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一种安全可靠的IC卡读写器系统
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摘 要 采用XICOR公司的X76F100作串行E2PROM，设计以MCS-51单片机为核心的IC卡读写器系统。可以实现查询、安全存储、修改密码等功能。用户还可以根据需要进行功能扩充。
1 IC卡读写器概述
人们日常生活中经常接触到磁卡和IC卡，它们是根据卡片上的信息载体的不同而划分的。卡片及其读写器都属于人机接口的输入输出设备。磁卡是在卡片上贴一条窄窄的磁带来记录信息的，它主要用于车船票 、信用卡、电话磁卡、旅馆门钥匙等。IC卡则为近几年才出现的新型卡片，在卡片上嵌有IC（E2PROM，有的还有CPU）。由于它保存的信息比较可靠安全、可以高达几万次的读写，所以大量应用于公交车票 、饭票 、保健卡、收费系统等。下面介绍一种以XICOR公司的X76F100为卡片的、用于存取款的IC卡读写器方案。
2 硬件组成
图1为IC卡及其读写器硬件电路图。其中读写器由单片机、键盘、显示、监控电路等部分组成。IC卡采用XICOR公司的X76F100Y。
图1 IC卡读写器系统电路图
2.1 IC卡及卡座
X76F100为128×8位的保密串行FLASH E2PROM，其中读密码和写密码分别为64位。图2为其智能卡Smart Card封装的引脚图。把芯片封装在一个卡片上，将卡片插入IC卡读写器的卡座中，读写器就可以对它进行读写，实现加密、查询、存款、取款等功能。
IC卡座有8个引脚，当X76F100Y插入时，正好同这几个引脚相连。另外还有两个固定端，其中一个固定端同卡座上一个弹簧片相连，两个触点和簧片就相当于一个常闭开关。当卡未插入时，簧片闭合，P3.2脚保持低电平；当卡插入时，簧片被顶开，P3.2脚变为高电平。当单片机检测到P3.2脚变高，通过P1.3 使X76F100的RST引脚变高，使其复位。
2.2 单片机
单片机采用LG公司的GMS97C52。它有8K字节的ROM，256个字节的RAM以及32个I/O口，P1口与串行器件X25045和X76F100连接，P0、P2口用于键盘和显示，P3口中P3.2用于检测IC卡是否插入，其余7个口，可作其它功能扩充。
图2 X76F100Y引脚
2.3 监控电路
监控电路采用X25045芯片，它包括看门狗定时器、电压监控电路和E2PROM存贮器。其功能是：上掉电时对GMS97C52产生RESET信号；看门狗对系统进行监控，防止死机。
2.4 键盘电路
为了方便，键盘接口电路用I/O口实现，它为4×4结构，16个键。其中数字键11个，功能键4个，回车键1个。
数字键：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、←（退格）。
功能键：查询？、存储+、取款－、改密码* 。
查询？：用户通过读密码可以查询卡中所存的款额。
存款+ ：用户通过写密码可以将款存入卡中。
取款－：用户通过写密码可以从卡中取款。
改密码*：分为修改读密码和写密码。为方便起见，令读密码和写密码一
致，按此键将同时修改读密码和写密码。
回车键：8位密码或存取款数输入完确认，以及新密码输入完确认。
2.5 显示电路
显示部份采用LED显示器，也用I/O口实现。用于显示系统状态、输入的密码或所要存取的款额以及出错信息等。
由于GMS97C52的驱动电流有限，在P0、P2口加反向器SN74F04，增加驱动能力。它的吸入电流为64mA，输出电流为15mA，可以保证位选所需的吸入电流。
3 程序设计
3.1 主程序流程图
主程序流程图如图3所示。
开机后，系统处于待机状态，不断查询P3.2脚电平，当X76F100插入读写器卡座时，P3.2脚电平变高，单片机检测到P3.2高电平信号时，使P1.3脚电平变高，如果此时为低电平，X76F100复位，输出32位固定的“同步复位响应”数据。然后循环扫描键盘显示程序，进行存款、取款、查询或改密码。一次操作完成后返回，然后不断循环。
3.2 循环键盘显示程序
循环扫描键盘显示程序如图4所示，它采用程控扫描方式。键盘实际操作的顺序是：先按功能键，然后依次输入8位（十进制）密码，按回车键确认。当存取款时，随后输入所存取的款额；当修改密码时，随后输入8位新密码，输完后按回车键确认。若输入密码正确，显示IC卡内存款的余额或改密码成功信息（SUCCESS）。若密码不正确，提示重新输入，允许输入密码4次。
为了记录操作中正在进行的状态，在键盘程序中设置了多个指针。
（1）KEY 有否按键按下标志。00H表示无键按下，01H表示有键按下。此标志用于判断按键是否已松开，防止误操作。
