一種安全可靠的IC卡讀寫器系統
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人們日常生活中經常接觸到磁卡和IC卡，它們是根據卡片上的信息載體的不同而劃分的。卡片及其讀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。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腳變為高電平。當單片機檢測到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字節的ROM，256個字節的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 監控電路
監控電路采用X25045芯片，它包括看門狗定時器、電壓監控電路和E2PROM存貯器。其功能是：上掉電時對GMS97C52產生RESET信號;看門狗對系統進行監控，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，它為4×4結構，16個鍵。其中數字鍵11個，功能鍵4個，回車鍵1個。
數字鍵：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。用于顯示系統狀態、輸入的密碼或所要存取的款額以及出錯信息等。
由于GMS97C52的驅動電流有限，在P0、P2口加反向器SN74F04，增加驅動能力。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，系統處于待機狀態，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”數據。然后循環掃描鍵盤顯示程序，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。
3.2 循環鍵盤顯示程序
循環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，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，或輸入的款數超出限額。
(4) NUM表示輸入第幾個數字，00H表示無數字輸入，01H～08H表示輸入密碼，09H～10H表示輸入款數或新密碼，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為雙向數據輸入輸出線。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。在該系統中，GMS97C52為主機，X76F100為從機。首先主機向從機發一個START命令，產生開始條件，然后發寫命令字。當從機接到命令后，向主機發一個應答信號NACK。然后跟隨8字節密碼，隨后進入一個寫周期，寫周期結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”，重試計數器加1，返回到啟始位置，提示重新送入寫命令字和8字節密碼。若密碼正確，主機接著送入8個字節的數據，ACK響應成功后，主機發出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;調開始命令
MOV A,#SECTOR_WR;調頁寫命令
ACALL OUTBYTE;調輸出字節命令
ACALL NACK;X76F100發應答信號
ACALL WR_WR_PASS;調寫密碼命令
ACALL T10ms;10ms延時開始寫密碼周期
ACALL ACK_POLLING;調密碼應答輪詢子程序
ACALL WR_DATA;調頁寫數據子程序
ACALL STOP;調停止命令
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
WP:MOV A,@R0 ;將R0中的數據送入A中
ACALL OUTBYTE;輸出字節子程序
ACALL NACK
INC R0
DJNZ R1,WP
RET
WR_DATA: ;將數據寫到X76F100中
MOV R0,#DATA0;將數據首地址送入R0
MOV R1,#08H;一頁有8個數據
WB: MOV A,@R0 ;將R0中數據送入A
ACALL OUTBYTE;調輸出字節子程序
ACALL NACK;從機發應答信號
INC R0;下一個字節
DJNZ R1,WB;循環直到R1為0
RET
OUTBYTE: ;主機向X76F100發字節
MOV R2,#08H;一個字節有8位
LOOPO:
CLR SCL_76
RLC A;移位
MOV SDA_76,C;將進位送入數據線
SETB CL_76
DJNZ R2,LOOP;循環直到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;主機發固定應答命令
ACALL OUTBYTE
ACALL NACK;調從機發應答信號
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;主機執行一個應答
ACALL CLOCK
RET
NACK:
SETB SDA_76
;從機執行一個應答
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. 人民郵電出版社，1989
3 盧存偉，錢捷. 微機原理及應用系統設計. 河海大學出版社，1992年
4 X76F100 DATA SHEET. XICOR公司
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