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用PIC单片机实现的IC卡读写器
摘要：详细介绍PIC单片机使用SPI方式与IC卡进行数据传输的原理和电路设计，以及使用USART方式与PC机进行串行异步通信的工作原理；介绍PIC单片机听SPI方式和USART方式的设置方法。关键词：PIC单片机IC卡读写器SPI方式USART方式
引言
本设计的主要目的是介绍IC卡的数据存储技术和IC卡的数据通信，因而使用存储器卡。由于本设计中既可与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。因为PIC16F877不仅具有本设计所需要的两种通信方式，而且还具有运行速度快、低功耗、价格低等优点，所以选择PIC16F877单片机作为本设计的单片机。
图1是本设计的电路图，图中电源变换电路和发光二极管等指示电路没有画出。图中的二极管电路是单片机与IC卡通信数据线的保护电路。当数据线上的电压为负电压时，与地相连的二极管导通；当数据线上的电压大于+5V时，与+5V相连的二极管导通，从而保证数据线上的电压在0V～+5V之间，保护单片机和IC卡不受损坏。图中单片机的15脚和23脚分别与IC卡的输出引脚3和4相连。由于IC卡的输出电压为CMOS电平，而单片机能够正确的识别IC卡的输出信号，需要加上拉电阻。
1SPI工作方式
串行外围设备接口SPI（SerialPeripheralInterface）总线技术是Motrola公司推出的一种同步串行接口。SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件能力很强，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其它事务，因此得到广泛应用。
SPI模式允许8位数据同步发送和接收，支持SPI的所有四种方式。SPI模式传输数据需要四根信号线：串行数据输出（SDO）线、串行数据输入（SDI）线、串行时钟（SCK）和从选择（SS）。其中，从选择线只用于从属模式。
1.1SPI主模式
由于控制时钟SCK的输出，主模式可以在任何时候开始传输数据。主模式通过软件协议控制从模式的数据输出。
在主模式中，一旦SSPUF寄存器写入，数据就会发送或接收。在接收数据时，SSPSR寄存器按照时钟速率移位，一旦接收到一个字节，数据就传输到SSPBUF，同时中断标志位和状态标志位置位。
时钟的极性可以通过编程改变。在主模式中，时钟SCK的频率可以设置为：fosc/4(即Tcy)、fosc/16(即4Tcy)、fosc/64(即16Tcy)和定时器2（Timer2）输出的二分频等四种。在芯片时钟为20MHz时，SCK的最大频率为5.0MHz。
在本设计中，使用的就是SPI主模式，由单片机控制时钟SCK的输出。当向IC卡中写数据时，随时可以发送数据；当读IC卡内的数据时，先要发送任意一个数据（此时IC卡不处于写入状态，不会接收该数据），给IC卡提供输出数据的时钟，然后再接收IC卡发出的数据。其时序如图2所示。（发送和接惦的数据均为6FH）
如果要连续发送数据，那么每次将数据送到SSPBUF寄存器后，都要判断是否已经发送完该数据，即判断PIR1寄存器的SSPIF位是否为1。如果SSPIF位为1，则表明数据已经发送完毕，可以继续发送下一个数据。但此时还不能立即发送下一个数据，因为SSPIF位必须在程序中由软件清零，只有将SSPIF位软件清零后，才能继续发送下一个数据。
1.2SPI从模式
在SPI从模式，数据的发送和接收领先SCK引脚上输入的外时钟脉冲，当最后一位被锁存后，中断标志位SSPIF（PIR1的D3）位。在休眠模式，从模式仍可发送和接收数据，一旦接收到数据，芯片就从休眠中唤醒。如果采用SS控制的从模式，当SS引脚接到VDD时，SPI模式复位；如果彩CKE=1控制的从模式，必须开放SS引脚控制。
在本设计中，由于IC卡是存储器卡，不能提供时钟信号，因此不能采用从模式，只能采用主模式，由单片机控制时钟信号。
