SLE4442芯片的协议类型为S=10(同步卡协议)。I/O线上数据变化只在CLK信号的下降沿才有效。传送协议包括4种模式:复位和复位响应命令模式输出数据模式处理模式1)复位和复位响应:复位响应是根据ISO7816-3标准来进行的。在操作期间的任何时候都可以天津大学网络教育学院专科毕业论文6复位，只有经过了复位才能对IC卡进行其他操作.开始时地址计数器随一个时钟脉冲而被设置成0。当RST线从H状态置到L状态时，第一个数据位的内容被送到I/O线上。若连续输入32个时钟脉冲，主存储器中的前4个字节地址单元中的内容被读出。在第33个时钟脉冲的下降沿，I/O线被置成H状态而关闭。图3-1为芯片复位即复位响应的时序关系。在复位响应期间，“启动”和“停止”(见下面)状态被忽略。图2-1芯片复位及复位响应的时序关系2)命令模式:复位响应之后，芯片等待着命令。每条命令都以一个“启动状态”开始。整个命令包括三个字节(命令含义后面解释)。随后紧跟着一个附加脉冲并用一个“停止状态”来结束操作。图3-2为命令模式时序关系。启动状态:在CLK为H状态期间，I/O线的下降沿为启动状态。停止状态:在CLK为H状态期间，I/O线的上升沿为停止状态。在接受一个命令之后，有两种可能的模式:输出数据模式(即读数据模式)和处理数据模式。图2-2命令模式的时序关系3)输出数据模式：这种模式是将IC卡芯片中的数据传送给外部接口设备的一种操作。图3-3为输出数据模式的时序关系。在第一个CLK脉冲的下降沿之后，I/O线上的第一位数据变为有效。随后每增加一个时钟脉冲，芯片内部的一位数据被送到I/O线上。其输出的顺序是从每个字节的最低位开始。当所需要的最后一个数据送出以后，需要再附加一个时钟脉冲天津大学网络教育学院专科毕业论文7来把I/O线置成H状态，以便准备接受新的命令。在输出数据期间，任何“启动状态”和“停止状态”均被屏蔽掉。图2-3输出数据模式的时序关系4)处理数据模式:这种模式是对IC卡芯片做内部处理。图3-4为处理数据模式的时序关系。芯片在第一个时钟脉冲的下降沿将I/O从H状态拉为L状态并开始处理。此后芯片在内部连续计时计数，直到第N个时钟脉冲之后的附加时钟脉冲的下降沿I/O线被再次置高，完成芯片的处理过程。在整个处理过程中I/O线被锁定成低状态。图2-4处理数据模式的时序关系第3章硬件电路设计所设计的读写器以8051单片机为核心，配以IC卡接口电路、串行通信电路、存储电路、掉电检测电路、键盘显示电路等部分。通过读写器插槽与IC卡芯片通信，由51单片机控制数据传输过程，实现读卡和写卡操作。图4-1为系统的总体框图。天津大学网络教育学院专科毕业论文8图3-1总体框图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: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)。向IC卡提供其所需的稳定的电源与时钟信号