【正文】 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)89C51單片機(jī)的數(shù)字式音樂(lè)盒的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄第一章 緒論 1 1 1 設(shè)計(jì)的意義 2 IC卡技術(shù)的應(yīng)運(yùn)和發(fā)展 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及原則 3 3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 4 論文的組織結(jié)構(gòu) 4第二章 總體設(shè)計(jì) 5 5 5 IC卡類型選擇 5 單片機(jī)選擇 7第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 8 單片機(jī)概述 8 8051單片機(jī)結(jié)構(gòu)和原理 8 13（SFR）簡(jiǎn)介 14 16 定時(shí)/計(jì)數(shù)器 19 串行通信 21 單片機(jī)的工作過(guò)程 22 外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊 23 監(jiān)控電路 26 26 DS1232的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 26 DS1232接口電路 28 鍵盤輸入模塊 29 可編程并行I/O芯片8255 29 鍵盤接口電路 31 顯示模塊 32 MC14499 32 顯示接口電路 33 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 34 通信模塊 34 MAX232 34 通信接口電路 35 讀寫(xiě)器接口模塊 36RC500 36 Mifare 1型非接觸式IC卡 37 天線的設(shè)計(jì) 39MFRC500與8051的接口電路 40 電源電路 40第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 42第五章 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì) 45 IC卡的安全認(rèn)證 45 交易數(shù)據(jù)安全的要求 47 47 概述 47 安全威脅的原因和常見(jiàn)攻擊方式 47 網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)的目標(biāo) 48 通信安全技術(shù) 49 49第六章 系統(tǒng)管理中心 51 發(fā)卡系統(tǒng)設(shè)計(jì) 51 系統(tǒng)管理中心售卡充值 53 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 54 系統(tǒng)中心清算功能 56 黑名單管理 57第七章 總結(jié) 58參考文獻(xiàn) 59外文翻譯 60外文原文 60譯文 66致 謝 71附錄 主程序及子程序 72 76 第一章 緒論公共交通是城市交通建設(shè)的主體,其公交運(yùn)營(yíng)工作的質(zhì)量和效率會(huì)直接影響到人們的日常生活和工作。而部分城市公交公司現(xiàn)行的售票方式已滯后于公交事業(yè)的整體發(fā)展,無(wú)人售票存在運(yùn)營(yíng)效率低,易收殘幣、假幣、破幣,對(duì)公交的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,城市形象都有消極的影響。手工的傳統(tǒng)的低效率的工作方式已經(jīng)不能適應(yīng)城市公共交通事業(yè)的發(fā)展。伴隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和IC卡應(yīng)用在各行業(yè)的實(shí)施，近幾十年來(lái),國(guó)際上盛行智能公交ITS利用先進(jìn)的電子技術(shù)對(duì)公交系統(tǒng)進(jìn)行全面的管理,中國(guó)自“金卡”工程啟動(dòng)以來(lái),國(guó)內(nèi)IC卡的應(yīng)用迅速發(fā)展,信息技術(shù)逐步深入到基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)和管理中。近幾年來(lái),城市公交系統(tǒng)逐漸開(kāi)始將IC卡技術(shù)應(yīng)運(yùn)于公交收費(fèi)系統(tǒng),不僅實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收費(fèi)，電腦結(jié)算，而且縮短運(yùn)行時(shí)間；減少點(diǎn)鈔人員和管理環(huán)節(jié)，杜絕貪污，減少假幣、假票，加速了資金周轉(zhuǎn)，促進(jìn)企業(yè)信息管理系統(tǒng)的完善，帶來(lái)了管理機(jī)構(gòu)和管理方式上的巨大變化。