【正文】 1 致謝 ..................................................................... 23 基于單片機(jī)的 IC 卡預(yù)收費(fèi)水表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 1 1 引言 IC 卡的相關(guān)知識(shí) ISO7816定義了 IC卡芯片中點(diǎn)到卡左邊沿距離為： ， 到上邊沿的距離為：(8pin)， (6pin)， 寬度： ， 高度： ， 厚度： 。 IC卡，又稱“集成電路卡”、智能卡，英文名稱“ Integrated Circuit Card” 或“ Smart card” ， 是法國(guó)人 Roland morono 于 1974年發(fā)明的，將具有存儲(chǔ)、加密及 數(shù)據(jù)處理能力的集成電路芯片模塊封裝于和信用卡尺寸一樣大小的塑料基中，便構(gòu)成了 IC卡。 IC卡具有防磁、防靜電、抗破壞性和耐用性強(qiáng)、防偽性好、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)安全性高（可加密）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大、應(yīng)用設(shè)備及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境成本低、品種型號(hào)齊全、技術(shù)規(guī)范成熟等特點(diǎn)。正是由于 IC卡具備諸多無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此在金融、稅務(wù)、公安、交通、郵電、通訊、服務(wù)、醫(yī)療、保險(xiǎn)等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的重視和應(yīng)用。它作為一種新的高科技產(chǎn)品正在引起人們的廣泛關(guān)注，其關(guān)鍵在于卡的應(yīng)用，它標(biāo)志著又一種新的信息處理手段的問(wèn)世。未來(lái)多功能的卡的普及與應(yīng)用 將改變整個(gè)社會(huì)的生活方式，是人類全面邁向電子化時(shí)代的鑰匙。 在高科技產(chǎn)品日新月異且不斷地伴隨于人們生活要求的情況下，且在 IC 卡領(lǐng)域內(nèi)又發(fā)展起了一項(xiàng)新技術(shù)－―― 非接觸式 IC 卡，其在工作時(shí)將卡片靠近讀寫(xiě)器表面即可完成卡中的數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和 IC卡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決了無(wú)源和 無(wú) 接觸這一難題。與接觸式 IC卡相比較，它具有可靠性高、操作方便快捷，安全防沖突、應(yīng)用范圍廣、加密性能好等優(yōu)點(diǎn)，因而它更受人們歡迎。 IC 卡的 分類 （ 1） 按存儲(chǔ)容量分： IC卡的存儲(chǔ)量小的幾十個(gè) Bit，大到幾十個(gè) K BYTE （ 2） 按安全級(jí)別分：非加密存儲(chǔ)卡、邏輯加密存儲(chǔ)卡、 CPU卡 （ 3） 按 連接方式分：接觸式和非接觸式 （ 4） 按 IC芯片廠家：德國(guó) Siemens、法國(guó) Gemplus、美國(guó) Atmel、荷蘭 Philips等 IC 卡的歷史 IC卡是集成電路卡（ Integrated Circuit Card） 的英文簡(jiǎn)稱，在有些國(guó)家也稱之為智能卡等。將一個(gè)專用的集成電路芯片鑲嵌于符合 ISO7816標(biāo)準(zhǔn)的 PVC（或 ABS） 塑料基片中，封裝成外形與磁卡類似的卡片形式，即制成一張 IC卡。當(dāng)然也可以封裝成紐扣、鑰匙、飾物等特 殊形狀。 IC卡的最初設(shè)想是由日本人提出來(lái)的。 1969 年 12 月，日本的有村國(guó)孝提出一種制基于單片機(jī)的 IC 卡預(yù)收費(fèi)水表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2 造安全可靠的信用卡方法， 并于 1970 年獲得專利 ， 那時(shí)叫 ID 卡 （ Identification Card） 。1970 年，法國(guó)人羅蘭德莫瑞諾 （ Roland moreno） 第一次將可進(jìn)行編程設(shè)置的 IC（ Integrated Circuit） 芯片放于卡片中，使卡片具有更多的功能。當(dāng)時(shí)，他對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的描述是：鑲嵌有可進(jìn)行自我保護(hù)存儲(chǔ)器的片。這樣就誕生了世界上第一張 IC 卡。1974 年，法國(guó)的羅蘭德莫瑞諾 （ Roland moreno） 發(fā)明了帶 集成電路芯片的塑料卡片，并取得了專利權(quán)，這就是早期的 IC 卡。 1976 年法國(guó)布爾公司研制出世界第一枚 IC 卡。1984 年，法國(guó)的 PTT（ Posts, Telegraphs and Telephones） 將 IC 卡用于電話卡，由于 IC 卡良好的安全性和可靠性，獲得了意想不到的成功。