一種安全可靠的IC卡讀寫器系統(tǒng)

　摘 要 采用XICOR公司的X76F100作串行E2PROM，設計以MCS-51單片機為核心的IC卡讀寫器系統(tǒng)。可以實現(xiàn)查詢、安全存儲、修改密碼等功能。用戶還可以根據(jù)需要進行功能擴充。


1 IC卡讀寫器概述

　 人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常接觸到磁卡和IC卡，它們是根據(jù)卡片上的信息載體的不同而劃分的?？ㄆ捌渥x寫器都屬于人機接口的輸入輸出設備。磁卡是在卡片上貼一條窄窄的磁帶來記錄信息的，它主要用于車船票 、信用卡、電話磁卡、旅館門鑰匙等。IC卡則為近幾年才出現(xiàn)的新型卡片，在卡片上嵌有IC（E2PROM，有的還有CPU）。由于它保存的信息比較可靠安全、可以高達幾萬次的讀寫，所以大量應用于公交車票 、飯票 、保健卡、收費系統(tǒng)等。下面介紹一種以XICOR公司的X76F100為卡片的、用于存取款的IC卡讀寫器方案。

2 硬件組成

　 圖1為IC卡及其讀寫器硬件電路圖。其中讀寫器由單片機、鍵盤、顯示、監(jiān)控電路等部分組成。IC卡采用XICOR公司的X76F100Y。

圖1 IC卡讀寫器系統(tǒng)電路圖

2.1 IC卡及卡座

　 X76F100為128×8位的保密串行FLASH E2PROM，其中讀密碼和寫密碼分別為64位。圖2為其智能卡Smart Card封裝的引腳圖。把芯片封裝在一個卡片上，將卡片插入IC卡讀寫器的卡座中，讀寫器就可以對它進行讀寫，實現(xiàn)加密、查詢、存款、取款等功能。
　 IC卡座有8個引腳，當X76F100Y插入時，正好同這幾個引腳相連。另外還有兩個固定端，其中一個固定端同卡座上一個彈簧片相連，兩個觸點和簧片就相當于一個常閉開關(guān)。當卡未插入時，簧片閉合，P3.2腳保持低電平；當卡插入時，簧片被頂開，P3.2腳變?yōu)楦唠娖健．攩纹瑱C檢測到P3.2腳變高，通過P1.3 使X76F100的RST引腳變高，使其復位。

2.2 單片機

　 單片機采用LG公司的GMS97C52。它有8K字節(jié)的ROM，256個字節(jié)的RAM以及32個I/O口，P1口與串行器件X25045和X76F100連接，P0、P2口用于鍵盤和顯示，P3口中P3.2用于檢測IC卡是否插入，其余7個口，可作其它功能擴充。
 

圖2 X76F100Y引腳



2.3 監(jiān)控電路

　 監(jiān)控電路采用X25045芯片，它包括看門狗定時器、電壓監(jiān)控電路和E2PROM存貯器。其功能是：上掉電時對GMS97C52產(chǎn)生RESET信號；看門狗對系統(tǒng)進行監(jiān)控，防止死機。

2.4 鍵盤電路

　 為了方便，鍵盤接口電路用I/O口實現(xiàn)，它為4×4結(jié)構(gòu)，16個鍵。其中數(shù)字鍵11個，功能鍵4個，回車鍵1個?！?BR>

數(shù)字鍵：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、←（退格）。

功能鍵：查詢？、存儲+、取款－、改密碼* 。

查詢？：用戶通過讀密碼可以查詢卡中所存的款額。

存款+ ：用戶通過寫密碼可以將款存入卡中。

取款－：用戶通過寫密碼可以從卡中取款。

改密碼*：分為修改讀密碼和寫密碼。為方便起見，令讀密碼和寫密碼一

致，按此鍵將同時修改讀密碼和寫密碼。

回車鍵：8位密碼或存取款數(shù)輸入完確認，以及新密碼輸入完確認。

2.5 顯示電路

　 顯示部份采用LED顯示器，也用I/O口實現(xiàn)。用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)、輸入的密碼或所要存取的款額以及出錯信息等。
　 由于GMS97C52的驅(qū)動電流有限，在P0、P2口加反向器SN74F04，增加驅(qū)動能力。它的吸入電流為64mA，輸出電流為15mA，可以保證位選所需的吸入電流。

