【正文】 己手上，缺乏成套系統(tǒng)的自主生產(chǎn)權(quán) . 隨著技術(shù)的進(jìn)步，讀卡器會(huì)隨著多功能如條形碼識(shí)別、以太網(wǎng)傳輸?shù)确较虬l(fā)展，讀卡器的成本也越來越低，同時(shí)讀卡器將像多制式、多頻段兼容且多功能的方向發(fā)展 . 選題背景及課題任務(wù) 本課題的背景是校園一卡系統(tǒng)收費(fèi)終端的應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，社會(huì)的日益信息化，技術(shù)的不斷革新以及要求的不斷提高，需要設(shè)計(jì)出一個(gè)功能豐富，性能更加穩(wěn)定的，并且具有友好人機(jī)界面的嵌入式智能終端，來取代現(xiàn)在市場(chǎng)上的基于單片機(jī)的收費(fèi)終 端 .該讀卡器必須簡單，方便快捷 . 安徽新華學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 3 第 3 頁 共 42 頁 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體規(guī)劃 2． 1 硬件設(shè)計(jì)思路： IC 卡的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛 .在 IC 卡的觸點(diǎn)和讀 /寫設(shè)備的觸點(diǎn)良好接觸之前，讀 /寫設(shè)備不應(yīng)對(duì) IC 卡施加有關(guān)信號(hào)，以免造成不可預(yù)料的損壞 .IC 卡讀 /寫設(shè)備作為系統(tǒng)和用戶交換的接口，必將面對(duì)各種各樣復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境 .因此，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)注意 IC 卡讀 /寫設(shè)備環(huán)境 .作為操作系統(tǒng) ,管理 IC 卡的硬件資源和數(shù)據(jù)資源是其基本任務(wù) .IC 卡上的硬件資源包括 CPU,ROM,EEPROM 和 RAM 及通訊接口 ,這些都由 IC卡上操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理 , 使外部不 能直接控制這些資源 ,使 IC卡對(duì)外表現(xiàn)為一個(gè) 黑匣子 ,從而加強(qiáng)了系統(tǒng)的保密性能 . 智能卡通訊管理主要功能是執(zhí)行智能 IC 卡的信息傳送協(xié)議 , 接收讀寫器發(fā)出的指令 ,并對(duì)指令傳遞是否正確進(jìn)行判斷 .一般可采用奇偶檢 ,CRC 校驗(yàn)等方式判斷傳輸錯(cuò)誤 .對(duì)于采用分組傳輸協(xié)議的系統(tǒng) , 還可以通過分組長度變化來檢出錯(cuò)誤 . 智能卡操作系統(tǒng)最重要的功能之一就是數(shù)據(jù)安全管理 . 這可以具體地分為用戶與 IC 卡的鑒別 ,核實(shí)功能以及對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的加密與解密操作 . 智能 IC 卡COS 的應(yīng)用管理功能是對(duì)讀寫器發(fā)來的命令進(jìn)行判斷 ,譯碼和處理 . 智能卡 的各種應(yīng)用以專有文件形式存在卡上 ,各專有文件則是由 IC 卡的指令系統(tǒng)中指令排列所組成的 .鑒別 是指對(duì) IC卡本身的合法性進(jìn)行驗(yàn)證 ,判定一張 IC卡是不是偽造的 .如在前兩講中談到的多采用多種卡上設(shè)置的讀 ,寫 ,擦除密碼作為防偽的基本手段 .而 COS由于可以通過內(nèi)部軟件運(yùn)行來完成密碼轉(zhuǎn)換 ,因此智能 IC 卡上實(shí)際寫入的密碼無法被讀寫器直接讀取 ,安全性能更強(qiáng) .IC 卡由于其高存儲(chǔ)量和高保密性 ,應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛 ,除覆蓋了傳統(tǒng)磁卡的全部功能外 ,還拓展到許多磁卡不能勝任的領(lǐng)域 . 2． 2 硬件論證方案 ： IC卡是一種集成電 路卡，它的讀 /寫設(shè)備是每個(gè) IC 卡應(yīng)用系統(tǒng)必不可缺的周邊設(shè)備 .該設(shè)備通過 IC卡的 8個(gè)觸點(diǎn)向 IC卡提供電源并與 IC卡相互交換信息 .雖然 IC 卡是從磁卡發(fā)展而來的 . 本 IC 卡讀 /寫器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有： IC 卡 安徽新華學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 第 4 頁 共 42 頁 的插拔檢測(cè)， IC 卡的電源控制， IC 卡與 CPU 的接口以及必要的人機(jī)界面 .軟件系統(tǒng)主要由 IC卡數(shù)據(jù)讀 /寫模塊，串行通信模塊等組成 . 系統(tǒng)的方案確定 對(duì)于本論文的基于單片機(jī)的 IC 卡讀卡器系統(tǒng)來說，整個(gè)系統(tǒng)由電源模塊、時(shí)鐘電路模塊、顯示電路、報(bào)警系統(tǒng)幾個(gè)部份組成。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制，能夠通過借口把數(shù)據(jù) 從 PC 上顯示出來。電源模塊負(fù)責(zé)提供電力 。