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用PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的IC卡讀寫器
摘要：詳細(xì)介紹PIC單片機(jī)使用SPI方式與IC卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑砗碗娐吩O(shè)計(jì)，以及使用USART方式與PC機(jī)進(jìn)行串行異步通信的工作原理；介紹PIC單片機(jī)聽SPI方式和USART方式的設(shè)置方法。關(guān)鍵詞：PIC單片機(jī)IC卡讀寫器SPI方式USART方式
引言
本設(shè)計(jì)的主要目的是介紹IC卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)和IC卡的數(shù)據(jù)通信，因而使用存儲(chǔ)器卡。由于本設(shè)計(jì)中既可與IC卡進(jìn)行串行同步通信，又要與上位機(jī)進(jìn)行中行異步通信，因而需要選擇一種同時(shí)具有這兩種通信方式的單片機(jī)。因?yàn)镻IC16F877不僅具有本設(shè)計(jì)所需要的兩種通信方式，而且還具有運(yùn)行速度快、低功耗、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，所以選擇PIC16F877單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的單片機(jī)。
圖1是本設(shè)計(jì)的電路圖，圖中電源變換電路和發(fā)光二極管等指示電路沒有畫出。圖中的二極管電路是單片機(jī)與IC卡通信數(shù)據(jù)線的保護(hù)電路。當(dāng)數(shù)據(jù)線上的電壓為負(fù)電壓時(shí)，與地相連的二極管導(dǎo)通；當(dāng)數(shù)據(jù)線上的電壓大于+5V時(shí)，與+5V相連的二極管導(dǎo)通，從而保證數(shù)據(jù)線上的電壓在0V～+5V之間，保護(hù)單片機(jī)和IC卡不受損壞。圖中單片機(jī)的15腳和23腳分別與IC卡的輸出引腳3和4相連。由于IC卡的輸出電壓為CMOS電平，而單片機(jī)能夠正確的識(shí)別IC卡的輸出信號(hào)，需要加上拉電阻。
1SPI工作方式
串行外圍設(shè)備接口SPI（SerialPeripheralInterface）總線技術(shù)是Motrola公司推出的一種同步串行接口。SPI總線是一種三線同步總線，因其硬件能力很強(qiáng)，與SPI有關(guān)的軟件就相當(dāng)簡(jiǎn)單，使CPU有更多的時(shí)間處理其它事務(wù)，因此得到廣泛應(yīng)用。
SPI模式允許8位數(shù)據(jù)同步發(fā)送和接收，支持SPI的所有四種方式。SPI模式傳輸數(shù)據(jù)需要四根信號(hào)線：串行數(shù)據(jù)輸出（SDO）線、串行數(shù)據(jù)輸入（SDI）線、串行時(shí)鐘（SCK）和從選擇（SS）。其中，從選擇線只用于從屬模式。
1.1SPI主模式
由于控制時(shí)鐘SCK的輸出，主模式可以在任何時(shí)候開始傳輸數(shù)據(jù)。主模式通過軟件協(xié)議控制從模式的數(shù)據(jù)輸出。
在主模式中，一旦SSPUF寄存器寫入，數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)送或接收。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，SSPSR寄存器按照時(shí)鐘速率移位，一旦接收到一個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)就傳輸?shù)絊SPBUF，同時(shí)中斷標(biāo)志位和狀態(tài)標(biāo)志位置位。
時(shí)鐘的極性可以通過編程改變。在主模式中，時(shí)鐘SCK的頻率可以設(shè)置為：fosc/4(即Tcy)、fosc/16(即4Tcy)、fosc/64(即16Tcy)和定時(shí)器2（Timer2）輸出的二分頻等四種。在芯片時(shí)鐘為20MHz時(shí)，SCK的最大頻率為5.0MHz。
在本設(shè)計(jì)中，使用的就是SPI主模式，由單片機(jī)控制時(shí)鐘SCK的輸出。當(dāng)向IC卡中寫數(shù)據(jù)時(shí)，隨時(shí)可以發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)讀IC卡內(nèi)的數(shù)據(jù)時(shí)，先要發(fā)送任意一個(gè)數(shù)據(jù)（此時(shí)IC卡不處于寫入狀態(tài)，不會(huì)接收該數(shù)據(jù)），給IC卡提供輸出數(shù)據(jù)的時(shí)鐘，然后再接收IC卡發(fā)出的數(shù)據(jù)。其時(shí)序如圖2所示。（發(fā)送和接惦的數(shù)據(jù)均為6FH）
