【文章內(nèi)容簡介】 動交易式之分 :主動交易式指卡片需要主動 靠近讀卡器，用戶需要持卡在讀卡器上晃過去才會完成交易；被動交易式可以不用出示，比如揣在外衣口袋里，當(dāng)走過讀寫器的識別距離范圍內(nèi)就可完成交易。 非接觸式 IC卡，由于卡與讀寫器間無機(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，又具備如下諸多長處 : (1) 可靠性高、壽命長 卡與讀寫器間無機(jī)械接觸，故不存在接觸式讀寫器可能出現(xiàn)的各種故障，卡和讀寫器均無裸露觸點(diǎn)，則無須擔(dān)心觸點(diǎn)損壞或脫落所致之卡片失效。卡和讀寫器均為全封閉防水、防塵結(jié)構(gòu)，既避免了靜電、塵污對卡的影響，操作快捷便利 。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 這些都將大大提高卡乃至機(jī)具的可靠性和使用壽命。 (2) 防偽性好 每張卡都有一個由制造商在產(chǎn)品出廠前固化于芯片的 3 2 位序列號，一旦寫入即不可更改，且世界惟一。 (3) 安全性好 卡與讀寫器間采用三次相互確認(rèn)的雙向驗(yàn)證機(jī)制，在讀寫器驗(yàn)證卡的合法性的同時卡也對讀寫器合法性進(jìn)行檢驗(yàn)。所有通訊數(shù)據(jù)均加密，以防止信號截取?？▋?nèi)各扇區(qū)均有自己的操作密碼和訪問條件，并實(shí)行芯片傳輸密碼保護(hù)。 (4)抗干擾能力強(qiáng) 具備防沖突 (防碰撞 )機(jī)制，同一時間可“同時”處理多張卡，而不致出現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)干擾。 (5) 一卡多 用 用戶可根據(jù)需要，靈活定義各存儲扇區(qū)的密碼和訪問條件，以便互不影響地分別滿足不同場合、不同用途的要求。 綜上述兩種 IC 卡的介紹，采用非接觸式 IC 卡來完成公交汽車 IC 卡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前，在世界智能卡市場上主要有三大品牌 : Mifare,Temic,Legic 它們各具特點(diǎn)，性能也各具千秋。但由于市場占有率和性能價格比 Temic,Legic。不如Mifare 1 型 IC 卡，因此通常選擇 Mifare 1 型射頻 IC卡作為公交控制系統(tǒng)的信息載體。在本系統(tǒng)采用符合 IS014443 標(biāo)準(zhǔn)的 Mifare 1 型非接觸式邏 輯加密卡。 單片機(jī)選擇 公交 IC 卡控制系統(tǒng)的讀寫器 電路板向著小型化、低功耗、抗千擾、低成本、實(shí)用功能方向發(fā)展 。 因此在對單片機(jī)的選擇趨向于容量適中、功能豐富、性能可靠、價格低的元件。 因此本設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛的 MCS51 系列 8 位單片機(jī) 8051。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)概述 8051 單片機(jī)結(jié)構(gòu)和原理 1 8051 單片機(jī)的內(nèi)部組成 8051 內(nèi)部有 4 KB ROM，基本組成如圖 31 所示。 CPU時鐘電路P 0 P 3P 2P 1 TXD RXD INT 0 INT 1并行接口 串行接口 中斷系統(tǒng)定時 / 計(jì)數(shù)器RAMROMT 0 T 1 圖 31 8051 單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 1) 中央處理器（ CPU） 中央處理器是單片機(jī)的核心 ,完成運(yùn)算和控制功能。 8051的 CPU 能處理 8 位二進(jìn)制數(shù)或代碼。 2) 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部 RAM） 8051 芯片中共有 256 個 RAM 單元，但其中后 128 單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前 128 單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。因此通常所說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指前 128 單元，簡稱內(nèi)部 RAM。 3) 內(nèi)部程序存儲器（內(nèi)部 ROM） 8051 共有 4KB 掩膜 ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格，因此，稱之為程序存儲器，簡稱 內(nèi)部 ROM。 4) 定時 /計(jì)數(shù)器 8051 共有兩個 16 位的定時 /計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時或計(jì)數(shù)功能，并以其定時或計(jì)數(shù)結(jié)果對計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 5) 并行 I/O 口 MCS51 共有 4 個 8 位的 I/O 口（ P0、 P P P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入 /蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 輸出。 