因此，IC卡應(yīng)用的推廣，可以改變城建系統(tǒng)企業(yè)傳統(tǒng)的管理服務(wù)方式，提高企業(yè)勞動(dòng)效率，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和服務(wù)水平明顯提高，并對(duì)提高城市形象起到了極大的推動(dòng)作用。實(shí)踐證明，以非接觸IC卡為支付介質(zhì)的建設(shè)事業(yè)IC卡應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)在城市公交、軌道交通、出租車、輪渡、高速路、停車場(chǎng)、公園景點(diǎn)等小額支付領(lǐng)域所表現(xiàn)的方便、快捷的卓越性能，是傳統(tǒng)的磁卡和接觸式IC卡不可比擬的。非接觸IC卡的推廣應(yīng)用為公交支付提供了安全可靠，方便高效的支付方式和完整的業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)，為提高公交行業(yè)的服務(wù)質(zhì)量，樹(shù)立公交行業(yè)優(yōu)質(zhì)高效服務(wù)的新形象，奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，為城市居民的出行提供了極大的方便。也為銀行更進(jìn)一步地發(fā)展持卡消費(fèi)，創(chuàng)造了良好的條件。因此，隨著智能公交概念的提出和智能卡的深入發(fā)展，公交系統(tǒng)與非接觸IC卡技術(shù)相結(jié)合成為發(fā)展的必然要求。公共交通實(shí)行一卡通也是大勢(shì)所趨。但任何新事物都有缺乏經(jīng)驗(yàn)的一面，也會(huì)出現(xiàn)令人無(wú)法預(yù)料的新情況，諸如卡丟失后無(wú)法掛失、卡內(nèi)存儲(chǔ)信息不全及充值煩瑣等問(wèn)題。所以如何建立整個(gè)城市范圍內(nèi)的公交車收費(fèi)系統(tǒng)，并利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)乘客IC卡系統(tǒng)的集中化及現(xiàn)代管理，改善公交車、售卡充值點(diǎn)和公交公司之間的數(shù)據(jù)通訊能力，促進(jìn)各級(jí)內(nèi)部處理手段和辦公效率的全面提高，已成為公交企業(yè)當(dāng)前急待解決的問(wèn)題。 設(shè)計(jì)的意義主要從經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益兩個(gè)方面來(lái)講設(shè)計(jì)的意義。1 經(jīng)濟(jì)效益 (1) 加快乘客上車速度，減少車輛停站時(shí)間,加速車輛周轉(zhuǎn)等于減少車輛。(2)促進(jìn)管理，加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)改革，最終減少公交企業(yè)虧損。 (3) 及時(shí)掌握客流情況，科學(xué)合理調(diào)度而創(chuàng)造效益。 (4) 可以節(jié)省無(wú)人售票點(diǎn)鈔工作人員的費(fèi)用。 (5) IC卡表面的封裝廣告和冠名權(quán)為運(yùn)營(yíng)公司帶來(lái)直接的收益。(6) 采用預(yù)收費(fèi)的方式，增加企業(yè)周轉(zhuǎn)資金。 (7)有效制止了假幣的流通。2 社會(huì)效益 (1) 提高公共交通的服務(wù)檔次，符合建設(shè)國(guó)際城市的目標(biāo)。(2) 方便市民，減少社會(huì)現(xiàn)金流通量。(3) 提高車輛運(yùn)行效率，節(jié)省乘車時(shí)間。(4) 收費(fèi)及統(tǒng)計(jì)全面自動(dòng)化管理，有效堵塞漏洞，杜絕可能發(fā)生的管理人員貪污及假票現(xiàn)象。提高城市市政交通的信息化管理水平，響應(yīng)國(guó)家促進(jìn)城市信息化建設(shè)的號(hào)召，提升當(dāng)?shù)氐某鞘忻婷?，為城市的發(fā)展帶來(lái)新的商機(jī)。改善了市政秩序，為市民做實(shí)事。 IC卡技術(shù)的應(yīng)運(yùn)和發(fā)展IC卡概念是20世紀(jì)70年代初提出的,法國(guó)布爾公司年于1976年首先創(chuàng)造出IC 卡產(chǎn)品,并將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到金融、交通、醫(yī)療、身份證明等多個(gè)行業(yè),它將微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起,提高了人們的生活水平,滿足了工作的現(xiàn)代化需求。