1、毕业设计开题报告 电子信息工程 IC 卡消费机设计 硬件设计 1、选题的背景、意义 IC（ Integrated Card）卡是 1970 年由法国人 Roland Moreno 发明的，他第一次将可编程设置的 IC 芯片放于卡片中，使卡片具有更多功能。其实，“ IC 卡”和“磁卡”都是从技术角度起的名字，不能将其和“信用卡”、“电话卡”等从应用角度命名的卡相混淆。自从 IC 卡出现以后，国际上对它有多种叫法。英文名称有“ Smart Card”、“ IC Card”等；在亚洲，特别是香港、台湾等地区，大多被称为“聪明卡”、“智慧卡 ”、“智能卡”等；在我国，一般简称为“ IC 卡”，全称是我
2、们以下引用的名称均采用我国的习惯。 IC 卡的外型与普通磁卡做成的信用卡十分的相似，只不过是略厚一些。 IC 卡的外型由一块塑料或 PVC 材料作成，通常还有各种印刷图案、文字和号码在上面，称做“卡基”；在“卡基”的固定位置上嵌装一种特定的 IC 芯片就成为我们通常所说的 IC 卡。根据嵌装的芯片不同就产生了各种类型的 IC 卡。 在 IC 卡技术的发展日益成熟的情形下，智能 IC 卡的应用也已逐渐进入人们的日常生活和工作的各个领域中，包括在通信、交通、医疗卫生、学校、企事业单位内 部管理这些领域中的应用，智能 IC 卡的应用大大地提高了人们工作和生活的现代化程度，并取得了很好的经济效益和社会
3、效益。 例如，互联网高速发展带来的安全问题，加快安全识别最佳的工具 智能卡的应用。许多的专家认为，用于网络安全的智能卡将会成为一个主要市场，随着一些国家电子签名法的出台，智能卡已经成为 B2B， B2C 网络传输数字 ID 的最重要手段。大概在过去的一年基于网络安全的智能卡销售在 2000 万张左右。但应用于网络安全的智能卡只仅仅是个开始，真正大规模地应用还没有到来。 用于城市交通的智能卡，是智能卡应用最多的领 域，这里包括了城市公交、地铁、轻轨、轮渡、出租车等方面。这方面的应用主要体现在亚太地区和欧洲地区，中国市场尤其突出。据估计，全球去年市场销售在 5000 万左右，基于接触和非接触的双适
4、配卡已经开始在这个领域得到了规模应用，这也将会进一步推动双界卡的发展，应用公交的双适配卡估计去年销售 100 万左右。其它的应用领域也有较大的增长，尤其是身份证和医疗将会在这两年得到快速的应用，不少国家的试点正在进行着。 IC 卡是集成电路卡（ Integrated Circuit Card）的简称，又被称为智能卡（ Smart Card）。目前有 IC 卡“一卡通”系统、消费系统、考勤系统、门禁系统等等。 我国的 IC 卡消费系统市场格局必然将从无序走向有序，竞争力也在逐步的增强， IC 卡消费系统市场也会逐渐地趋于成熟。但对于尖端的 IC 卡技术，我国还是处在落后的状态，这也制约了它的发展
5、，特别是在要求有相当高的安全性和保密性的金融行业。 IC 卡消费系统是 IC 卡最广泛的应用之一，已经在许多场合得到应用，因此设计和开发出更好的 IC 卡消费系统，对加快我国 IC 卡行业的发展，有着非常深远的意义。 2、相关研究的最新成果及动态 IC 卡按它与终端设备的连接方式，可 以分为接触型 IC 卡和非接触型 IC 卡两大类。这里所说的接触式 IC 卡，也就是在使用时，通过有形的金属电极触点将卡的集成电路与外部接口设备直接接触连接，提供集成电路工作的电源并进行数据交换的 IC 卡。芯片一般采用不易挥发性的存储器（ ROM、 EEPROM）、保护逻辑电路、甚至还带微处理器 CPU。这种卡
6、片的集成电路中有 8 个触点可以跟外面接触，其特点是卡只有插入读卡器中才能进行读写操作。 IC 卡从嵌装的芯片又可划分成为两大类：分别是存储器卡和智能卡。存储器卡采用存储器芯片作为卡芯，只有“硬件”组成，包括数据存储器和安全逻辑 控制等；智能卡采用微处理器芯片，它作为卡芯，由硬件和软件共同组成，包括硬件 MPU（微处理器）、 RAM（随机存取存储器）、 ROM（只读存储器），软件 IC 卡监控程序或操作系统 COS（ IC Card Operating System）等。存储器卡在技术上被分成两种：分别是普通存储器卡和逻辑加密存储器卡。作为普通存储器卡的卡芯芯片只含有数据存储器，通常简称为“存