6) 串行口 8051 單片機(jī)有一個全雙工的串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其它設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強(qiáng)，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。 7) 中斷控制系統(tǒng) 8051 單片機(jī)的中斷功能較強(qiáng)，以滿足控制應(yīng)用的需要。 8051 共有 5 個中斷 源，即外中斷兩個，定時 /計(jì)數(shù)中斷兩個，串行中斷一個。全部中斷分為高級和低級共兩個優(yōu)先級別。 8) 時鐘電路 8051 芯片的內(nèi)部有時鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時鐘脈沖序列。系統(tǒng)允許的晶振頻率一般為 6 MHz 和 12 MHz。 從上述內(nèi)容可以看出， MCS51 雖然是一個單片機(jī)芯片，但作為計(jì)算機(jī)應(yīng)該具有的基本部件它都包括，因此，實(shí)際上它已是一個簡單的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)了。 2 8051 的信號引腳 8051 是標(biāo)準(zhǔn)的 40 引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳如圖 32 所示。 圖 32 1） 信號 引腳介紹 （ 1）主電源引腳 ◇ VCC： +5 V 電源 ◇ VSS：地線。 （ 2）時鐘電路引腳 ◇ XTAL1 和 XTAL2：外接晶體引線端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引線端蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。 （ 3）控制信號引腳 ◇ RST/VPD：復(fù)位信號。當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)兩個機(jī)器周期以上的高電平時即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作 。當(dāng)單片機(jī)掉電時，此引腳上可接備用電源，由 VPD 向片內(nèi) RAM 提供備用電源，一保持片內(nèi) RAM 中的數(shù)據(jù)不丟失。 ◇ ALE/PROG：地址 鎖存控制信號。在系統(tǒng)擴(kuò)展時， ALE 用于控制把 P0 口輸出的低 8 位地址鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外，由于 ALE 是以晶振 1/6 的固定頻率輸出的正脈沖，因此 ,可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。 對于 EPROM 型單片機(jī)，在 EPRAM 編程期間，此引腳接收編程脈沖。 ◇ PSEN:片外程序存儲器讀選通信號輸出端。 ◇ EA/VPP：訪問程序存儲控制信號。當(dāng) EA 信號為低電平時，對 ROM 的讀操作限定在外部程序存儲器；當(dāng) EA 信號為高電平時，對 ROM 的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。 對于 EPROM 型單片機(jī)，在 EPRAM 編程期間，此引腳接上加 21V EPROM 編程電源VPP。 (4)I/O 引腳 ～ ： P0 口 8 位雙向口線。 ～ ： P1 口 8 位雙向口線。 ～ ： P2 口 8 位雙向口線。 ～ ： P3 口 8 位雙向口線。 2) P3 口線的第二功能。 P3 的 8 條口線都定義有第二功能，詳見表 31。 表 31 P3 口各引腳與第二功能表 引腳 第二功能 信號名稱 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 INT0 外部中斷 0申請 INT1 外部中斷 1申請 T0 定時 /計(jì)數(shù)器 0 的外部輸入 T1 定時 /計(jì)數(shù)器 1的外部輸入 WR 外部 RAM寫選通 RD 外部 RAM讀選通 以上把 8051 單片機(jī)的全部信號引腳分別以第一功能和第二功能的形式列出。對于各種型號的芯片，其引腳的第一功能信號是相同的，所不同的只在引腳的第蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 二功能信號。對于 30 和 31 三個引腳，由于第一功能信號與第二功能信號是單片機(jī)在 不同工作方式下的信號，因此不會發(fā)生使用上的矛盾。但是 P3 口的情況卻有所不同，它的第二功能信號都是單片機(jī)的重要控制信號。因此，在實(shí)際使用時，都是先按需要選用第二功能信號，剩下的才以第一功能的身份作數(shù)據(jù)位的輸入 /輸出使用。 3 并行輸入 /輸出口電路結(jié)構(gòu) 單片機(jī)芯片內(nèi)還有一項(xiàng)主要內(nèi)容就是并行 I/O 口。 8051共有 4 個 8 位的并行I/O 口，分別記作 P0、 P P P3。每個口都包含一個鎖存器、一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。實(shí)際上，它們已被歸入專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。在訪問片外擴(kuò)展存儲器時，低 8 位 地址和數(shù)據(jù)由 P0 口分時傳送，高 8位地址由 P2 口傳送。在無片外擴(kuò)展存儲器的系統(tǒng)中，這 4 個口的每一位均可作為雙向的 I/O 端口使用。 