清华大学电子专题实践之.DOC

1、清华大学电子专题实践之制作 IC 卡读写器实验人员 ：电 24 * 200201201* 电 24 * 200204000*、实验综述1 验名称：制作 IC 卡读写器2实验目的：掌握 IC 卡的工作原理，完成对 IC 卡的读写操作。3实验任务：1掌握瑞萨 H8/3664 单片机的软、硬件开发方法，上机实践软件开发过程2了解 IC 卡的原理及应用。根据实际的实验条件，本实验采用的卡为接触式的六引脚的 EEPROM 的 IC 卡。设计 IC 卡读写器的硬件原理图编程实现对 IC 卡的读写操作，包括 PC 侧和单片机侧程序 调试编程器的软硬件4实验背景：1972 年法国的 R.Moreno 发明了集

2、成电路卡（ IC 卡） ，并由法国电信部门率先推广使用。IC 卡是一种嵌入了大规模集成电路芯片的新一代数据卡，其内部含有CPU、ROM、RAM 、EEPROM。高度的安全性是它最重要的特征，即使进行脱机处理也能确保数据的可靠性。因此 IC 卡不仅将在金融领域中取代磁卡，在通信、交通、教育、卫生、安全和企业管理方面也将日益发挥其重要作用。IC 卡，是一个正蓬勃发展的边缘产业，一个与我们的生活正越来越密切的产业。在因特网、分布式和普及计算大潮涌来时，IC 卡扮演着越来越重要的角色。在这里我们将对 IC卡作一个初步的研究。在一个以 pc、瑞萨单片机及其外围电路搭建的平台上完成对 IC 卡的写操作。5

3、实验人员及分工刘屹洲同学主要负责单片机方面的软、硬件学习和开发，并负责 PC、单片机通信程序的编写工作。杨坤同学主要负责 IC 卡和 IC 卡读卡器的工作原理，并画出读写器的硬件原理图。最后两人合作完成读卡器的硬件设计和程序调试，最终完成对 IC 卡的读写操作。6实验器材PC 机 一台瑞萨 H8/3664 开发板用户实验板一块读卡器及 IC 卡一张GF-系列智能编程器一台实验箱一个直流电源一个仿真器一台导线若干总结报告1实验相关知识：1.1 IC 卡1.1.1 IC 卡的历史IC 卡就是集成电路卡（Integrated Circuit Card）的英文简称，在有些国家也称之为智能卡、智慧卡、微

4、芯片卡等。将一个专用的集成电路芯片镶嵌于符合 ISO 7816 标准的PVC（或 ABS 等）塑料基片中，封装成外形与磁卡类似的卡片形式，即制成一张 IC 卡。IC 卡的最初设想是由日本人提出来的。1969 年 12 月，日本的有村国孝（Kunitaka Arimura）提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并于 1970 年获得专利，那时叫 ID 卡（Identification Card） 。1974 年，法国的罗兰莫雷诺（ Roland Moreno）发明了带集成电路芯片的塑料卡片，并取得了专利权，这就是早期的 IC 卡。1976 年法国布尔（Bull）公司研制出世界第一枚 IC 卡。198

5、4 年，法国的 PTT（Posts, Telegraphs and Telephones）将 IC卡用于电话卡，由于 IC 卡良好的安全性和可靠性，获得了意想不到的成功。随后，国际标准化组织（ISO，International Standardization Organization）与国际电工委员会（IEC， International Electrotechnical Commission）的联合技术委员会为之制订了一系列的国际标准、规范，极大地推动了 IC 卡的研究和发展。1.1.2 IC 卡的分类根据不同的应用领域，IC 卡可以分为金融卡和非金融卡两大类。金融 IC 卡又可以分为信用卡

6、和现金卡两类。非金融 IC 卡又可以分为接触型 IC 卡和非接触型 IC 卡。根据 IC 卡内部结构，IC 卡又可以存储卡（封装有可编程制读存储器 EEPROM） 、逻辑加密卡（除了EEPROM，还有逻辑加密电路，提供了硬件加密手段） 、CPU 卡（卡片上集成了CPU、ROM、EEPROM、 RAM、COS） 。1.1.3 IC 卡的引脚（六引脚的 EEPROM）在国际标准中,IC 卡的有 8 个引脚，如下图所示：其中：Vcc 为 IC 卡工作电源； RST 为复位信号；CLK 为有关信号的定时与同步；GND 为接地信号线；Vpp 为存储器编程电源； I/O 为卡中串行数据的输入输出。剩余的两