3 程序設計

3.1 主程序流程圖

　 主程序流程圖如圖3所示。
　 開機后，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，不斷查詢P3.2腳電平，當X76F100插入讀寫器卡座時，P3.2腳電平變高，單片機檢測到P3.2高電平信號時，使P1.3腳電平變高，如果此時為低電平，X76F100復位，輸出32位固定的“同步復位響應”數(shù)據(jù)。然后循環(huán)掃描鍵盤顯示程序，進行存款、取款、查詢或改密碼。一次操作完成后返回，然后不斷循環(huán)。

3.2 循環(huán)鍵盤顯示程序

　　循環(huán)掃描鍵盤顯示程序如圖4所示，它采用程控掃描方式。鍵盤實際操作的順序是：先按功能鍵，然后依次輸入8位（十進制）密碼，按回車鍵確認。當存取款時，隨后輸入所存取的款額；當修改密碼時，隨后輸入8位新密碼，輸完后按回車鍵確認。若輸入密碼正確，顯示IC卡內(nèi)存款的余額或改密碼成功信息（SUCCESS）。若密碼不正確，提示重新輸入，允許輸入密碼4次。
　　為了記錄操作中正在進行的狀態(tài)，在鍵盤程序中設置了多個指針。
　 （1）KEY 有否按鍵按下標志。00H表示無鍵按下，01H表示有鍵按下。此標志用于判斷按鍵是否已松開，防止誤操作。
　 (2）FUN為功能鍵指針，00H表示無功能鍵按下，01H表示存款（ADD），02H表示取款（SUB），03H表示查詢（IQUIRE），04H表示改密碼（CHANGE PASSWORD）。
（3）DIG為允許數(shù)字鍵輸入標志，00H表示不允許，01H表示允許。此標志主要是防止輸入多余的密碼，或輸入的款數(shù)超出限額。
　（4） NUM表示輸入第幾個數(shù)字，00H表示無數(shù)字輸入，01H～08H表示輸入密碼，09H～10H表示輸入款數(shù)或新密碼，若NUM為11H，顯示出錯信息。

3.3 X76F100讀程序舉例

圖4 循環(huán)鍵盤顯示程序流程圖

　　X76F100為I2C總線E2PROM。SCL為時鐘輸入，SDA為雙向數(shù)據(jù)輸入輸出線。通過片輸入來控制對器件的訪問。下面以頁寫為例，先結(jié)合時序說明X76F100的工作過程，然后給出程序。
　 頁寫時序如圖5所示。在該系統(tǒng)中，GMS97C52為主機，X76F100為從機。首先主機向從機發(fā)一個START命令，產(chǎn)生開始條件，然后發(fā)寫命令字。當從機接到命令后，向主機發(fā)一個應答信號NACK。然后跟隨8字節(jié)密碼，隨后進入一個寫周期，寫周期結(jié)束后進行密碼應答輪詢ACK Polling。X76F100要求主機用專用的應答命令55H進行應答輪詢。如果輸入的密碼正確，將返回一個“ACK”。如果密碼不正確，將返回“no-ACK”，重試計數(shù)器加1，返回到啟始位置，提示重新送入寫命令字和8字節(jié)密碼。若密碼正確，主機接著送入8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，ACK響應成功后，主機發(fā)出STOP命令完成寫操作。下面是用寫密碼進行頁寫的程序。