7、储卡”；逻辑加密存储器卡则采用带有安全逻辑的芯片作为卡芯，可对数据存取用密码保护，通常简称为 “加密卡 “。目前国内市场上，加密卡的应用非常广泛，大的如电话卡、 医疗保险卡、工商组织机构代码卡、报税卡、暂住证等，小的如考勤卡、门控卡、售饭卡等企业内部管理卡。 IC 卡的应用推广非常快， 96、 97 两年 IC 卡应用达到 6000 万张， 98 年一年就达到 8000万张。目前国内 IC 卡主要是采用德国 SIEMENS 和美国 ATMEL 的 IC 芯片，其他芯片厂家如韩国三星等也开始在国内供货。 IC 卡的安全性比磁卡的安全性就要高得多， IC 卡内的信息加密后不可复制，安全密码核对错误
8、有自毁功能，而磁卡很容易被复制。随着微电子技术的进步，IC 卡技术已经得到了突飞猛进的发展，并且跟随着它的不断发展以及国内 相关行业服务意识的提高，在与人们日常生活相关的消费系统中使用 IC 卡技术已经得到了迅速的推广和广泛的应用。 目前，国际上有多家厂商致力于射频识别技术的研究及市场开发，其中较为著名的如美国的德州仪器公司（ TI）、荷兰的菲利浦公司（ Philips）等。 图 1 停车场管理系统的组成框图 本系统采用 1 台 PC 主机 , 以 RS- 232 总线联接进、出口读写器和监控终端。读写器、自动闸门和地感线圈等组件构成基本的停车场出、入口控制单元。 3课题的研究内容及拟采取的研
9、究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 IC 卡消费系统是 IC 卡最广泛的应用之一，已经在许多场合得到了广泛的应用。 IC 卡消费系统主要可分成两大部分：上位微机的 IC 卡管理系统和基于单片机的 IC 卡消费机。本课题主要任务是完成对接触式 IC 卡消费机的键盘显示及控制电路、读写与数据存储电路、数据通讯电路等电路的设计。而我主要负责的是IC 卡消费机的硬件设计。 3.1 研究内容 接触式 IC 卡消费机的硬件设计主要内容如下： （ 1）、单片机的选择； （ 2）、单片机控制电路的硬件设计； （ 3）、 LED 显示和编码式键盘的硬件设计； （ 4）、存储器电路的硬件设计； （ 5）
10、、通 讯接口电路与电源电路的硬件设计等； 3.2 研究方法 收费机的构成主要由卡座、 LED 显示、编码式键盘电路、单片机控制电路、存储器电路、通讯接口电路和电源电路等功能部件组成，其中单片机控制电路是主要电路，将完成对各个功能部件的协调控制等任务。 单片机控制电路的框图如图 2 所示： 图 2 （ 1）单片机的选择及单片机控制电路。 出于对本设计的综合考虑，该消费系统中读写器的主控芯片采用的就是89C51 单片机。 89C51 单片机是 Intel 公司开发的 8 位的系列化处理芯片。内部带有一个 8 位的 CPU， 256 个字节的 RAM， 21 个特殊功能寄存器（ SFR）， 2 个通
11、讯电路 单 片 机 控 制 电 路 电源电路 LED 显示电路 IC 卡读写 数据存储 键盘电路 其它功能电路 16 位的定时 /计数器， 4 个 8 位的并行接口，一个全双工的串行接口， 5 个中断源及片内时钟振荡器等。读写器的核心模块即如何实现对 IC 芯片的有效控制和读写操作。对于简单 IC 卡消费机已经足够使用。 （ 2） 数据通讯电路。 IC 卡消费机的数据需要上传到控制主机，采用串行通信的方式实现，一般有RS232、 RS485 等选择，如何保证数据通信的可靠性，将会是一个十分重要的技术。 而接口电路的设计 则是 直接反映了对该芯片的具体 操作思想。由于 IC 卡的逻辑接口电路一般
12、采用 的是 集电极开路 (OC)输出及非保护式输入结构，所有让上拉电阻 R 源端与 IC 卡的供电电源相连接。当 IC 卡处于供电状态时，整个接口电路接通，接口设备与 IC 卡间构成逻辑通路；而当 IC 卡处于下电状态时，上拉电阻 R 的源端失去了供电，整个与卡接口的电路均处于不带电状态。所有的 IC卡接口部分都加入了保护二极管，这些二极管可以使各引脚上的电压严格地限定在 -VD VCC+ VD 之间（ VD 是保护二极管的正向压降，通常为 0.6 左右）。这样，可以抑制由于线路干扰和逻辑电平变化的边沿产生抖动所 带来的瞬间过压，为 IC 卡提供了进一步的保护措施。所设计的接口电路图如图 3
13、所示。 IC 卡控制和读写电路 （图 3） （ 3）电源电路 由于 IC 卡的电源电压范围为 +2.7 +3.6V，而单片机需要的电源为 +5V，而且稳压源提供的电压也是 +5V，因此，要设计一个稳压模块，给 IC 卡提供 +3V左右的电压。设计电路如图 4 所示。 图 4 3.3 研究难点 （ 1）由于既可与 IC 卡进行串行同步通信，又要与上位机进行中行异步通信，因而需要选择一种同时具有这两种通信方式的单片机。所选的主控制芯片不仅需要的这两种通信方式，还应具有运行速度快、低功耗、价格低等优点。对芯片的要求也相当的高。 （ 2） 市面上的系统 可 分两类，一类是 使 用 IC 卡在前端扣款，