(2）FUN为功能键指针，00H表示无功能键按下，01H表示存款（ADD），02H表示取款（SUB），03H表示查询（IQUIRE），04H表示改密码（CHANGE PASSWORD）。
（3）DIG为允许数字键输入标志，00H表示不允许，01H表示允许。此标志主要是防止输入多余的密码，或输入的款数超出限额。
（4） NUM表示输入第几个数字，00H表示无数字输入，01H～08H表示输入密码，09H～10H表示输入款数或新密码，若NUM为11H，显示出错信息。
3.3 X76F100读程序举例
图4 循环键盘显示程序流程图
X76F100为I2C总线E2PROM。SCL为时钟输入，SDA为双向数据输入输出线。通过片输入来控制对器件的访问。下面以页写为例，先结合时序说明X76F100的工作过程，然后给出程序。
页写时序如图5所示。在该系统中，GMS97C52为主机，X76F100为从机。首先主机向从机发一个START命令，产生开始条件，然后发写命令字。当从机接到命令后，向主机发一个应答信号NACK。然后跟随8字节密码，随后进入一个写周期，写周期结束后进行密码应答轮询ACK Polling。X76F100要求主机用专用的应答命令55H进行应答轮询。如果输入的密码正确，将返回一个“ACK”。如果密码不正确，将返回“no-ACK”，重试计数器加1，返回到启始位置，提示重新送入写命令字和8字节密码。若密码正确，主机接着送入8个字节的数据，ACK响应成功后，主机发出STOP命令完成写操作。下面是用写密码进行页写的程序。
图5 页写时序图（需要密码）
WRITE_USING_WRITE_PASS: ;用写密码进行写操作
ACALL START
;调开始命令
MOV A,#SECTOR_WR
;调页写命令
ACALL OUTBYTE
;调输出字节命令
ACALL NACK
;X76F100发应答信号
ACALL WR_WR_PASS
;调写密码命令
ACALL T10ms
;10ms延时开始写密码周期
ACALL ACK_POLLING
;调密码应答轮询子程序
ACALL WR_DATA
;调页写数据子程序
ACALL STOP
;调停止命令
ACALL T10ms
;延时10ms写密码周期
RET
WR_WR_PASS: ;将写密码写入X76F100
MOV R0,#WR_PASS7
;将密码首址送入R0
MOV R1,#08H
;写密码为8个字节
WP:MOV A,@R0 ;将R0中的数据送入A中
ACALL OUTBYTE
;输出字节子程序
ACALL NACK
INC R0
DJNZ R1,WP
RET
WR_DATA: ;将数据写到X76F100中
MOV R0,#DATA0
;将数据首地址送入R0
MOV R1,#08H
;一页有8个数据
WB: MOV A,@R0 ;将R0中数据送入A
ACALL OUTBYTE
;调输出字节子程序
ACALL NACK
;从机发应答信号
INC R0
;下一个字节
DJNZ R1,WB
;循环直到R1为0
RET
OUTBYTE: ;主机向X76F100发字节
MOV R2,#08H
;一个字节有8位
LOOPO:
CLR SCL_76
RLC A
;移位
MOV SDA_76,C
;将进位送入数据线
SETB CL_76
DJNZ R2,LOOP
;循环直到R2为0
RET
START:
SETB SDA_76
;开始子程序
SETB SCL_76
CLR SDA_76
CLR SCL_76
RET
STOP:
CLR SDA_76
;停止子程序
SETB SCL_76
SETB SDA_76
RET
ACK_POLLING: ;密码应答轮询子程序
ACALL START
MOV A,#55H
;主机发固定应答命令
ACALL OUTBYTE
ACALL NACK
;调从机发应答信号
JC PASS_ERROR
;若有进位则密码错误
RET
PASS_ERROR: ;密码错误
ACALL STOP
RET
ACK:
CLR SDA_76
;主机执行一个应答
ACALL CLOCK
RET
NACK:
SETB SDA_76
;从机执行一个应答
ACALL CLOCK
RET
CLOCK:
SETB SCL_76
;第9个脉冲
MOV C,SDA-76
;读SDA状态以判断是否有应答
CLR SCL_76
RET
T10ms:
MOV R7,#064H
;10ms延时
T10A:
MOV R6,#032H
T10B:
DJNZ R6,T10B
DJNZ R7,T10A
RET
参 考 文 献
1 詹树仁主编. GMS90及GMS97系列单片机的工作原理及其应用. 武汉力源电子股
份有限公司，1998年
2 赵依军，胡戎. 单片机微机接口技术. 人民邮电出版社，1989
