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加密IC卡保險柜控制器的設計
摘要：詳細闡述IC卡保險柜控制器的原理、硬件設計和軟件設計等內容；給出電路原理圖和主程序流程圖。關鍵詞：IC卡 單片機 保險柜
隨著社會的進步和為民生活水平的提高，(范文先生網www.baimashangsha.com收集整理)為們出差、旅游和度假的機會日益增加。在賓館、飯店等居住場所都需要一保險柜來保存貴重物品和易失物品，即便在家里，也往往需要有一個地方來保存一些單據等物品。傳統的手段已不能滿足人們對其安全性和靈活性要求，把應用愈來愈廣泛的IC卡技術應用到保險柜上，可以充分滿足這方面的需求。例如，根據客戶要求，可以給每個房間配備一個帶有IC卡電子門鎖的保險柜供他們存放物品；待客人走后，可以靈活地對保險柜的密碼進行重新設置，更換IC卡。下面對我們自行設計的加密型IC卡保險柜的核心部件--控制器件一詳細的介紹。
一、控制器的硬件設計
本系統的主要任務是完成對IC卡的識別和控制，因此，首先介紹一下所選用的IC卡。
1.SLE4442加密IC卡簡介
目前市場上的IC卡種類較多，比較有代表性的有ATMEL公司的AT系列和SIEMENS公司的SLE系列。我們根據用戶的要求和市場的供給情況選用了SIEMENS公司設計的SLE4442卡。此卡的特點是：
（1）卡內有2K位的存儲容量和完全獨立的可編程邏輯代碼存儲器（PSC）；
（2）多存儲器結構，其中包括256×8位EEPROM，32×1位PROM的4×8位EEPROM型加密存儲器；
（3）串行口滿足ISO7816同步傳遞協議；
（4）每一字節的擦除/寫入時間為2.5ms；
（5）存儲器可擦除1000次以上，數據可保存10年以上。
SLE4442型IC卡的觸點排列及功能如圖1所示。
SLE4442芯片的傳送協議包括4種模式。
（1）復位和復位響應
復位可在操作期間任何時候進行。在復位響應期間，任何開始和停止條件均被禁止。復位與復位響應時序如圖2所示。
（2）命令方式
每個命令由起始條件、1個3字節長的命令和停止條件構成。命令方式時序如圖3所示。
起始條件：CLK處于高狀態H期間，I/O的下降沿。
停止條件：CLK處于高狀態H期間，I/O的上升沿。
（3）輸出數據方式
在這種試上，IC卡發送數據至接口設備IFD。在CLK上第一個下降沿后，I/O上第一位有辯效，最后一個數據位之后，需要一個額外的時鐘脈沖，以設置I/O處于高狀態，同時準備IC卡接收新的命令。在這種方式下，任何開始和停止條件均被禁止。輸出數據方式時序如圖4所示。
（4）處理方式
在第一個CLK的下降沿，將I/O線從高狀態H切換至低狀態L并開始處理，直到低狀態L的I/O被設置成高狀態H結束。在這種方式下，任何開始和停止條件均被禁止。處理方式時序如圖5所示。
SLE4442卡共有7個命令，每個命令包括3個字節，其命令格式及功能如表1所列。
表1 SLE4442命令
這里只介紹比較可編程密碼PSC命令的使用。比較過程由4個步驟組成：
①寫錯誤計數器EC（至少1位）。地址0。密碼比較結果將在錯誤計數器中反饋，3次密碼出錯IC卡被阻塞。
②比較PSC字節1，地址1。寫完錯誤計數器之后，以不同的命令格式送入3個密碼字節。密碼比較成功，將通過刷新錯誤計數器來識別，然后施加上操作電壓，就可以對所有存儲器進行讀寫操作了。
③比較PSC字節2，地址2。
④比較PSC字節3，地址3。
芯片在出廠時可根據用戶的專門要求將可編程加密代碼（PSC）存儲器中編入一個專用代碼。這樣在使用時，就必須合法地得到這個代碼，從而防止非法竊用或偽造卡片。
2.系統組成及工作原理
本系統的硬件主要由單片機、串行EEPROM、電磁閥和IC卡讀/寫插座組成。具體電路如圖6所示。
電路中的單片機AT89C2051是89C51的簡化體。20引腳為DIP封裝。片內有2K字節閃爍存儲器，128字節RAM，15條I/O線，全雙工串行口。P1.0、P1.1分別作為片內精確模擬電壓比較器的正、負輸入端；P1.2作為IC卡的復位端；P1.3、P1.4分別作為IC卡的時鐘線與數據線；P3.7作為IC卡工作指示燈的控制端；P1.5作為非法操作的聲音報警控制；P3.4作為電磁閥門SW1的控制端。圖中的U5是串行EEPROM--AT24C01，它的作用是用來隨機存儲每個IC卡的密碼等；U4為電壓比較器，用來監測電源電壓：如果電源電壓下降至4.5V左右就會產生報警信號。為了使系統更可靠地工作，采用CD4060設計了單片機"看門狗"電路，由4060定時產生一個復位脈沖，對單片機進行復位操作。整個電路設計中，充分考慮了能源的節約問題，所以在IC卡插入前整個電路的大部分芯片沒有供電，只有門電路U1工作；當IC卡插入后，由于IC卡座的開關接通，促使門電路U1觸發翻轉，由T1導通使其他芯片得到供電。如果在使用過程中客人忘記拔出IC卡，電路除了要產生報警信號外，還會在30s（秒）后自動停止供電。