IC卡的英文全名是Integrated Circuit Card,IC卡將具有存儲(chǔ),加密,數(shù)據(jù)處理能力的一個(gè)或多個(gè)集成電芯片鑲嵌于塑料卡片之中的,既具有智能性,又便于攜帶的卡片。而非接觸式IC卡是世界上最近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù),是電子器件應(yīng)用發(fā)展過(guò)程中的一大突破。非接觸IC卡和接觸IC卡相比具有可靠性高、操作方便、防沖突、可適合于多種應(yīng)用、加密性能好等優(yōu)點(diǎn)。IC卡具有信息存儲(chǔ)量大,數(shù)據(jù)保密性好,可反復(fù)讀寫(xiě),易于管理等優(yōu)點(diǎn),因而發(fā)展迅速 ,在金融、通信、交通等眾多領(lǐng)域這后來(lái)居上,已成為信息時(shí)代這不可缺少的重要工具之一,廣泛地應(yīng)用于社會(huì)事業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域,出現(xiàn)在人們的日常生活中。IC卡不僅改進(jìn)了現(xiàn)有多種卡的使用方法和功能作用,它還不斷開(kāi)創(chuàng)出新的應(yīng)用發(fā)展領(lǐng)域。IC卡的產(chǎn)生現(xiàn)代信息的處理和傳遞提供了一種全新的手段,它一出現(xiàn)就備受關(guān)注和重視。1987年起,國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織ISO專門為IC卡制訂了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制訂為IC卡在全世界范圍內(nèi)的推廣和應(yīng)用,為IC卡在使用過(guò)程中的規(guī)范化創(chuàng)造了前提和條件。從技術(shù)角度看,在IC卡應(yīng)用過(guò)程中有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。1 從存儲(chǔ)器IC卡同CPU卡方向發(fā)展。現(xiàn)在全國(guó)發(fā)行的IC卡中,90%以上是采用存儲(chǔ)器IC卡。隨著應(yīng)用要求提高,且CPU卡價(jià)格下降,在今后幾年內(nèi),CPU卡的應(yīng)用總量將呈大幅度上升趨勢(shì):2 非接觸式IC卡應(yīng)用將大幅度增加。目前,非接觸式IC卡已成為世界智能卡發(fā)展的主流。非接觸式IC卡十分適用于地鐵、公交、自來(lái)水、燃?xì)獾仁召M(fèi)的日常生活消費(fèi)領(lǐng)域,在我國(guó)已開(kāi)始使用。下一代最具有前途的IC卡是接觸式IC和接觸式IC卡的復(fù)合卡,對(duì)于需要特別靈活的多用途應(yīng)用來(lái)說(shuō),它既能提供接觸式應(yīng)用,又有非接觸式應(yīng)用功能,為產(chǎn)品提供十分靈活的選擇。3 對(duì)IC卡安全性提出越來(lái)越高的要求。金融IC卡、個(gè)人身份證等應(yīng)用要求IC卡具有高安全性,要求應(yīng)用程序在一個(gè)安全環(huán)境中裝載和運(yùn)行。一方面要求IC卡本身具有高安全性,具有DES加密算法和有512位或1024為公開(kāi)密鑰計(jì)算能力和加密卡可滿足不同安全等級(jí)的要求。另一方面要加強(qiáng)IC卡安全管理, 密鑰管理尤其重要。4 一卡多用是IC卡發(fā)展的大方向。為了方便人們使用,同時(shí)規(guī)范應(yīng)用市場(chǎng),提高應(yīng)用水平,需要推出一卡多用或多卡通用的IC卡。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及原則公交汽車IC卡控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的非接觸式IC技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù),以公交售卡充值IC卡讀寫(xiě)器為設(shè)計(jì)對(duì)象的主體,以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為信息處理方法的現(xiàn)代化管理系統(tǒng),充分利用了非接觸式IC交易時(shí)間短,快捷,方便的特點(diǎn),作為公交汽車控制系統(tǒng)的一種全新的現(xiàn)代化管理手段,提高了公交車輛的運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平,使城市公交管理開(kāi)放,不僅取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)還取得了良好的社會(huì)效益。