隨后，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 （ ISO，International Standardization Organization） 與國(guó)際電工委員會(huì) （ IEC，International Electrotechnical Commission） 的聯(lián) 合技術(shù)委員會(huì)為之制訂了一系列的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，極大地推動(dòng)了 IC卡的研究和發(fā)展 。 在此后的三十多年里，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信息安全技術(shù)等的發(fā)展， IC 卡種類更加豐富，技術(shù)也更趨成熟，已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用 。 國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀 美國(guó)是信用卡的發(fā)源地，磁卡應(yīng)用在全世界占首位，從上世紀(jì) 60 年代起就開(kāi)始發(fā)卡應(yīng)用了。到了 1988 年，發(fā)卡量已經(jīng)超過(guò) 10 億張，人均約 5 張，消費(fèi)金額達(dá)到 4695億美元 。 1993年僅美國(guó)兩家最大的發(fā)卡公司 VISA和 MASTER的發(fā)行量即達(dá)到了 ，遍及全世界 200 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)， 消費(fèi)額達(dá)到 8250 億美元，電子收款機(jī) ECR 的普及率約為 400～ 500 臺(tái) /萬(wàn)人。 1987 年，美國(guó)的 ATM 機(jī)已達(dá) 3臺(tái) /萬(wàn)人。如今，美國(guó)已開(kāi)始用IC卡取代磁卡，比較成功有應(yīng)用有：校園 IC卡、交通 IC 卡、軍人身份證卡。 在法國(guó)， IC卡誕生于法國(guó)，它是 IC卡應(yīng)用的先驅(qū)。據(jù)國(guó)際發(fā)明組織統(tǒng)計(jì) ， 1988年 10月至 1989年 9月全世界 IC卡硬件產(chǎn)業(yè)中 ， IC卡及讀寫(xiě)器數(shù)量分別為 4200萬(wàn)張和 87700臺(tái) ，其中法國(guó)分別占 98%和 71%， 處于世界領(lǐng)先地位。目前 ， 法國(guó) IC卡不僅在數(shù)量上領(lǐng)先其它各國(guó) ， 而且其應(yīng)用領(lǐng)域的多 樣化更為突出 ， 如在金融、電信、醫(yī)療、保險(xiǎn)、旅游、游戲和交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域都有 IC卡的 廣泛 應(yīng)用。 在其他歐洲國(guó)家更是如此， IC卡均得到廣泛的應(yīng)用。 在我國(guó)， IC卡的發(fā)展在我國(guó)的起步較晚，但在 IC卡行業(yè)里，我國(guó)是一個(gè)發(fā)展較快的國(guó)家之一。自 1993年 7月我國(guó)電子工業(yè)部協(xié)同銀行、郵電及有關(guān)部委提出了命名為“金卡”的專項(xiàng)工程，總目標(biāo)是：用 10年左右的時(shí)間，在全國(guó) 400個(gè)大中城市及部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)縣區(qū)推廣使用卡基支付工具，在這些覆蓋了 3億城市人口的地區(qū)，發(fā)卡總量要達(dá)到 2億張，年交易額達(dá)到 1萬(wàn)億元。整個(gè)“金卡”工程分為試點(diǎn)、推 廣和普及三個(gè)階段。到 20xx年我國(guó) IC卡的出貨量達(dá)到了 ， 20xx年為 ， 20xx年為 ， 20xx年為（由于 SARS影響導(dǎo)致電信和公交卡發(fā)行量減少）， 20xx年達(dá)到了 ， 20xx年達(dá)到 。可見(jiàn)， IC卡在我國(guó)的快速發(fā)展，目前已經(jīng)有 10余個(gè)部門和行業(yè)推廣應(yīng)基于單片機(jī)的 IC 卡預(yù)收費(fèi)水表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3 用了 IC卡。在各方面的努力下， IC卡相關(guān)產(chǎn)品得到迅速發(fā)展，如自動(dòng)柜員機(jī) ATM、銷售點(diǎn)終端機(jī) POS；網(wǎng)絡(luò)加密機(jī)和電子結(jié)算、轉(zhuǎn)賬、交換等大型應(yīng)用軟件系統(tǒng)等等。特別是國(guó)內(nèi)在自主研究開(kāi)發(fā) 1C卡產(chǎn)品方面取得了長(zhǎng)足 進(jìn)步。比如，我國(guó)已研制開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出 IC卡操作系統(tǒng)、 IC卡集成電路芯片生產(chǎn)設(shè)備，也完成了如模塊生產(chǎn)、卡基與卡片制作、各類讀寫(xiě)卡設(shè)備與機(jī)具的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化配套等，全面帶動(dòng)了我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 。 