二、控制器的軟件設計
該軟件包括三部分：
（1）IC卡信息的讀取及AT24C01數據的讀取；
（2）比較校驗數據，修改存儲器數據；
（3）各種控制功能的實現，包括門鎖開啟，聲、光報警等操作。
限于篇幅，這里只給出了利用51匯編語言編寫的加密IC卡SLE4442的讀/寫程序，并給出了主程序的流程圖，如圖7所示。
讀子程序
READ：MOV R0，#30H ；設置存放IC卡讀入數據的首地址為30H
LCALL RESET ；調IC卡復位子程序
MOV R2，#10H ；讀IC卡數據的個數送R2
LCALL START ；調起始條件子程序
MOV R5，#00110000B ；發送讀的命令碼
LCALL SPOUT ；調發送一個字節子程序
MOV R5，#20H ；發送IC卡的起始地址
LCALL SPOUT
MOV R5，#00H ；將數據00H發送出去
LCALL SPUT
LCALL STOP ；調停止條件子程序
READ1：LCALL SPINC ；調數據采集子程序
MOV A，R6
MOV @R0，A
INC R0
DJNZ R2，READ1
LCALL PLUSE ；調發送脈沖子程序
RET ；讀IC卡數據子程序結束
寫子程序
WRT：LCALL RESET ；寫IC卡數據子程序開始，調IC卡復位子程序
MOV R2，#10H ；寫入IC卡的字節個數送R2
MOV R1，#40H ；將40H為首地址的內容寫入IC卡
MOV R4，#30H ；R4中放的是寫到IC卡起始地址30H
WRT1：LCALL START ；調起始條件子程序
MOV R5，#00111000B ；發送寫的命令碼
LCALL SPOUT
MOV A，R4 ；發出要寫入的IC卡地址
MOV R5，A
LCALL SPOUT
MOV A，@R1 ；寫入IC卡數據
MOV R5，A
LCALL SPOUT
LCALL STOP ；調停止條件子程序
LCALL PROCE ；調一個編程過程子程序
INC R1 ；數據指針加1，直到數據寫完
INC R4
DJNZ R2，WRT1
RET ；寫子程序結束
PROCE：MOV R3，#0FFH ；一個編程過程子程序
PROC1：SETB P1.2
NOP
CLR P1.2
DJNZ E3，PROC1
RET
SPINC：MOV R3，#08H ；數據采集子程序
SPIN1：CLR P1.2
MOV C，P1.4
MOV A，R6
RLC A
MOV R6，A ；讀出的一字節內容送R6
SETB P1.2
DJNZ R3，SPIN1
RET
SPOUT：MOV R3，#08H ；一字節發送子程序
MOV A，R5
SPTC1：CLR P1.2
RLC A
MOV P1.4，C
NOP
SETB P1.2
DJNZ R3，SPTC1
RET
START：SETB P1.2 ；起始條件子程序
NOP
CLR P1.4
NOP
RET
STOP：CLR P1.2 ；停止條件子程序
NOP
CLR P1.4
NOP
SETB P1.2
CLR C
NOP
SETB P1.2
NOP
CLR P1.2
RET
RESET：SETB P1.3 ；復位IC卡子程序
NOP
CLR P1.3
NOP
RET
END
保險柜的安全性能是本控制器系統設計的出發點之一，為此，在軟件上，將IC卡分為母卡和子卡，母卡由管理人員掌握，子卡由客人掌握。在每次客人走后，將母卡插入保險柜，那么原來的開機子卡宣布作廢，這時可以插入一個新的卡形成一個新的子卡。母卡的功能是負責生成新的子卡，而不負責開門，從而確保了保險柜的安全性能。
結束語
該IC卡保險柜控制器具有結構簡單、功耗低、體積小、成本低等特點，完全達到了用戶的要求，目前已投入了小批量的生產。如果將現有的產品稍作改動和擴展，就能實現其他的功能。例如，給它擴展上一個語音芯片，即可進行語音提示或報警；如果將本控制器應用于防盜門就可制成IC卡防盜門，從而實現對傳統防盜門的更新換代，具有廣闊的市場前景。
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