公交汽車IC卡控制系統(tǒng)把公交汽車的售票方式以IC卡電子收費(fèi)作為支付手段,以提高客運(yùn)汽車的收費(fèi)速度、簡(jiǎn)單快捷的售卡充值方式、自動(dòng)化處理客運(yùn)信息、準(zhǔn)備結(jié)算、動(dòng)態(tài)分析運(yùn)營(yíng)信息為目的,為客運(yùn)企業(yè)的運(yùn)營(yíng),城市交通管理,:1為運(yùn)營(yíng)公交公司提供完善的、穩(wěn)定的、可靠的管理功能。2 實(shí)現(xiàn)公交控制系統(tǒng)的規(guī)范化和數(shù)字化管理。3 收集公交運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù),建立可供管理分析的數(shù)采集系統(tǒng)。4 控制系統(tǒng)具有可靠的安全管理系統(tǒng)。5 模塊化的軟硬件設(shè)計(jì)具有開(kāi)放性、可擴(kuò)展性、以便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。6 盡可能簡(jiǎn)單明了操作方式,以實(shí)現(xiàn)IC卡讀寫(xiě)器的運(yùn)作及管理。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則公交汽車IC卡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求在最大限度上滿足公交公司不斷增長(zhǎng)和變化的業(yè)務(wù)需求。同時(shí)也使公交公司能在最大限度保護(hù)其投資的前提下利用迅速發(fā)展的新技術(shù)和產(chǎn)品。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是遵循原則設(shè)計(jì):1原則:采用的技術(shù)路線和采用的產(chǎn)品是成熟,可靠,易于操作的,設(shè)計(jì)結(jié)果能滿足客戶的需求并行之有效。2 開(kāi)放原則:3 安全原則:采用有效可信的安全措施,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多層次的安全管理。4 高效原則:軟硬件性能充分發(fā)揮,資源利用率高,性能好。5可擴(kuò)展原則:能夠使系統(tǒng)在規(guī)模和性能兩方面有擴(kuò)展余地。 論文的組織結(jié)構(gòu)本文的目的就是尋求一套更加完善的公交汽車IC卡控制系統(tǒng)方案。本文重點(diǎn)介紹以8051單片機(jī)和非接觸式IC卡讀讀寫(xiě)器 MF RC500為核心，設(shè)計(jì)出一套性能好、安全措施有效可信、管理平臺(tái)完善的公交非接觸式IC卡控制系統(tǒng)。本文主要工作如下:(1)完成公交汽車IC卡控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)。根據(jù)公交汽車IC卡控制系統(tǒng)所要達(dá)到的性能指標(biāo)，進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。(2)以單片機(jī)8051為核心實(shí)現(xiàn)公交汽車IC卡控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。(3)完成公交汽車IC卡控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。基于匯編語(yǔ)言的編程方式，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。(4)開(kāi)展系統(tǒng)的安全性研究。(5)完成系統(tǒng)管理中心的設(shè)計(jì)。第二章 總體設(shè)計(jì)公交汽車IC卡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)節(jié)較多，因此，公交IC卡控制系統(tǒng)的讀寫(xiě)器至少應(yīng)包括公交售卡機(jī)、公交車載機(jī)和公交制卡機(jī)三個(gè)讀寫(xiě)器。除了售卡機(jī)要求有鍵盤外，其余的硬件組成大體相同。對(duì)于公交汽車接觸式IC卡控制系統(tǒng)和非接觸式IC卡控制系統(tǒng)，控制電路主要不同在IC卡接口上，接觸式IC卡采用卡座，非接觸式IC卡采用接收線圈加專用的讀卡接收芯片。圖2為公交IC卡讀寫(xiě)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖，主要由單片機(jī)、外部存儲(chǔ)模塊、監(jiān)控電路、鍵盤電路、顯示電路、IC 卡的讀寫(xiě)器、天線和以及與PC機(jī)通信的RS232串行通信接口電路組成。