7、个触点视不同的使用情况可根据标准定义。下图为我们在日常生活中追常见的 6 引脚的 EEPROM 的 IC 卡。在本实验中我们将它作为研究对象。芯片各触点及定义为：C1（VCC）为卡片工作电源；C2、C5（NC）为空接；C3 (SCL)为有关信号的定时与同步；C4（ GND）为接地；C6 （SDA）为数据的输入输出端在实验中我们还用到了 AT24C01 芯片。如下图所示：A0 到 A2 地址输入; SDA 串行数据;SCL 串行时钟输入;WP 写保护; NC 空脚VDD、VSS 电源端、接地端AT24C01 的 SCL 及 SDA 两总线可通过一个电阻上拉为高电平，SDA 上的数据仅在 SCL

8、为低电平时周期才能改变。当 SCL 为高电平时，SDA 的改变表示“开始”和“停止”状态。此时，所有地址和数据字都以 8 位串行码方式输入输出 EEPROM。 1.1.4 IC 卡的内部结构为了提高卡的安全性，将卡的存储器划分为若干个区域，各个区域的功能不同，并在逻辑电路的严格控制下进行操作。下面用一个比较典型的模型来说明芯片的内部结构及其工作与原理。当然，根据不同使用功能，不同的 IC 卡可能有不同的分区。另外，一般卡片还设置有两个熔丝，在芯片出场时分别将两个熔丝熔端，使得某些单元的内容子再也不能修改或者子再也不能读出。制造区：由制造厂商在芯片出厂前写入制造厂商代号，在卡的熔丝没有熔端前，可

9、以对卡里面任意区域的内容进行修改。在完成测试后，将熔丝 1 熔断，使得制造区域不能再修改，但可以读出。发行区：发行商在将卡发行给个人时，用于记录卡的发行信息发行。在卡发行时，还需要将持卡人的密码写入密码区，将擦除密码写入擦除密码区。完成上述操作后，将熔丝2 熔断。以后发行代码就可以读出，但是不能修改。密码区：记录持卡人的密码。密码计数区：为了防止非合法持卡人对个人密码进行猜测，需要限制密码比较次数。用该区域来累计输入不正确的密码的次数。个人区：记录持卡人的信息，写入与擦除受个人密码保护。应用区：该区记载的是应用数据。如果是电子钱包或电话卡，金额记录在此区域中。擦除密码区：发卡管理部门在收费时需

10、要先比较擦除密码。如果正确，才允许对应用区修改。既是对卡充值。擦除计数区：每输入一次擦除密码，不论输入密码是否正确，在擦除计数区中就有一个 1 被修改为 0。当所有的 1 被修改完后。这张卡也就报废了。因此输入错误的擦除密码会影响到卡的寿命。当然，发卡方也不希望这张卡永远使用下去。因此，设置擦除次数也是很有必要的。1.2. I2C 总线I2C 总线： I2c 总线是 Philips 公司首先推出的一种两线制串行传输总线。它由一根数据线（SDA）和一根 时钟线（SDL）组成。I2c 总线的数据传输基本过程为： 1、 主机发出开始信号。 2、 主机接着送出 1 字节的从机地址信息，其中最低位为读写

11、控制码（1 为读、0 为写） ，高 7 位为从机器件地址 代码。 3、 从机发出认可信号。 4、 主机开始发送信息，每发完一字节后，从机发出认可信号给主机。 5、 主机发出停止信号。 I2C 总线上各信号的具体说明： 开始信号：在时钟线（SCL）为高电平其间，数据线（SDA）由高变低，将产生一个开始信号。 停止信号：在时钟线（SCL）为高电平其间，数据线（SDA）由低变高，将产生一个停止信号。 应答信号：既认可信号，主机写从机时每写完一字节，如果正确从机将在下一个时钟周期将数据线（SDA）拉 低，以告诉主机操作有效。在主机读从机时正确读完一字节后，主机在下一个时钟周期同样也要将数据线（S DA