3 卢存伟，钱捷. 微机原理及应用系统设计. 河海大学出版社，1992年
4 X76F100 DATA SHEET. XICOR公司
1 IC卡读写器概述
人们日常生活中经常接触到磁卡和IC卡，它们是根据卡片上的信息载体的不同而划分的。卡片及其读写器都属于人机接口的输入输出设备。磁卡是在卡片上贴一条窄窄的磁带来记录信息的，它主要用于车船票 、信用卡、电话磁卡、旅馆门钥匙等。IC卡则为近几年才出现的新型卡片，在卡片上嵌有IC（E2PROM，有的还有CPU）。由于它保存的信息比较可靠安全、可以高达几万次的读写，所以大量应用于公交车票 、饭票 、保健卡、收费系统等。下面介绍一种以XICOR公司的X76F100为卡片的、用于存取款的IC卡读写器方案。
2 硬件组成
图1为IC卡及其读写器硬件电路图。其中读写器由单片机、键盘、显示、监控电路等部分组成。IC卡采用XICOR公司的X76F100Y。
图1 IC卡读写器系统电路图
2.1 IC卡及卡座
X76F100为128×8位的保密串行FLASH E2PROM，其中读密码和写密码分别为64位。图2为其智能卡Smart Card封装的引脚图。把芯片封装在一个卡片上，将卡片插入IC卡读写器的卡座中，读写器就可以对它进行读写，实现加密、查询、存款、取款等功能。
IC卡座有8个引脚，当X76F100Y插入时，正好同这几个引脚相连。另外还有两个固定端，其中一个固定端同卡座上一个弹簧片相连，两个触点和簧片就相当于一个常闭开关。当卡未插入时，簧片闭合，P3.2脚保持低电平；当卡插入时，簧片被顶开，P3.2脚变为高电平。当单片机检测到P3.2脚变高，通过P1.3 使X76F100的RST引脚变高，使其复位。
2.2 单片机
单片机采用LG公司的GMS97C52。它有8K字节的ROM，256个字节的RAM以及32个I/O口，P1口与串行器件X25045和X76F100连接，P0、P2口用于键盘和显示，P3口中P3.2用于检测IC卡是否插入，其余7个口，可作其它功能扩充。
图2 X76F100Y引脚
2.3 监控电路
监控电路采用X25045芯片，它包括看门狗定时器、电压监控电路和E2PROM存贮器。其功能是：上掉电时对GMS97C52产生RESET信号；看门狗对系统进行监控，防止死机。
2.4 键盘电路
为了方便，键盘接口电路用I/O口实现，它为4×4结构，16个键。其中数字键11个，功能键4个，回车键1个。
数字键：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、←（退格）。
功能键：查询？、存储+、取款－、改密码* 。
查询？：用户通过读密码可以查询卡中所存的款额。
存款+ ：用户通过写密码可以将款存入卡中。
取款－：用户通过写密码可以从卡中取款。
改密码*：分为修改读密码和写密码。为方便起见，令读密码和写密码一
致，按此键将同时修改读密码和写密码。
回车键：8位密码或存取款数输入完确认，以及新密码输入完确认。
2.5 显示电路
显示部份采用LED显示器，也用I/O口实现。用于显示系统状态、输入的密码或所要存取的款额以及出错信息等。
由于GMS97C52的驱动电流有限，在P0、P2口加反向器SN74F04，增加驱动能力。它的吸入电流为64mA，输出电流为15mA，可以保证位选所需的吸入电流。
3 程序设计
3.1 主程序流程图
主程序流程图如图3所示。
开机后，系统处于待机状态，不断查询P3.2脚电平，当X76F100插入读写器卡座时，P3.2脚电平变高，单片机检测到P3.2高电平信号时，使P1.3脚电平变高，如果此时为低电平，X76F100复位，输出32位固定的“同步复位响应”数据。然后循环扫描键盘显示程序，进行存款、取款、查询或改密码。一次操作完成后返回，然后不断循环。
3.2 循环键盘显示程序
循环扫描键盘显示程序如图4所示，它采用程控扫描方式。键盘实际操作的顺序是：先按功能键，然后依次输入8位（十进制）密码，按回车键确认。当存取款时，随后输入所存取的款额；当修改密码时，随后输入8位新密码，输完后按回车键确认。若输入密码正确，显示IC卡内存款的余额或改密码成功信息（SUCCESS）。若密码不正确，提示重新输入，允许输入密码4次。
为了记录操作中正在进行的状态，在键盘程序中设置了多个指针。
（1）KEY 有否按键按下标志。00H表示无键按下，01H表示有键按下。此标志用于判断按键是否已松开，防止误操作。
(2）FUN为功能键指针，00H表示无功能键按下，01H表示存款（ADD），02H表示取款（SUB），03H表示查询（IQUIRE），04H表示改密码（CHANGE PASSWORD）。
（3）DIG为允许数字键输入标志，00H表示不允许，01H表示允许。此标志主要是防止输入多余的密码，或输入的款数超出限额。