单片机的SPI方式初始化程序如下：
MOVLW20H；将20H送到累加器
MOVWFSSPCON；将累加器中的数送到SSPCON寄存器
BSFSTATUS，RP0
；将定RAM区的第1页
BCFSSPSTAT，SMP；将SSPSTAT寄存器的SMP位置0
BSFSSPSTAT，CKE；将SSPSTAT寄存器的CLK位置1
BCFTRISC，3；将端口C的第3位设置为输出
BCFTRISC，5；将端口C的第5位设置为输出
其中，上述第1、2行程序是配置控制寄存器，将SPI方式配置为主控模式，时钟频率为单片机时钟频率的1/4，并将时钟的高电平设置为空闲状态。第3行程序为换页指令，将指针转到第1页。因为PIC16F877单片机的数据存储器是分页的，而所要操作的寄存器在第1页，因此要用换页指令将指针到第1页。第4、5行程序是配置状态寄存器，将SPI方式设置为数据输出时钟的中间采样，时钟SCK的上升沿触发。第6、7行程序则是将RC口的RC3和RC5设置为输出。
2USART方式
通用同步异步接收发送模块（USART）是两个串行通信接口之一，USART又称为SCI（SerialCommunicationInterface）。USART可以设置为全双工异步串行通信系统，这种方式可以与个人计算机PC或串行接口CRT等外围设备进行串行通信：也可以设置为半双工异步串行通信系统，与串行接口的A/D或D/A集成电路、串行EEPROM等器件连接。USART是二线制串行通信接口，它可以被定义如下三种工作方式：全双工异步方式、半双工同步主控方式、半双工同步从动方式。
为了把RC6和RC7分别设置成串行通信接口的发送/时钟（TX/CK）线和接收/数据（TX/DT）线，必须首先把SPEN位（TCSTAT的RD7）和方向寄存器TRISC的D7：D6置1。
USART功能模块含有两个8位可读/写的状态/控制寄存器，它们是发送状态/控制寄存器TXSTA和接收状态/控制寄存器TCSTA。
USART带有一个8位波特率发生器BRG（BaudRatoGenerator），这个BRG支持USART的同步和异步工作方式。用SPBRG寄存器控制一个独立的8位定时器的周期。在异步方式下，发送状态/控制寄存器TXSTA的BRGH位（即D2）也被用来控制波特率（在同步方式下忽略BRGH位）。
向波特率寄存器SPBRG写入一个新的初值时，都会使BRG定时器复位清零，由此可以保证BRG不需要等到定时器溢出后就可以输出新的波特率。
对USART方式进行初始化的程序如下：
BSFSTATUS，RP0；将指针指向数据存储器的第1页
MOVLW0x19
MOVWFSPBRG；设置波特率为9600
BCFSTATUS，RP0；将指针指向数据存储器的第0页
CLRFRCSTA；将接收控制和状态寄存器清零
BSFRCSTA，SPEN；串口允许
CLRFPIR1；清除中断标志
BSFSTATUS，RP0；将指针指向数据存储器的第1页
CLRFTXSTA；将发送控制和状态寄存器清零
BSFTXSTA，BRGH；设置为异步、高速波特率
BSFTXSTA，TXEN；允许发送
BCFSTATUS，RP0；将指针指向数据存储器的第0页
BSFRCSTA，CREN；允许接收
初始化完成后，即可发送或接收数据。在发送或接收数据时，通过查询发送/接收中断标志位即可判断是否发送完一个数据/接收到一个数据。发送/接收中断标地不需要也不有用软件复位。
在异步串行发送的过程中，只要TXREG寄存器为空，中断标志TXIF就置位。因此，TXIF为1并不是发送完毕的标志，但仍可以用TXIF标志来判断。因此当TXREG为空时，将数据送入后，数据会保留在TXREG寄存器中，直到前一个数据从发送移位寄存器中移出，即前一个数据发送完。
3IC卡
IC卡是集成电路卡（Integra
