基于单片机的IC卡读卡器设计.doc

1、 本科毕业论文（设计） （题目：基于单片机的 IC 卡读卡器设计） 姓 名： * 学 号： 专 业： 电子信息工程 院 系： 电子通信工程 指导老师： 职称学历： 助教 硕士 完成时间： 2013 年 4 月 教务处制 *本科毕业论文（设计）独创承诺书 本人按照毕业论文（设计）进度计划积极开展实验（调查）研究活动，实事求是地做好实验（调查）记录，所呈交的毕业论文（设计）是我个人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果 .据我所知，除文中特别加以标注引用参考文献资料外，论文（设计）中所有数据均为自己研究成果，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 .与我一同工作的同志对本研究所做的工作已在论

2、文中作了明确说明并表示谢意 . 毕业论文（设计）作者签名： 日期： 安徽新华学院 2013 届本科毕业论文（设计） 1 基于单片机的 IC 卡读卡器的设计 摘 要 非接触式 IC 卡又称射频卡，由 IC 芯片、感应天线组成，封装在一个标准的PVC 卡片内，芯片及天线无任何外露部分。是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功的将 射频识别技术 和 IC 卡技术结合起来，结束了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。卡片在一定距离范围 (通常为 5 10mm)靠近读写器表面，通过无线电波的传递来完成数据的读写操作。 本文首先研究了基本的理论，包括射频识别技术、 ARM处理器

3、体系结构和嵌入式系统，然后基于这些理论，给出了非接触式 IC 卡读卡器的设计方案 .系统由三个部分组成：第一部分是读卡器的收发模块，选用飞利浦公司的高集成度非接触式读写芯片 MF RC 设计射频收发模块，对射频芯片接口电路设计作了详细的论述；第二部分是核心控制模块，以芯片 FM1702 为核心，对电源供应电路、存储器电路、通信接口电路、 LED 显示电路等设计做了一定的描述，并给出了电路 .第三部分是系统的程序设计，采用移植嵌入式系统并添加任务的模式来实现读卡器的各个功能 .通过对软硬件的调试实现了非接触式 IC卡读卡器 的硬件与软件平台的构建 . 关键词： 非接触式 IC 卡； 读卡器； F

4、M1702 芯片 安徽新华学院 2013 届本科毕业论文（设计） 2 Based on the design of single-chip IC card readerabstract Abstract Non-contact IC card, also known as radio frequency card, by the IC chip, the sensor antenna, packaged in a standard PVC card, without any exposed parts of the chip and the antenna. Is the worlds dev

5、eloped in recent years a new technology, the success of the radio frequency identification technology and IC card technology combined, the end of passive (no power supply card) and free access to this problem is the field of electronic devices a major breakthrough. Card at a certain distance (typica

6、lly 5-10mm) close to the surface of the reader, the read and write operations to complete the data transfer via radio waves. This paper studied the basic theory, including radio frequency identification technology, ARM processor architecture and embedded systems, and then based on these theories, gi

7、ven the design of the non-contact IC card reader. The system consists of three parts: The first part is a reader transceiver module, selection of Philips highly integrated non-contact reader chip MF RC Design RF transceiver module, discussed in detail the design of the RF chip interface circuit; The

8、 second part is the core control module to FM1702 core, the power supply circuit, the memory circuit, a communication interface circuit, LED display circuit design to do a certain description, and gives a circuit. The third part is the system program design, transplant embedded system mode and add t

9、he task to realize the various functions of the reader. Through the debugging of hardware and software to achieve a non-contact IC card reader hardware and software platform. Key words： non-contact type IC card； reader Embedded Systems 安徽新华学院 2013 届本科毕业论文（设计） 3 目 录 1 绪论 . 错误 !未定义书签。 1.1非接触式 IC 卡的发展历

10、程 . 错误 !未定义书签。 1.2 非接触式 IC 卡的主要特点 . 错误 !未定义书签。 1.3 非接触式 IC 卡读卡器的国内外现状 . 错误 !未定义书签。 1.4 选题背景及课题任务 . 错误 !未定义书签。 2 系统设计的整体规划 . 错误 !未定义书签。 2.1 硬件设计思路 . 错误 !未定义书签。 2.2 硬件论证方案 . 错误 !未定义书签。 2.3 系统方案的确定 . 错误 !未定义书签。 3 硬件设计 . 5 3.1.1 电源电路 . 5 3.1.2 蜂鸣器 电路 . 6 3.1.3 天线电路 . 7 3.2 I/O 口 . 9 3.3 FM1702 芯片的简介 . 1