（4） NUM表示输入第几个数字，00H表示无数字输入，01H～08H表示输入密码，09H～10H表示输入款数或新密码，若NUM为11H，显示出错信息。
3.3 X76F100读程序举例
图4 循环键盘显示程序流程图
X76F100为I2C总线E2PROM。SCL为时钟输入，SDA为双向数据输入输出线。通过片输入来控制对器件的访问。下面以页写为例，先结合时序说明X76F100的工作过程，然后给出程序。
页写时序如图5所示。在该系统中，GMS97C52为主机，X76F100为从机。首先主机向从机发一个START命令，产生开始条件，然后发写命令字。当从机接到命令后，向主机发一个应答信号NACK。然后跟随8字节密码，随后进入一个写周期，写周期结束后进行密码应答轮询ACK Polling。X76F100要求主机用专用的应答命令55H进行应答轮询。如果输入的密码正确，将返回一个“ACK”。如果密码不正确，将返回“no-ACK”，重试计数器加1，返回到启始位置，提示重新送入写命令字和8字节密码。若密码正确，主机接着送入8个字节的数据，ACK响应成功后，主机发出STOP命令完成写操作。下面是用写密码进行页写的程序。
图5 页写时序图（需要密码）
WRITE_USING_WRITE_PASS: ;用写密码进行写操作
ACALL START
;调开始命令
MOV A,#SECTOR_WR
;调页写命令
ACALL OUTBYTE
;调输出字节命令
ACALL NACK
;X76F100发应答信号
ACALL WR_WR_PASS
;调写密码命令
ACALL T10ms
;10ms延时开始写密码周期
ACALL ACK_POLLING
;调密码应答轮询子程序
ACALL WR_DATA
;调页写数据子程序
ACALL STOP
;调停止命令
ACALL T10ms
;延时10ms写密码周期
RET
WR_WR_PASS: ;将写密码写入X76F100
MOV R0,#WR_PASS7
;将密码首址送入R0
MOV R1,#08H
;写密码为8个字节
WP:MOV A,@R0 ;将R0中的数据送入A中
ACALL OUTBYTE
;输出字节子程序
ACALL NACK
INC R0
DJNZ R1,WP
RET
WR_DATA: ;将数据写到X76F100中
MOV R0,#DATA0
;将数据首地址送入R0
MOV R1,#08H
;一页有8个数据
WB: MOV A,@R0 ;将R0中数据送入A
ACALL OUTBYTE
;调输出字节子程序
ACALL NACK
;从机发应答信号
INC R0
;下一个字节
DJNZ R1,WB
;循环直到R1为0
RET
OUTBYTE: ;主机向X76F100发字节
MOV R2,#08H
;一个字节有8位
LOOPO:
CLR SCL_76
RLC A
;移位
MOV SDA_76,C
;将进位送入数据线
SETB CL_76
DJNZ R2,LOOP
;循环直到R2为0
RET
START:
SETB SDA_76
;开始子程序
SETB SCL_76
CLR SDA_76
CLR SCL_76
RET
STOP:
CLR SDA_76
;停止子程序
SETB SCL_76
SETB SDA_76
RET
ACK_POLLING: ;密码应答轮询子程序
ACALL START
MOV A,#55H
;主机发固定应答命令
ACALL OUTBYTE
ACALL NACK
;调从机发应答信号
JC PASS_ERROR
;若有进位则密码错误
RET
PASS_ERROR: ;密码错误
ACALL STOP
RET
ACK:
CLR SDA_76
;主机执行一个应答
ACALL CLOCK
RET
NACK:
SETB SDA_76
;从机执行一个应答
ACALL CLOCK
RET
CLOCK:
SETB SCL_76
;第9个脉冲
MOV C,SDA-76
;读SDA状态以判断是否有应答
CLR SCL_76
RET
T10ms:
MOV R7,#064H
;10ms延时
T10A:
MOV R6,#032H
T10B:
DJNZ R6,T10B
DJNZ R7,T10A
RET
参 考 文 献
1 詹树仁主编. GMS90及GMS97系列单片机的工作原理及其应用. 武汉力源电子股
份有限公司，1998年
2 赵依军，胡戎. 单片机微机接口技术. 人民邮电出版社，1989
3 卢存伟，钱捷. 微机原理及应用系统设计. 河海大学出版社，1992年
4 X76F100 DATA SHEET. XICOR公司
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