2 基于單片機(jī) 的 IC卡預(yù)收費(fèi)水表硬件 設(shè)計(jì) 預(yù)收費(fèi)水表系統(tǒng)硬件組成 本水表電路的硬件設(shè)計(jì)原則是在低功耗的前提下，實(shí)現(xiàn)多功能，組成框圖如圖 1 所示。系統(tǒng)硬件電路由 IC 卡讀寫(xiě)電路 、液晶顯示控制電路、 電磁閥控制電路 、 脈沖提取電路、安全保護(hù)電路、記憶單元電路、通信接口電路組成，以 AT89C51 為核心控制芯片，完成整個(gè)水表信 號(hào)的讀 、 寫(xiě)處理，監(jiān)控水表工作的功能。 該 CPU 芯片內(nèi)置 4K 的程序存儲(chǔ)器，有 32 個(gè)多功能的 I/O 口，具有多個(gè)可編程的中斷 I/O 口和數(shù)據(jù)串行通信口。并且，該芯片功耗低，特別適用于水表控制線路多、功能全 、功耗低的要求。它能方便地讀取 IC 卡的數(shù)據(jù)，并控制電磁閥和液晶顯示器的工作，同時(shí)還可以 將 水表的數(shù)據(jù)存入E2ROM 進(jìn)行永久保存并可通過(guò)串口送至表外的數(shù)據(jù)終端，大大地提高了該水表的智能化的功能。本水表采用電池供電。 圖 1 硬件總體框圖 AT89C51 單片機(jī) 簡(jiǎn)介 89C51單片機(jī)的基本組成 在 一小塊芯片上，集成了一個(gè)微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分，即 89C51 單片機(jī)芯片內(nèi) AT89C51 脈沖提取電路 電磁閥控制電路 安全保護(hù)電路 IC 卡讀寫(xiě)電路 液晶顯示電路 通信接口電路 記憶單元電路 IC 卡座 通信插座 來(lái)自水量 傳感器 去脈沖 電磁閥 基于單片機(jī)的 IC 卡預(yù)收費(fèi)水表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4 包括： （ 1） 一個(gè) 8位的微處理器 （ CPU） 。 （ 2） 片內(nèi) 256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM/SFR，用以存放可以讀 /寫(xiě)的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。 （ 3） 片內(nèi) 4KB 程序存儲(chǔ)器 Flash ROM， 用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。 （ 4） 4 個(gè) 8 位并行 I/O 端口 P0P3,每個(gè)端口既可以用作輸入，也可以用作輸出。 （ 5） 兩個(gè) 16位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式。 （ 6） 具有 5個(gè)中斷源、兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制系統(tǒng)。 （ 7） 一個(gè)全雙工 UART 的串行 I/O 口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與 PC 機(jī)之間的串行通信。 （ 8） 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。 （ 9） 具有節(jié)電工作方式，即休閑方式和掉電方式。 以上各個(gè)部分通過(guò)片內(nèi)八位數(shù)據(jù)總線相連接。 89C51 單片機(jī)引腳及其功能 如圖 2 所示為單片機(jī) AT89C51 的引腳圖。 圖 2 單片機(jī) AT89C51 的引腳圖 （ 1） XTAL1（ 19 腳）：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部 時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 （ 2） XTAL2（ 18腳）：振蕩器反相放大器的輸出端。 （ 3） RST（ 9腳）：復(fù)位輸入，當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 （ 4） P0口（ 39～ 32腳 ）： P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路的 8位準(zhǔn)雙向 I/O端口。作為漏極開(kāi)路的輸出端口，每位能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) LS型 TTL負(fù)載。當(dāng) P0口作為輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向口鎖存器基于單片機(jī)的 IC 卡預(yù)收費(fèi)水表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 5 寫(xiě)入全 1，此時(shí) P0口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。 （ 5） P3口（ 10～ 17腳）： P3口是一組帶有內(nèi)部上