11、0 4 软件设计 . 11 4.1 软件开发工具的选择 . 11 4.2 系统主程序的流程图 . 11 5 调 试 . 13 6 结 论 . 15 参 考 文 献 . 16 谢 辞 . 17 附 录 . 18 安徽新华学院 2013 届本科毕业论文（设计） 1 第 1 页 共 39 页 1 绪 论 1.1 非接触式 IC 卡发展历程 非接触式 IC 卡又称射频卡，由 IC 芯片、感应天线组成，封装在一个标准的PVC 卡片内，芯片及天线无任何外露部分 .是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功的将射频识别技术和 IC 卡技术结合起来，结束了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的

12、一大突破 .卡片在一定距离范围 (通常为 5 10mm)靠近读写器表面，通过无线电波的传递来完成数据的读写操作 . 工作 原理 射频读写器向 IC卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个 IC 串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，这样在电磁波激励下， LC 谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷；在这个电荷的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到 2V时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接受读写器的数据 . 发射原理 非接触性 IC 卡与读卡器之间通过无线电波来完成读写操作 .二者之间的通讯频率为 13.56M

13、HZ.非接触性 IC卡本身是无源卡，当读写器对卡进行读写 操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成 :一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与本身的 L/C 产生一个瞬间能量来供给芯片工作 .另一部分则是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、储存等，并返回信号给读写器 ,完成一次读写操作 .读写器则一般由单片机，专用智能模块和天线组成，并配有与 PC的通讯接口，打印口， I/O 口等，以便应用于不同的领域 . 1.2 非接触式 IC 卡的主要特点 由于 IC卡与读卡器间的通信是借助电磁波进行，不存在机械运动和电触点机构 .所以在保留了接触式 IC 卡原有的优点的同时，又有如下诸多优点 .

14、 （ 1） 操 作便利快捷，不需要插拔卡，将卡片置于读卡器表面，即可完成操安徽新华学院 2013 届本科毕业论文（设计） 2 第 2 页 共 39 页 作，操作极其方便简单 . （ 2） 可靠性高，寿命长，卡片与读卡器没有机械接触 ，故不存在接触式读卡器可能出现的各种故障；卡片与读卡器二者都没有裸电触点，无需担心出现破损和脱落所导致的卡片失效；卡片与读卡器均为全封闭闭水及防尘结构，既避免了静电和尘污等对卡与读卡器的影响，可以防止粗暴插卡 .这些都将大大提高了卡片乃至读卡器的可靠性和使用寿命 . （ 3） 安全性好，卡片与读卡器采用了 3 次相互确认的双向验证机制，在读卡器验证卡片的合法性时，卡

15、片也对读卡器的合法性进行了验证 .卡内 各存储区可拥有自己的操作密码和访问条件，以防止未授权非法访问，并实现芯片传输密码保护 . （ 4） 抗干扰能力强，可建立防冲突机制，同一时间同时处理多张卡，且不出现相互间的数据干扰 . 1.3 非接触式 IC 卡读卡器的国内外现状 目前国内非接触式 IC 卡读卡器按照应用的场所不同出现了全面发展的趋势，有便携式读卡器、读卡器模块、高频读卡器、低频读卡器等各种各样的产品 .这些产品有的适合近距离读写，有的则适合远距离读写 .因此，出现了同质化很严重的问题，各种产品之间的差别不大，性能也相似，但核心技术并不在自己手上，缺乏成套系统的自主生 产权 . 随着技术

16、的进步，读卡器会随着多功能如条形码识别、以太网传输等方向发展，读卡器的成本也越来越低，同时读卡器将像多制式、多频段兼容且多功能的方向发展 . 1.4 选题背景及课题任务 本课题的背景是校园一卡系统收费终端的应用，随着科学技术的迅猛发展，社会的日益信息化，技术的不断革新以及要求的不断提高，需要设计出一个功能丰富，性能更加稳定的，并且具有友好人机界面的嵌入式智能终端，来取代现在市场上的基于单片机的收费终端 .该读卡器必须简单，方便快捷 . 安徽新华学院 2013 届本科毕业论文（设计） 3 第 3 页 共 39 页 2 系统设计的整体规划 2 1 硬件设计思路： IC 卡的 应用领域非常广泛 .在