12、）拉低，发出认可信号，告诉从机所发数据已经收妥。 （注：读从机时主机在最后 1 字节数据接收完以后不发应答，直接发停止信号） 。 注意：在 I2C 通信过程中，所有的数据改变都必须在时钟线 SCL 为低电平时改变,在时钟线SCL 为高电平时必须保 持数据 SDA 信号的稳定,任何在时钟线为高电平时数据线上的电平改变都被认为是起始或停止信号。1.3. 瑞萨 H8/3664 单片机单片机：通俗的来讲，就是把中央处理器 CPU（Central Processing Unit） ，存储器（memory） ，定时器，I/O（Input/Output）接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯

13、片上的微型计算机。单片机又称为“微控制器 MCU”。中文“单片机”的称呼是由英文名称“Single Chip Microcomputer”直接翻译而来的。在实验中我们通过阅读一些现有的材料和单片机教材，基本弄清了实验中所使用的瑞萨H8/3664 单片机的使用方法。并用串行助手完成 PC 机与 H8/3664 单片机之间的通讯。2.实验软硬件设计设计设计方案总思路：首先设计硬件电路原理图，连接好电路后。用串行调试助手来调试 MCU 与 EEPROM 的通信，将调试好的程序烧进 MCU，从而完成 MCU 与 EEPROM 的通信。然后用 VC+编出PC 与 MCU 之间的通信程序，使其实现与串口调

14、试程序的功能，能够从上完成对 AT24C01的读写操作。2.1 设计 IC 卡读写器的硬件原理图在参考了一些文献和材料后，我们使用 AT24C01 作为 IC 卡的替代品（原因是我们可以用编程器横容易的读写 AT24C01 芯片，从而可以判断硬件电路和软件程序是否正常工作）的实验电路图：在上图中，在本实验中由于只用一块芯片，故A0、A1、A2全部接地。对SCL 和SDA采用1K的上拉电阻接5V电源， 这样两总线被上拉为高电平。SDA 上的数据仅在SCL 低电平时间周期可能改变，SCL 高电平时SDA 的改变表示“开始”和“停止”状态。所有地址和数据字都以8 位串行码方式输入输出EEPROM。2

15、.2相关程序开发和其它高级语言相比较，C 更适合于对硬件编程。但是由于要求工作界面的美观，在本实验用到的是 VC+。2.2.1 单片机与 EEPROM（AT24C01）的通信：首先我们了解一下 AT24C01,有如下说明：（1）AT24C01A 的控制字（节）格式：发送时紧跟开始信号后的 4 位是器件选择位，通常为1010 ，它和后面的 3 位器件地址码（由 AT24C01 的 A0、A1、A2 上的电平决定）共同构成了 7 位的从机地址，在本实验中由于只用一块芯片，故 A0、A1、A2 全部接地。从机地址后紧跟 1 位读/ 写控制位，该位为 1 表示读，为 0 表示写。最后 1 位是应答位，

16、这里它由从机给出。 格式如下图所示：（2）AT24C01A 写时序：首先主机发送开始信号，接着发出从机地址和写控制码，主机接收从机发出的应答，主发送 1 字节的地址信息，主机接收应答，主机写 1 字节数据到从机，主机接收应答，主机发出停止信号。写操作 完成，1 字节数据被写入 AT24C01 内指定地址。此外 AT24C01 还提供一种页写的方式，每次最多可连续写入 8 字节数据再发送停止信号，当写入数据多时可采用这种方式以加快速度。（3）AT24CO1 随机读时序：主机发送开始信号，接着发送从机地址和写控制码，主机接收应答，主机发送 1 字节的的地址信息，主机接收应答（注意：前面的时序为写操

17、作，目的把起始地址写入 AT24C01A 缓冲中，以告知随后的读操作从哪个地址开始，这个步骤在读时序中有时被称为“伪写“） ，主机发送开始信号，主机发送从机地址和读控制码，主机接收应答，主机读取 1 字节数据，主机不发应答，主机发送停止信号。完成上面步骤，主机已从 AT24CO1 中读出指定地址内 1 字节数据。（4）AT24C01 读时序：与随机读时序相比，主机没有给从机写入起始地址，所以这种方式用于读取当前地址内的数据。另，AT24C01 也可以采用连续读的方式，这样每次最多可以读取 8 字节。注意：连续读时每读完 1 字节后主机要发应答给主机，但在最后 1 字节后（即停止信号前）主机不发