tedCircuitCard）的简称，有些国家和地址称其为智能卡（SmartCard）、芯片卡（ChipCard）。国际标准化组织（ISO）在ISO7816标准中规定，IC卡是指在由聚氯乙烯（PVC）或聚氯乙烯酸脂（PVCA）材料制成的塑料卡内嵌入式处理器和存储器等IC芯片的数据卡。近年来，由于导半体技术的进步，集成化程度和存储器容量有了很大提高，并使CPU和存储器集成在一个芯片上，从而提高了数据的安全性。
在本设计中，IC卡采用的是AT45DB041B-SC芯片，该芯片的特点如一下：
*单一的2.7V～3.6V电源；
*串行接口结构；
*页面编程操作，单一的循环重复编程（擦除和编程，2048页（每页264字节）主存；
*两个264字节的SRAM数据缓存，允许在重编程非易失性存储器时接收数据；
*内置的编程和控制定时器；
*低功耗，4mA有源读取电流，2μACMOS备用电流；
*15MHz的最大时钟频率；
*串行外围接口方式（SPI）——模式0和3；
*CMOS的TTL兼容的输入和输出；
*5.0V可承受的输入，SI、SCK、CS（低电平有效）、RESET（低电平有效）。
在本设计的调试过程中，曾测试过IC卡的输入输出电平，结果证明这种IC卡的输入电平与TTL兼容，而输出电平与TTL不兼容。
4IC卡的电源提供电路
在本设计中，由于IC卡的电源电压范围为+2.7～+3.6V，而PIC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3所示。
该电路的主要元件为LM317芯片，它是三端可调集成稳压器，输出电压为1.25～37V范围内可调。当其Vin端的输入电压在2～40V范围内变化时，电路均能正常工作，输出端Vout和调整端ADJ间的电压等于基准电压1.25V。该芯片内的基电路的工作电流IREF很小，约为50μA，由一个恒流性很好的恒流源提供，所以它的大小不受供电电压的影响，非常稳定。在图3中，B点为电压输出端，为IC卡提供电压。A点为控制端，与单片机的一个端口引脚相连，当该引脚为低电平时，三极管Q1不工作，B点输出电压约为3.15V；当该引脚为高电平时，三极管Q1工作，B点输出电压约为1.25V。在程序中查询IC卡插座中是否有IC卡，当有IC卡时，将A点所连的单片机引脚设置为低电平，从而为IC卡提供电源；当没有IC卡或对IC卡的操作结束时，将A点连的单片机引脚设置为高电平，从而不给IC卡提供电源。
IC卡的上电和下电程序如下。
IC卡上电子程序IC卡下电子程序
POWERONPOWEROOF
BSFSTATUS，RP0BSFSTATUS，RP0
BCFTRISE，0BCFTRISE，0
BCFRTISE，1BCFTRISE，1
BCFSTATUS，RP0BCFSTATUS，RP0
BCFPORTE，0BSFPORTE，0
BCFPORTE，1BSFPORTE，1
CALLDLYTIMCALLDLYTIM
RETURNRETURN
在本设计中，单片机与IC卡通信的主程序流程图如图4所示。
5与PC机的通信
在本设计中，有PIC单片机与PC机串行通信的功能。由于本设计所用的单片机PIC16F877有USART方式，该方式可将C口的RC5和RC7设置成异步串行通信模式，因而在本设计中，与PC机的通信模块电路就比较简单。将单片机C口的RC6和RC7设置为异步串行通信模式，经过MAX232A芯片进行电平转换后，将TTL电平转换为RS232电平，再与DB9接口相连，即可实现通信。在PC机端，可以用VC等编程工具根据通信协议编写软件来控制对IC卡的读写操作。
6结论
经过调试，本设计能够在脱离在线仿真器的情况下，上电后独立的运行程序，并能在PC机软件的控制下，实现对IC卡中任意位置的读写，其中读写的起始地址、读写数据的个数以及数据内容可以在PC机端输入或选择。
本设计已在实际应用中测试过，具有实用价值。由于本设计中所使用的PIC单片机的程序存储器较大（8KB），因而可以编写较大的程序，实现多合一该卡器并由PC机控制读写哪种芯片的IC卡。另外，由于本设计所使用单片机的程序存储器是Flash存储器，因而可以方便地实现程序的下载和升级。
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