圖5 頁寫時序圖（需要密碼）

WRITE_USING_WRITE_PASS: ;用寫密碼進行寫操作
ACALL　　　　 START
;調(diào)開始命令
MOV　　　　　　A,#SECTOR_WR
;調(diào)頁寫命令
ACALL　　　　 OUTBYTE
;調(diào)輸出字節(jié)命令
ACALL　　　　 NACK
;X76F100發(fā)應答信號
ACALL　　　　 WR_WR_PASS　
;調(diào)寫密碼命令
ACALL　　　　 T10ms
;10ms延時開始寫密碼周期
ACALL　　　　 ACK_POLLING
;調(diào)密碼應答輪詢子程序
ACALL　　　　 WR_DATA
;調(diào)頁寫數(shù)據(jù)子程序
ACALL　　　　　 STOP
;調(diào)停止命令
ACALL　　　　 T10ms
;延時10ms寫密碼周期
RET
　
WR_WR_PASS: ;將寫密碼寫入X76F100
MOV　　　　　　R0,#WR_PASS7
;將密碼首址送入R0
MOV　　　　　 R1,#08H
;寫密碼為8個字節(jié)
WP:MOV　　　　　 A,@R0　 ;將R0中的數(shù)據(jù)送入A中
ACALL　　　 OUTBYTE
;輸出字節(jié)子程序
ACALL　　　 NACK
　
INC　　　　　 R0
　
DJNZ　　　　 R1,WP
　
RET
　
WR_DATA: ;將數(shù)據(jù)寫到X76F100中
MOV　　　　　R0,#DATA0
;將數(shù)據(jù)首地址送入R0
MOV　　　　　R1,#08H
;一頁有8個數(shù)據(jù)
WB: MOV　　　　　A,@R0 ;將R0中數(shù)據(jù)送入A　
ACALL　　　 OUTBYTE
;調(diào)輸出字節(jié)子程序
ACALL　　　 NACK
;從機發(fā)應答信號
INC　　　　　 R0
;下一個字節(jié)
DJNZ　　　　 R1,WB　
;循環(huán)直到R1為0
RET
　
OUTBYTE: ;主機向X76F100發(fā)字節(jié)
MOV　　　　　R2,#08H
;一個字節(jié)有8位
LOOPO:　
CLR　　　　　 SCL_76
　
RLC　　　　　 A
;移位
MOV　　　　　SDA_76,C
;將進位送入數(shù)據(jù)線
SETB　　　　 CL_76
　
DJNZ　　　　 R2,LOOP
;循環(huán)直到R2為0
RET
　
START:　
SETB　　　　 SDA_76
　;開始子程序
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: ;密碼應答輪詢子程序
ACALL　　　 START
　
MOV　　　　 A,#55H
;主機發(fā)固定應答命令
ACALL　　　OUTBYTE
　
ACALL　　　NACK
;調(diào)從機發(fā)應答信號
JC　　　　　 PASS_ERROR
;若有進位則密碼錯誤
RET
　
PASS_ERROR: ;密碼錯誤
ACALL　　 STOP
　
RET　
　
ACK:　
CLR　　　　SDA_76
;主機執(zhí)行一個應答
ACALL　　CLOCK　
　
RET
　
NACK:　
SETB　　 SDA_76
;從機執(zhí)行一個應答　
ACALL　 CLOCK
　
RET
　
CLOCK:　
SETB　　SCL_76
;第9個脈沖
MOV　 C,SDA-76
;讀SDA狀態(tài)以判斷是否有應答
CLR　　 SCL_76
　
RET　
　
T10ms:　
MOV　　R7,#064H
;10ms延時
T10A:　
MOV　　R6,#032H
　
T10B:　
DJNZ　　R6,T10B
　
DJNZ　　R7,T10A
　
RET
　

　 參 考 文 獻

1 詹樹仁主編. GMS90及GMS97系列單片機的工作原理及其應用. 武漢力源電子股
　份有限公司，1998年　　　

2 趙依軍，胡戎. 單片機微機接口技術(shù). 人民郵電出版社，1989

3 盧存?zhèn)?，錢捷. 微機原理及應用系統(tǒng)設計. 河海大學出版社，1992年

4 X76F100 DATA SHEET. XICOR公司