17、 IC 卡的触点和读 /写设备的触点良好接触之前，读 /写设备不应对 IC 卡施加有关信号，以免造成不可预料的损坏 .IC 卡读 /写设备作为系统和用户交换的接口，必将面对各种各样复杂的应用环境 .因此，在设计阶段应注意 IC卡读 /写设备环境 .作为操作系统 ,管理 IC卡的硬件资源和数据资源是其基本任务 .IC 卡上的硬件资源包括 CPU,ROM,EEPROM 和 RAM 及通讯接口 ,这些都由 IC卡上操作系统统一管理 , 使外部不能直接控制这些资源 ,使 IC卡对外表现为一个 “黑匣子 “,从而加强了系统的保密性能 . 智能卡通讯管理主 要功能是执行智能 IC 卡的信息传送协议 , 接

18、收读写器发出的指令 ,并对指令传递是否正确进行判断 .一般可采用奇偶检 ,CRC 校验等方式判断传输错误 .对于采用分组传输协议的系统 , 还可以通过分组长度变化来检出错误 . 智能卡操作系统最重要的功能之一就是数据安全管理 . 这可以具体地分为用户与 IC卡的鉴别 ,核实功能以及对传输数据的加密与解密操作 . 智能 IC 卡COS 的应用管理功能是对读写器发来的命令进行判断 ,译码和处理 . 智能卡的各种应用以专有文件形式存在卡上 ,各专有文件则是由 IC 卡的指令系统中指令排列所组成的 .“鉴别 “是 指对 IC卡本身的合法性进行验证 ,判定一张 IC卡是不是伪造的 .如在前两讲中谈到的多

19、采用多种卡上设置的读 ,写 ,擦除密码作为防伪的基本手段 .而 COS由于可以通过内部软件运行来完成密码转换 ,因此智能 IC 卡上实际写入的密码无法被读写器直接读取 ,安全性能更强 .IC 卡由于其高存储量和高保密性 ,应用领域十分广泛 ,除覆盖了传统磁卡的全部功能外 ,还拓展到许多磁卡不能胜任的领域 . 2 2 硬件论证方案 ： IC 卡是一种集成电路卡，它的读 /写设备是每个 IC卡应用系统必不可缺的周边设备 .该设备通过 IC卡的 8个触点向 IC卡提供 电源并与 IC卡相互交换信息 .虽然 IC 卡是从磁卡发展而来的 . 本 IC 卡读 /写器的硬件系统设计主要有： IC 卡安徽新华

20、学院 2013 届本科毕业论文（设计） 4 第 4 页 共 39 页 的插拔检测， IC 卡的电源控制， IC 卡与 CPU 的接口以及必要的人机界面 .软件系统主要由 IC 卡数据读 /写模块，串行通信模块等组成 . 2.3 系统的方案确定 对于本论文的基于单片机的 IC 卡读卡器系统来说，整个系统由电源模块、时钟电路模块、显示电路、报警系统几个部份组成。整个系统由单片机控制，能够通过借口把数据从 PC 上显示出来。电源模块负责提供电力 ;显示电路负责显示实时数据，报警系统负责当数值超过卡内数据时 ，通过蜂鸣器提示， 系统整体结构框图如图 2.1 所示。 图 2.1 系统结构框图 安徽新华学

21、院 2013 届本科毕业论文（设计） 5 第 5 页 共 39 页 3 硬件设计 3.1 单片机的简介 STC12LE5A16S2 是 16K Flash 的宏晶 STC12C5A60S2 系列单片机，采用宏晶第六代加密技术， STC12C5A60S2 系列单片机器件是 1 个时钟 /机器周期 8051 单片机，低功耗、高速、高可靠、强抗静电、强抗干扰。 STC12LE5A16S2 特性： （ 1） 高速： 1 个时钟 /机 器周期，增强型 8051 内核，速度比普通 8051快 6-12 倍； （ 2） 宽电压： 3.6-2.2V（ 3V 单片机）； （ 3） 增加第二复位功能脚 /P4.6； （ 4） 增加外部掉电检测电路 /P4.6，可在掉电时，及时将数据保存进EEPROM， 单片机引脚图如下： 图 3.1 单片机引脚图