18、应答。按照上面 AT24C01 芯片读写的相关原理，可以画出 MCU 读写 AT24C01 的读写子程序的流程图：在读的过程中，采用的是顺序读，即是一次将 AT24C01 的内容全部读出。值得注意的是在顺序读的过程中当地址计数器达到芯片的最高地址后会“溢出” ，重新从最低位开始计数。根据芯片顺序读的时序图可以画出流程图如下图所示：发送器件地址发送启动信号等待应答信号是否在写的过程中，字节写和页面写两种方式均用到了，字节写作为页面写的子程序调用。在页面写的过程中需要注意的是页面写的溢出，在溢出后写入的数据是从该页面的起始地址开始进行覆盖的。字节写和页面写的流程图分别如左右下图所示：是否接收数据发

19、送应答信号是否继续接收发送停止信号发送启动信号发送器件地址等待应答信号发送内部地址等待应答信号发送待写入数据等待应答信号发送停止信号发送启动信号发送器件地址等待应答信号发送内部地址等待应答信号发送待写入数据等待应答信号是否继续发送按照上述思路，可以编出程序见附件。其中主要子程序功能描述如下：/子程序声明：IIC 部分void Nop(); /延时void SetSCL(unsigned char i); /设置 SCL 电平void SetSDA(unsigned char i); /设置 SDA 电平unsigned char GetSCL(); /获取 SCL 电平unsigned cha

20、r GetSDA(); /获取 SDA 电平void Delay(int i); /延时void Initialize(); /初始化void StartI2C(); /开启 I2C 端口void StopI2C(); /关闭 I2C 端口void AckI2C(); /应答 I2C 芯片void SendByte(unsigned char c); /向 I2C 发送一字节unsigned char RcvByte(); /从 I2C 接收一字节unsigned char IRcvByte(unsigned char SLA, unsigned char *str);/从 I2C 指定位置接

21、收一字节unsigned char IRcvStr(unsigned char SLA, unsigned char WDA, unsigned char *str, unsigned char no);/从 I2C 指定位置接收指定字节数unsigned char ISendByte(unsigned char SLA, unsigned char str);/向 I2C 指定位置发送一字节unsigned char ISend8Byte(unsigned char SLA, unsigned char WDA, unsigned char *str, unsigned char no);/

22、向 I2C 指定位置发送 8 字节（一页）unsigned char ISendStr(unsigned char SLA, unsigned char WDA, unsigned char *str, unsigned char no);void InitialStr(unsigned char *str); /向 I2C 指定位置发送指定字节数/子程序声明：SCI 部分void SendMsgSCI(unsigned char *ptr, int msgLength);/通过串口向 PC 发送指定字符串void ReceiveMsgSCI(); /通过串口从 PC 接收指定字符串发送停止信

23、号/子程序声明：SCI 控制 IIC 部分void React2PC(); /回应 PC 的指令void CtrlRead(); /PC 控制 MCU 读取 I2Cvoid CtrlWrite(); /PC 控制 MCU 写入 I2C/字符串转换char ConvertStr2HexChar(char *str); /char ConvertHexChar(char ch); / 2.2.2 PC 机单片机的通信这部分的工作主要用 VC+完成了一个功能与串口调试助手类似的软件。在完成单片机与 EEPROM 的通信后，我们需要完成通过 PC 机完成对 EEPROM 的读写操作。我们先用串口调试助

24、手检验了单片机与 EEPROM 的通信的可靠性，然后着手用 MFC 编写 PC 与单片机的通信界面和源程序。完成 PC 与单片机之间的通信，我们要了解一下 SCI3（串行通信接口 3） 。SCI3 有以下几个寄存器：接收移位寄存器（RSR） 、接收数据寄存器(RDR)、发送移位寄存器(TSR)、发送数据寄存器(TDR)、串行模式寄存器(SMR)、串行控制寄存器(SCR3)、串行状态寄存器(SSR)和位传输率寄存器(BRR)。SCI3 可以进行异步和时钟同步的两种模式的串行数据通信。在本实验中，我们采用的是异步模式。异步模式为：无奇偶校验，8 个数据位，1 个停止位。选择串口 1 进行通信，波特率 9600。PC 机单片机的通信主要由以下三部分组成。1. SCI3 的初始化值得注意的是传输数据前，首先要将 TE 和 RE 位清零，流程图如下所示：