如果要連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么每次將數(shù)據(jù)送到SSPBUF寄存器后，都要判斷是否已經(jīng)發(fā)送完該數(shù)據(jù)，即判斷PIR1寄存器的SSPIF位是否為1。如果SSPIF位為1，則表明數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，可以繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。但此時(shí)還不能立即發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)，因?yàn)镾SPIF位必須在程序中由軟件清零，只有將SSPIF位軟件清零后，才能繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。
1.2SPI從模式
在SPI從模式，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收領(lǐng)先SCK引腳上輸入的外時(shí)鐘脈沖，當(dāng)最后一位被鎖存后，中斷標(biāo)志位SSPIF（PIR1的D3）位。在休眠模式，從模式仍可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，一旦接收到數(shù)據(jù)，芯片就從休眠中喚醒。如果采用SS控制的從模式，當(dāng)SS引腳接到VDD時(shí)，SPI模式復(fù)位；如果彩CKE=1控制的從模式，必須開放SS引腳控制。
在本設(shè)計(jì)中，由于IC卡是存儲(chǔ)器卡，不能提供時(shí)鐘信號(hào)，因此不能采用從模式，只能采用主模式，由單片機(jī)控制時(shí)鐘信號(hào)。
單片機(jī)的SPI方式初始化程序如下：
MOVLW20H；將20H送到累加器
MOVWFSSPCON；將累加器中的數(shù)送到SSPCON寄存器
BSFSTATUS，RP0
；將定RAM區(qū)的第1頁
BCFSSPSTAT，SMP；將SSPSTAT寄存器的SMP位置0
BSFSSPSTAT，CKE；將SSPSTAT寄存器的CLK位置1
BCFTRISC，3；將端口C的第3位設(shè)置為輸出
BCFTRISC，5；將端口C的第5位設(shè)置為輸出
其中，上述第1、2行程序是配置控制寄存器，將SPI方式配置為主控模式，時(shí)鐘頻率為單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/4，并將時(shí)鐘的高電平設(shè)置為空閑狀態(tài)。第3行程序?yàn)閾Q頁指令，將指針轉(zhuǎn)到第1頁。因?yàn)镻IC16F877單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是分頁的，而所要操作的寄存器在第1頁，因此要用換頁指令將指針到第1頁。第4、5行程序是配置狀態(tài)寄存器，將SPI方式設(shè)置為數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘的中間采樣，時(shí)鐘SCK的上升沿觸發(fā)。第6、7行程序則是將RC口的RC3和RC5設(shè)置為輸出。
2USART方式
通用同步異步接收發(fā)送模塊（USART）是兩個(gè)串行通信接口之一，USART又稱為SCI（SerialCommunicationInterface）。USART可以設(shè)置為全雙工異步串行通信系統(tǒng)，這種方式可以與個(gè)人計(jì)算機(jī)PC或串行接口CRT等外圍設(shè)備進(jìn)行串行通信：也可以設(shè)置為半雙工異步串行通信系統(tǒng)，與串行接口的A/D或D/A集成電路、串行EEPROM等器件連接。USART是二線制串行通信接口，它可以被定義如下三種工作方式：全雙工異步方式、半雙工同步主控方式、半雙工同步從動(dòng)方式。
為了把RC6和RC7分別設(shè)置成串行通信接口的發(fā)送/時(shí)鐘（TX/CK）線和接收/數(shù)據(jù)（TX/DT）線，必須首先把SPEN位（TCSTAT的RD7）和方向寄存器TRISC的D7：D6置1。
USART功能模塊含有兩個(gè)8位可讀/寫的狀態(tài)/控制寄存器，它們是發(fā)送狀態(tài)/控制寄存器TXSTA和接收狀態(tài)/控制寄存器TCSTA。