14、但实际系统 是在后台帐户扣款 的 ，交易 也是 在后台进行 的 。这类 的 ID 卡消费系统还是 要 依赖后台和网络的稳定。另一类是使用的前端扣款，后台 是 采集数据，事后处理 的 。IC 卡消 费系统是 通过 前台操作刷卡扣钱。 而 消费金额、卡余额 也 都是写在卡上的。这类系统存在一个 普遍的 问题，就是最终后台软件计算 所得 的消费金额 与 前面卡上扣的金额是否一致。我们称 之 为平帐问题。 （ 3）安全性也是一个潜藏的隐患，会出现的诸多安全性的问题。 3.4 预期达到的目标 1、 支持 Mifare IC 卡； 2、按键操作：能实现对系统的设置和卡上数据的操作 ； 3、 LED 显示，
15、显示应扣金额、剩余金额等信息； 4、电源设计，为消费机提供必要的电源，使其正常运行； 5、 可存储 1000 条交易记录和 10000 张以上的卡片信息 6、 多项消费条目累加计算功能。 7、 保密性和防伪性：能够辨别卡的密码，若感应到在非授权的范围内应作出报警处理； 通过本次设计，将使我们掌握了一定的智能卡技术、通讯和通讯协议、单片机应用电路设计，同时又掌握了应用系统的设计技术和方法。 4 研究工作详细进度和安排 2010 年 11 月 23 日 2011 年 01 月 10 日 课题调研，文献检索，完成外文翻 译、文献综述、开题报告的初稿工作。 2011 年 02 月 21 日 2011
16、年 03 月 11 日 完成软件设计（设计程序结构，编 写软件），完成毕业设计初稿。 2011 年 03 月 14 日 2011 年 05 月 03 日 毕业实习并提交实习报告。 2011 年 05 月 04 日 2011 年 05 月 12 日 论文修改与提交。 2011 年 05 月 23 日以后 准备毕业论文答辩。 5 参考文献 1 何立民 .单片机应用系统设计 M 北京：北京航空航天大学出版社， 1995. 2 戴鹏，叶兆荣，张哲，王新安，张兴 .一种高性能智能卡的设计实现 A 微电子学， 2010.6. 3 关义章 .智能卡 未来标准化的安全器件 .通信保密 .1993.冯博琴主编，
17、顾刚、刘志强等编 .软件技术基础 M人民 邮电出版社， 2001. 4 王爱英 .智能卡技术 IC 卡 M .第二版 .北京：清华大学出版社， 2000. 5 冯博琴主编，顾刚、刘志强等编 .软件技术基础 M人民邮电出版社，2001. 6 Howard Gobioff. Sean Smith. J.D.Tygar. Smart Cards in Hostile Environments. School of Computer Science Carnegie Mellon University Pittsburgh,PA 15213. September 14,1995. 7 张明扬，田翠华，
18、王月志 .智能卡消费管理系统的研究 A 沈阳电力高等专科学校学报， 2002.4. 8 俞永泉 .ATMEL89 系列单片机应用技术 M北京：北京航空航天大学出版社， 2002. 9 刘文涛 .单片机应用开发实例 M. 北京 :清华大学出版社 , 2004. 10 赵锡钧 .基于 RS-485 接口的单片机串行通信 M.中国工程物理研究院 . 11 李铁军，何永洪 .基于单片机的 IC 卡系统设计 A重庆邮电大学 . 廖裕评 , 陆瑞强 . CPLD 数字电路设计 M . 北京 : 清华大学出版社 , 2001. 10. 12 渠丽娟 . 频率合成技术的发展及应用综述报告 M .成都 : 成都
19、电子科技大学出版社 , 2001. 12. 13 D igital A D. Synthesizer w ith Imp roved Spect ralPerfo rmance, IEEE T ran. on Communicat ion.1991, 39 (7) : 3. 14 张厥盛 , 曹丽娜 . 锁相与频率合成技术 M . 成都 : 电子科技大学出版社 . 15 张 宁 ,何铁军 ,余彦翔 . 地铁 Ult ralight 单程票安全解决方案研究J . 交通与计算机 ,2007 ,25 (5) :34-37. 16 何立民 . 单片机应用系统设 计 M . 北京 : 北京航空航天大学出版社 , 1995.