顯示電路負(fù)責(zé)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，報(bào)警系統(tǒng)負(fù)責(zé)當(dāng)數(shù)值超過卡內(nèi)數(shù)據(jù)時(shí)，通過蜂鳴器提示， 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 安徽新華學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 第 5 頁 共 42 頁 3 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)的簡介 STC12LE5A16S2 是 16K Flash 的宏晶 STC12C5A60S2 系列單片機(jī)，采用宏晶第六代加密技術(shù)， STC12C5A60S2 系列單片機(jī)器件是 1個(gè)時(shí)鐘 /機(jī)器周期 8051 單片機(jī)，低功耗、 高速、高可靠、強(qiáng)抗靜電、強(qiáng)抗干擾。 STC12LE5A16S2 特性： （ 1） 高速： 1 個(gè)時(shí)鐘 /機(jī)器周期，增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核，速度比普通 8051快 612 倍； （ 2） 寬電壓： （ 3V 單片機(jī)）； （ 3） 增加第二復(fù)位功能腳 /； （ 4） 增加外部掉電檢測(cè)電路 /，可在掉電時(shí)，及時(shí)將數(shù)據(jù)保存進(jìn)EEPROM， 單片機(jī)引腳圖如下： 圖 單片機(jī)引腳圖 安徽新華學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 第 6 頁 共 42 頁 各個(gè)引腳的介紹 P0 口是一個(gè)漏極開路型準(zhǔn)雙向 I/O 口。在訪問外部 存儲(chǔ)器時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址 (低 8 位 )和數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi) 部的上拉電阻。在 EPROM 編程時(shí)，它接收指令字節(jié)，而在驗(yàn)證程序時(shí)，則輸出指 令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻。 — (18)： P1 口是帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。在 EPROM 編 程和程序驗(yàn)證時(shí)，它接收低 8 位地址。 — (2128)： P2 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。在訪 問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它送出高 8 位地址。在對(duì) EFROM 編程和程序驗(yàn)證期間，它接收 高 8 位地址。 — (1017)： P3 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 電源電路 電源電路是指提供給用電設(shè)備電力供應(yīng)的電源部分的電路設(shè)計(jì)，使用的電路形式和特點(diǎn)。有交流電源也有直流電源。常見的電源電路有交流電源電路、直流電源電路等 。本系統(tǒng)所用的電源電路電路圖如下 圖 電源電路 蜂鳴器電路 蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用 直流電壓 供電，廣泛應(yīng)用于 計(jì) 安徽新華學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 第 7 頁 共 42 頁 算機(jī) 、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、 電子玩具 、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、 定時(shí)器 等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲 器件 。 ；蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。 本系統(tǒng)中的蜂鳴器系統(tǒng)用于，當(dāng)該讀卡器系統(tǒng)正常運(yùn)作時(shí)，通過蜂鳴器響兩聲來表示，該蜂鳴器電路如下： 圖 蜂鳴器電路 天線電路 本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)， 系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在無源 Mifare 卡中。讀寫模塊的主要任務(wù)是將能量傳輸給 Mifare 卡。并與之建立通信。天線是非接觸式 IC 卡讀寫模塊的一個(gè)重要組成部分，在讀寫模塊和非接觸式 IC 卡通信過程中，天線用于產(chǎn)生能發(fā)射和接收射頻 信號(hào)的磁通量．而磁通量用于向卡提供電源并在讀寫模塊和卡片之間傳送信息。因此，在設(shè)計(jì)中要求天線線圈的電流最大，以用于產(chǎn)生最大的磁通量，并要確保有足夠的帶寬。讀寫模塊的性能與天線的參數(shù)有著直接的關(guān)系。在對(duì)天線的性能進(jìn)行優(yōu)化之后。讀寫模塊的讀卡距離可以達(dá)到 10 cm。 由于 FM1702SL 的頻率是 13． 56 MHz．屬于短波段，因此可以采用小環(huán)天線。小環(huán)天線有方型、圓形、橢圓型、三角型等，本系統(tǒng)采用的是矩型天線。天線的最大幾何尺寸同工作波長之間沒有一個(gè)嚴(yán)格的界限。一般定義為： L／ λ≤1 ／ (2π) (1) 安徽新華學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 第 8 頁 共 42 頁 式中， L 是天線的最大尺寸， λ 是工作波長。