USART帶有一個(gè)8位波特率發(fā)生器BRG（BaudRatoGenerator），這個(gè)BRG支持USART的同步和異步工作方式。用SPBRG寄存器控制一個(gè)獨(dú)立的8位定時(shí)器的周期。在異步方式下，發(fā)送狀態(tài)/控制寄存器TXSTA的BRGH位（即D2）也被用來控制波特率（在同步方式下忽略BRGH位）。
向波特率寄存器SPBRG寫入一個(gè)新的初值時(shí)，都會(huì)使BRG定時(shí)器復(fù)位清零，由此可以保證BRG不需要等到定時(shí)器溢出后就可以輸出新的波特率。
對(duì)USART方式進(jìn)行初始化的程序如下：
BSFSTATUS，RP0；將指針指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的第1頁
MOVLW0x19
MOVWFSPBRG；設(shè)置波特率為9600
BCFSTATUS，RP0；將指針指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的第0頁
CLRFRCSTA；將接收控制和狀態(tài)寄存器清零
BSFRCSTA，SPEN；串口允許
CLRFPIR1；清除中斷標(biāo)志
BSFSTATUS，RP0；將指針指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的第1頁
CLRFTXSTA；將發(fā)送控制和狀態(tài)寄存器清零
BSFTXSTA，BRGH；設(shè)置為異步、高速波特率
BSFTXSTA，TXEN；允許發(fā)送
BCFSTATUS，RP0；將指針指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的第0頁
BSFRCSTA，CREN；允許接收
初始化完成后，即可發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，通過查詢發(fā)送/接收中斷標(biāo)志位即可判斷是否發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)/接收到一個(gè)數(shù)據(jù)。發(fā)送/接收中斷標(biāo)地不需要也不有用軟件復(fù)位。
在異步串行發(fā)送的過程中，只要TXREG寄存器為空，中斷標(biāo)志TXIF就置位。因此，TXIF為1并不是發(fā)送完畢的標(biāo)志，但仍可以用TXIF標(biāo)志來判斷。因此當(dāng)TXREG為空時(shí)，將數(shù)據(jù)送入后，數(shù)據(jù)會(huì)保留在TXREG寄存器中，直到前一個(gè)數(shù)據(jù)從發(fā)送移位寄存器中移出，即前一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送完。
3IC卡
IC卡是集成電路卡（Integra
tedCircuitCard）的簡(jiǎn)稱，有些國(guó)家和地址稱其為智能卡（SmartCard）、芯片卡（ChipCard）。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）在ISO7816標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，IC卡是指在由聚氯乙烯（PVC）或聚氯乙烯酸脂（PVCA）材料制成的塑料卡內(nèi)嵌入式處理器和存儲(chǔ)器等IC芯片的數(shù)據(jù)卡。近年來，由于導(dǎo)半體技術(shù)的進(jìn)步，集成化程度和存儲(chǔ)器容量有了很大提高，并使CPU和存儲(chǔ)器集成在一個(gè)芯片上，從而提高了數(shù)據(jù)的安全性。
在本設(shè)計(jì)中，IC卡采用的是AT45DB041B-SC芯片，該芯片的特點(diǎn)如一下：
*單一的2.7V～3.6V電源；
*串行接口結(jié)構(gòu)；
*頁面編程操作，單一的循環(huán)重復(fù)編程（擦除和編程，2048頁（每頁264字節(jié)）主存；
*兩個(gè)264字節(jié)的SRAM數(shù)據(jù)緩存，允許在重編程非易失性存儲(chǔ)器時(shí)接收數(shù)據(jù)；
*內(nèi)置的編程和控制定時(shí)器；
*低功耗，4mA有源讀取電流，2μACMOS備用電流；
*15MHz的最大時(shí)鐘頻率；
*串行外圍接口方式（SPI）——模式0和3；
*CMOS的TTL兼容的輸入和輸出；
*5.0V可承受的輸入，SI、SCK、CS（低電平有效）、RESET（低電平有效）。
在本設(shè)計(jì)的調(diào)試過程中，曾測(cè)試過IC卡的輸入輸出電平，結(jié)果證明這種IC卡的輸入電平與TTL兼容，而輸出電平與TTL不兼容。
4IC卡的電源提供電路