8051 單片機(jī)的 4 個 I/O 口都是 8 位雙向口，這些口在結(jié)構(gòu)和特性上是基本相同的，但又各具特點(diǎn)。 4 時鐘電路 （ 1）內(nèi)部方式時鐘電路 在 8051 芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳 XTAL1，其輸出端為引腳 XTAL2。而在芯片的外部， XTAL1 和 XTAL2 之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機(jī)的時鐘電路，如圖 33所示。 時鐘電路產(chǎn)生 的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進(jìn)行二分頻之后，才成為單片機(jī)的時鐘脈沖信號。請讀者特別注意時鐘脈沖與振蕩脈沖之間的二分頻關(guān)系，否則會造成概念上的錯誤。一般地，電容 C1和 C2 取 30pF 左右，晶體的振蕩頻率范圍是 ～12MHz。晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快。 8051在通常應(yīng)用情況下，使用振蕩頻率為 6MHz 或 12MHz。 1XTAL 1XTAL 2C1C2晶振8051至內(nèi)部時鐘電路 圖 33 時鐘振蕩電路 （ 2）外部方式時鐘電路 在由多片單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，為了各單片機(jī)之間時鐘信號的同步，應(yīng) 當(dāng)引蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 入惟一的公用外部脈沖信號作為各單片機(jī)的振蕩脈沖。這時，外部的脈沖信號是經(jīng) XTAL2 引腳注入，其連接如圖 34 所示。 80511XTAL 1XTAL 2VSSTTL外部時鐘信號VCC 圖 34 外部時鐘源接法 （ 3） 時序 時序是用定時單位來說明的。 8051 的時序定時單位共有 4 個，從小到大依次是：節(jié)拍、狀態(tài)、機(jī)器周期和指令周期。它們之間的關(guān)系如下： （ 1）一個振蕩脈沖的周期為節(jié)拍； （ 2）一個狀態(tài)就包含兩個節(jié)拍； （ 3）一個機(jī)器周期的寬度為 6 個狀態(tài)； （ 4）一條指令周期由若干個機(jī)器周期組成。 5 單片機(jī)的復(fù)位 電路 單片機(jī)復(fù)位是使 CPU 和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，復(fù)位后 PC=0000H，使單片機(jī)從第一個單元取指令。單片機(jī)復(fù)位的條件是：必須使 RST/VPD 或 RST 引腳加上持續(xù)兩個機(jī)器周期（即 24 個振蕩周期）的高電平。若時鐘頻率為 12 MHz，每機(jī)器周期為 1 μ s，則只需 2μ s 以上時間的高電平，在 RST 引腳出現(xiàn)高電平后的第二個機(jī)器周期執(zhí)行復(fù)位。 單片機(jī)復(fù)位期間不產(chǎn)生 ALE 和 PSEN 信號，即 ALE=1 和 PSEN=1。這表明單片機(jī)復(fù)位期間不會有任何取指操作。復(fù)位后，內(nèi)部各專用寄 存器狀態(tài)如下 : PC： 0000H TMOD： 00H ACC： 00H TCON： 00H B： 00H TH0： 00H PSW： 00H TL0： 00H SP： 07H TH1： 00H DPTR： 0000H TL1： 00H P0~P3： FFH SCON： 00H IP： ***00000B SBUF： 不定 IE： 0**00000B PCON： 0***0000 其中， *表示無關(guān)位。注意： 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 (1) 復(fù)位后 PC 值為 0000H，表明復(fù)位后程序從 0000H 開始執(zhí)行，這一點(diǎn)在實(shí)訓(xùn)中已介紹。 (2) SP 值為 07H，表明堆棧底部在 07H。一般需重新設(shè)置 SP 值。 (3) P0~P3 口值為 FFH。 P0~P3 口用作輸入口時，必須先寫入 “1” 。單片機(jī)在復(fù)位后，已使 P0~P3 口每一端線為 “1” ，為這些端線用作輸入口做好了準(zhǔn)備。 存儲器 1 8051 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 8051 單片機(jī)的芯片內(nèi)部有 RAM 和 ROM 兩類存儲器，即所謂的內(nèi)部 RAM 和內(nèi)部ROM，首先分析內(nèi)部 RAM。 1） 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器低 128 單元 8051 的內(nèi)部 RAM 共有 256 個單元，通常把這 256 個單元按其功能劃分為兩部分：低 128 單元（單元地址 00H～ 7FH）和高 128 單元（單元地址 80H～ FFH）。 低 128 單元是單片機(jī)的真正 RAM 存儲器，按其用途劃分為寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和用戶 RAM 區(qū)三個區(qū)域。 （ 1） 寄存器區(qū) 8051 共有 4 組寄存器，每組 8 個寄存單元，各組都以 R0～ R7作寄存單元編號。寄存器常用于存放操作數(shù)中間 結(jié)果等。由于它們的功能及使用不作預(yù)先規(guī)定，因此稱之為通用寄存器，有時也叫工作寄存器。 4 組通用寄存器占據(jù)內(nèi)部 RAM 的 00H～