對(duì)于 13． 6 MHz 的系統(tǒng)來說，天線的最大尺寸在 50cm 左右。 在天線設(shè)計(jì)中，品質(zhì)因數(shù) Q 是一個(gè)非常重要的參數(shù)。對(duì)于電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫器天線來說。較高的品質(zhì)因數(shù)值會(huì)使天線線圈中的電流強(qiáng)度也較大，由此可改善對(duì)卡的傳送功率。品質(zhì)因數(shù)的計(jì)算公式為： 式中， f0是工作頻率， Lcoil 是天線的尺寸， Rcoil 是天線的半徑。 通過品質(zhì)因數(shù)可以很容易地計(jì)算出天線的帶寬： B=f0/Q (3) 從式中可以看出，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比關(guān)系。因此。過高的品質(zhì)因數(shù)會(huì)導(dǎo)致帶寬縮小，從而減弱讀寫器的調(diào)制邊帶，導(dǎo)致無法與卡通信。一般系統(tǒng)的最佳品質(zhì)因數(shù)為 1030，最大不能超過 60。 本設(shè)計(jì)中的天線電路如下： 安徽新華學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 第 9 頁 共 42 頁 圖 天線電路 I/O 口 STC12LE5A16S2 單片機(jī)內(nèi)部有 P0、 P P P3 四個(gè) 8 位雙向 I/O 口，外設(shè)可直接連接于這幾個(gè)接口上，而無須另加接口芯片。 P0P3 的每個(gè)端口可以按字節(jié)輸入或輸出，也可以按位進(jìn)行輸入或輸出，共 32 根口線，用作控制十分方便。P0 口為三態(tài)雙向口，能帶 8 個(gè) TTL 電路。 P P P3 口為準(zhǔn)雙向口，負(fù)載能力為 4 個(gè) TTL 電路，如果外設(shè)需要的驅(qū)動(dòng)電流大，可加接驅(qū)動(dòng)器。 P0 口是一個(gè)漏極開路型準(zhǔn)雙向 I/O 口。在訪問外部 存儲(chǔ)器時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址 (低 8 位 )和數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi) 部的上拉電阻。在 EPROM 編程時(shí)，它接收指令字節(jié)，而在驗(yàn)證程 序時(shí)，則輸出指 令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)， 安徽新華學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 第 10 頁 共 42 頁 要求外接上拉電阻。 — (18)： P1 口是帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。在 EPROM 編 程和程序驗(yàn)證時(shí)，它接收低 8 位地址。 — (2128)： P2 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。在訪 問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它送出高 8 位地址。在對(duì) EFROM 編程和程序驗(yàn)證期間，它接收 高 8 位地址。 — (1017)： P3 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 FM1702 芯片簡介 FM1702SL是復(fù)旦微電子股份有限公司基于 IS014443標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的非接觸卡讀卡機(jī)專用芯片，該芯片采用的是 0． 6微米 CMOS EEPROM工藝制造．可支持 ISOl4443 typeA 協(xié)議和 MIFARE 標(biāo)準(zhǔn)的加密算法。芯片內(nèi)部集成了模擬調(diào)制解調(diào)電路。因而只需搭接最少量的外圍電路就可以工作。 FM1702SL 芯片支持 SPI 接口，其數(shù)字電路具有 TTL、 CMOS 兩種電壓工作模式。特別適用于 ISO14443 標(biāo)準(zhǔn)下的水、電、煤氣表等計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的讀卡器的應(yīng)用。該芯片的三路電源都適用于低電壓。 該芯片電路如圖 安徽新華學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 第 11 頁 共 42 頁 圖 FM1702 芯片電路 功能特點(diǎn) ： 高集成度的模擬電路，只需最少量的外圍線路；操作距離可達(dá) 10cm；支ISO14443typeA 協(xié)議；包含 512byte 的 EEPROM；支持 MIFARE 標(biāo)準(zhǔn)的加密算法； 包含 64byte 的 FIFO；數(shù)字電路具有 TTL/CMOS 兩種電壓工作模式；軟件控制的power down 模式；一個(gè)可編程計(jì)時(shí)器；一個(gè)中斷處理器；啟動(dòng)配置可編程； 數(shù)字，模擬和發(fā)射模塊都有獨(dú)立的電源供電；采用 SOP24 封裝；支持 SPI 接口。 安徽新華學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 第 12 頁 共 42 頁 4 軟件設(shè)計(jì) 軟 件開發(fā)工具的選擇 本設(shè)計(jì)中采用 Keil C51 軟件進(jìn)行編程， Keil C51 是美國 Keil Software 公