在本設(shè)計(jì)中，由于IC卡的電源電壓范圍為+2.7～+3.6V，而PIC單片機(jī)需要的電源為+5V，而且穩(wěn)壓源提供的電壓也是+5V，因此，要設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)壓模塊，給IC卡提供+3V左右的電壓。設(shè)計(jì)電路如圖3所示。
該電路的主要元件為L(zhǎng)M317芯片，它是三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器，輸出電壓為1.25～37V范圍內(nèi)可調(diào)。當(dāng)其Vin端的輸入電壓在2～40V范圍內(nèi)變化時(shí)，電路均能正常工作，輸出端Vout和調(diào)整端ADJ間的電壓等于基準(zhǔn)電壓1.25V。該芯片內(nèi)的基電路的工作電流IREF很小，約為50μA，由一個(gè)恒流性很好的恒流源提供，所以它的大小不受供電電壓的影響，非常穩(wěn)定。在圖3中，B點(diǎn)為電壓輸出端，為IC卡提供電壓。A點(diǎn)為控制端，與單片機(jī)的一個(gè)端口引腳相連，當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，三極管Q1不工作，B點(diǎn)輸出電壓約為3.15V；當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，三極管Q1工作，B點(diǎn)輸出電壓約為1.25V。在程序中查詢IC卡插座中是否有IC卡，當(dāng)有IC卡時(shí)，將A點(diǎn)所連的單片機(jī)引腳設(shè)置為低電平，從而為IC卡提供電源；當(dāng)沒有IC卡或?qū)C卡的操作結(jié)束時(shí)，將A點(diǎn)連的單片機(jī)引腳設(shè)置為高電平，從而不給IC卡提供電源。
IC卡的上電和下電程序如下。
IC卡上電子程序IC卡下電子程序
POWERONPOWEROOF
BSFSTATUS，RP0BSFSTATUS，RP0
BCFTRISE，0BCFTRISE，0
BCFRTISE，1BCFTRISE，1
BCFSTATUS，RP0BCFSTATUS，RP0
BCFPORTE，0BSFPORTE，0
BCFPORTE，1BSFPORTE，1
CALLDLYTIMCALLDLYTIM
RETURNRETURN
在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)與IC卡通信的主程序流程圖如圖4所示。
5與PC機(jī)的通信
在本設(shè)計(jì)中，有PIC單片機(jī)與PC機(jī)串行通信的功能。由于本設(shè)計(jì)所用的單片機(jī)PIC16F877有USART方式，該方式可將C口的RC5和RC7設(shè)置成異步串行通信模式，因而在本設(shè)計(jì)中，與PC機(jī)的通信模塊電路就比較簡(jiǎn)單。將單片機(jī)C口的RC6和RC7設(shè)置為異步串行通信模式，經(jīng)過MAX232A芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平，再與DB9接口相連，即可實(shí)現(xiàn)通信。在PC機(jī)端，可以用VC等編程工具根據(jù)通信協(xié)議編寫軟件來控制對(duì)IC卡的讀寫操作。
6結(jié)論
經(jīng)過調(diào)試，本設(shè)計(jì)能夠在脫離在線仿真器的情況下，上電后獨(dú)立的運(yùn)行程序，并能在PC機(jī)軟件的控制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡中任意位置的讀寫，其中讀寫的起始地址、讀寫數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)以及數(shù)據(jù)內(nèi)容可以在PC機(jī)端輸入或選擇。
本設(shè)計(jì)已在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)試過，具有實(shí)用價(jià)值。由于本設(shè)計(jì)中所使用的PIC單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器較大（8KB），因而可以編寫較大的程序，實(shí)現(xiàn)多合一該卡器并由PC機(jī)控制讀寫哪種芯片的IC卡。另外，由于本設(shè)計(jì)所使用單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器是Flash存儲(chǔ)器，因而可以方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載和升級(jí)。
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