單片機(jī)鍵盤電路存儲(chǔ)模塊監(jiān)控電路PC機(jī)通信報(bào)警電路感應(yīng)天線IC卡讀寫(xiě)器顯示電路電源電路 圖2 公交IC卡讀寫(xiě)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖 IC卡類型選擇任何技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展都有一個(gè)過(guò)程，限于技術(shù)原因，早期大多用磁卡、光電卡等，這些卡構(gòu)成的控制系統(tǒng)雖然曾經(jīng)給我們帶來(lái)了各種便利，但仍然存在一些弊端和缺陷，常常帶來(lái)許多不便，特別是其防偽性能差，易被仿制，作為收費(fèi)電子錢包使用存在巨大安全隱患，隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，上述卡逐漸被其他卡取代，而對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的選擇主要考慮卡片模型、存儲(chǔ)容量、安全性要求綜合價(jià)格等因素。又考慮到卡是作為一卡通系統(tǒng)的信息載體，一卡通系統(tǒng)所涉及的子系統(tǒng)又非常多，因此就要求這種卡必須是有多分區(qū)，并具有分區(qū)密碼校驗(yàn)，具有多用性、兼容性、安全性、可靠性的智能卡。所以在城市公交IC卡收費(fèi)系統(tǒng)中使用非接觸IC卡和接觸式IC卡兩種IC卡卡片。1 接觸式IC卡接觸式IC卡卡內(nèi)操作系統(tǒng)采用符合PBOC標(biāo)準(zhǔn)的Timecoso CPU卡芯片內(nèi)集成有CPU ,ROM,RAM,EEPROM，安全邏輯等。SAM卡是安全認(rèn)證卡，所有部件功能經(jīng)專門設(shè)計(jì)，性能大大提高，與普通CPU卡相比較，具有很高的安全性、可靠性。但是接觸式IC卡使用時(shí)要將其插入讀卡機(jī)中， 通過(guò)表面上的電極觸點(diǎn)的物理接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)與讀卡器之間的命令、 數(shù)據(jù)和卡片狀態(tài)的傳遞: 非接觸式IC卡在使用時(shí)只要靠近讀卡機(jī)即可，卡片和讀卡機(jī)通過(guò)無(wú)線電波或電磁場(chǎng)感應(yīng)的方式進(jìn)行信息傳遞。接觸式IC卡己經(jīng)走過(guò)十幾年的歷程并得到廣泛的應(yīng)用，但隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，其本身不可克服的缺點(diǎn)，如具有接觸磨損、卡的壽命小、使用不便、信息傳送速度慢、難以維護(hù)、基礎(chǔ)設(shè)施投入大等就成了它進(jìn)一步發(fā)展的絆腳石。隨著信息業(yè)和服務(wù)業(yè)的全球化，社會(huì)對(duì)信息載體的便攜性、 高安全性及易用性等方面提出更高的要求，于是非接觸式IC卡以其無(wú)機(jī)械磨損、容易維護(hù)、方便使用等優(yōu)點(diǎn)，成為IC卡潛力最大的生力軍而備受業(yè)界矚目。2 非接觸式IC卡從提供電源的角度來(lái)看，非接觸式I C卡可分為有源和無(wú)源2種。無(wú)源系統(tǒng)的能量由數(shù)據(jù)載頻提供，有源系統(tǒng)是在卡內(nèi)封裝一塊非常薄的電池。從成本和生產(chǎn)方面考慮，無(wú)源系統(tǒng)是主流。從工作距離來(lái)分，非接觸式IC卡有3種: 近距離禍合( 2 mm) , 鄰近藕合( IO cm) , 遠(yuǎn)距離禍合( 15cm)。其中近距離藕合由于優(yōu)勢(shì)不明顯而應(yīng)用較少， 而藕合距離較遠(yuǎn)的射頻卡使用較普遍且最具發(fā)展?jié)摿?。從讀寫(xiě)方式上，非接觸式IC卡還有主動(dòng)交易式和被動(dòng)交易式之分:主動(dòng)交易式指卡片需要主動(dòng)靠近讀卡器，用戶需要持卡在讀卡器上晃過(guò)去才會(huì)完成交易；被動(dòng)交易式可以不用出示，比如揣在外衣口袋里，當(dāng)走過(guò)讀寫(xiě)器的識(shí)別距離范圍內(nèi)就可完成交易。非接觸式IC卡，由于卡與讀寫(xiě)器間無(wú)機(jī)械接觸，而是借助“空間媒介”電磁波進(jìn)行通訊，故在保留接觸式智能卡原有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又具備如下諸多長(zhǎng)處:(1) 可靠性高、壽命長(zhǎng)卡與讀寫(xiě)器間無(wú)機(jī)械接觸，故不存在接觸式讀寫(xiě)器可能出現(xiàn)的各種故障，卡和讀寫(xiě)器均無(wú)裸露觸點(diǎn)，則無(wú)須擔(dān)心觸點(diǎn)損壞或脫落所致之卡片失效?？ê妥x寫(xiě)器均為全封閉防水、防塵結(jié)構(gòu)，既避免了靜電、塵污對(duì)卡的影響，操作快捷便利。這些都將大大提高卡乃至機(jī)具的可靠性