加密IC卡保險(xiǎn)柜控制器的設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：IC卡 單片機(jī) 保險(xiǎn)柜
隨著社會(huì)的進(jìn)步和為民生活水平的提高，
為們出差、旅游和度假的機(jī)會(huì)日益增加。在賓館、飯店等居住場(chǎng)所都需要一保險(xiǎn)柜來(lái)保存貴重物品和易失物品，即便在家里，也往往需要有一個(gè)地方來(lái)保存一些單據(jù)等物品。傳統(tǒng)的手段已不能滿足人們對(duì)其安全性和靈活性要求，把應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛的IC卡技術(shù)應(yīng)用到保險(xiǎn)柜上，可以充分滿足這方面的需求。例如，根據(jù)客戶要求，可以給每個(gè)房間配備一個(gè)帶有IC卡電子門(mén)鎖的保險(xiǎn)柜供他們存放物品；待客人走后，可以靈活地對(duì)保險(xiǎn)柜的密碼進(jìn)行重新設(shè)置，更換IC卡。下面對(duì)我們自行設(shè)計(jì)的加密型IC卡保險(xiǎn)柜的核心部件--控制器件一詳細(xì)的介紹。
一、控制器的硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成對(duì)IC卡的識(shí)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(jiǎn)介
目前市場(chǎng)上的IC卡種類(lèi)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(jù)用戶的要求和市場(chǎng)的供給情況選用了SIEMENS公司設(shè)計(jì)的SLE4442卡。此卡的特點(diǎn)是：
（1）卡內(nèi)有2K位的存儲(chǔ)容量和完全獨(dú)立的可編程邏輯代碼存儲(chǔ)器（PSC）；
（2）多存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其中包括256×8位EEPROM，32×1位PROM的4×8位EEPROM型加密存儲(chǔ)器；
（3）串行口滿足ISO7816同步傳遞協(xié)議；
（4）每一字節(jié)的擦除/寫(xiě)入時(shí)間為2.5ms；
（5）存儲(chǔ)器可擦除1000次以上，數(shù)據(jù)可保存10年以上。
SLE4442型IC卡的觸點(diǎn)排列及功能如圖1所示。
SLE4442芯片的傳送協(xié)議包括4種模式。
（1）復(fù)位和復(fù)位響應(yīng)
復(fù)位可在操作期間任何時(shí)候進(jìn)行。在復(fù)位響應(yīng)期間，任何開(kāi)始和停止條件均被禁止。復(fù)位與復(fù)位響應(yīng)時(shí)序如圖2所示。
（2）命令方式
每個(gè)命令由起始條件、1個(gè)3字節(jié)長(zhǎng)的命令和停止條件構(gòu)成。命令方式時(shí)序如圖3所示。
起始條件：CLK處于高狀態(tài)H期間，I/O的下降沿。
停止條件：CLK處于高狀態(tài)H期間，I/O的上升沿。
（3）輸出數(shù)據(jù)方式
在這種試上，IC卡發(fā)送數(shù)據(jù)至接口設(shè)備IFD。在CLK上第一個(gè)下降沿后，I/O上第一位有辯效，最后一個(gè)數(shù)據(jù)位之后，需要一個(gè)額外的時(shí)鐘脈沖，以設(shè)置I/O處于高狀態(tài)，同時(shí)準(zhǔn)備IC卡接收新的命令。在這種方式下，任何開(kāi)始和停止條件均被禁止。輸出數(shù)據(jù)方式時(shí)序如圖4所示。
（4）處理方式
在第一個(gè)CLK的下降沿，將I/O線從高狀態(tài)H切換至低狀態(tài)L并開(kāi)始處理，直到低狀態(tài)L的I/O被設(shè)置成高狀態(tài)H結(jié)束。在這種方式下，任何開(kāi)始和停止條件均被禁止。處理方式時(shí)序如圖5所示。
SLE4442卡共有7個(gè)命令，每個(gè)命令包括3個(gè)字節(jié)，其命令格式及功能如表1所列。
表1 SLE4442命令
| 字節(jié)1控制字節(jié) | 字節(jié)2地址字節(jié) | 字節(jié)3數(shù)據(jù)字節(jié) | 操 作 |
| B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 | A7A0 | D7D0 | |
| 0 0 1 1 0 0 0 0 | 地址 | 無(wú) 效 | 讀/從給定的字節(jié)地址至用戶存儲(chǔ)器結(jié)束 |
| 0 0 1 1 1 0 0 0 | 地址 | 輸入數(shù)據(jù) | 編程輸入地址對(duì)應(yīng)的用戶存儲(chǔ)區(qū) |
| 0 0 1 1 0 1 0 0 | 無(wú)效 | 無(wú) 效 | 讀保護(hù)存儲(chǔ)器 |
| 0 0 1 1 1 1 0 0 | 地址 | 無(wú) 效 | 寫(xiě)保護(hù)存儲(chǔ)器中的保護(hù)位 |
| 0 0 1 1 0 0 0 1 | 地址 | 無(wú) 效 | 讀保密存儲(chǔ)器 |
| 0 0 1 1 1 0 0 1 | 地址 | 輸入數(shù)據(jù) | 寫(xiě)/編程輸入址對(duì)應(yīng)的保密存儲(chǔ)器 |
| 0 0 1 1 0 0 1 1 | 地址 | 輸入數(shù)據(jù) | 比較可編程密碼PSC字節(jié) |
這里只介紹比較可編程密碼PSC命令的使用。比較過(guò)程由4個(gè)步驟組成：
①寫(xiě)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器EC（至少1位）。地址0。密碼比較結(jié)果將在錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器中反饋，3次密碼出錯(cuò)IC卡被阻塞。
②比較PSC字節(jié)1，地址1。寫(xiě)完錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器之后，以不同的命令格式送入3個(gè)密碼字節(jié)。密碼比較成功，將通過(guò)刷新錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器來(lái)識(shí)別，然后施加上操作電壓，就可以對(duì)所有存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作了。
③比較PSC字節(jié)2，地址2。
④比較PSC字節(jié)3，地址3。
芯片在出廠時(shí)可根據(jù)用戶的專(zhuān)門(mén)要求將可編程加密代碼（PSC）存儲(chǔ)器中編入一個(gè)專(zhuān)用代碼。這樣在使用時(shí)，就必須合法地得到這個(gè)代碼，從而防止非法竊用或偽造卡片。
2.系統(tǒng)組成及工作原理
本系統(tǒng)的硬件主要由單片機(jī)、串行EEPROM、電磁閥和IC卡讀/寫(xiě)插座組成。具體電路如圖6所示。
電路中的單片機(jī)AT89C2051是89C51的簡(jiǎn)化體。20引腳為DIP封裝。片內(nèi)有2K字節(jié)閃爍存儲(chǔ)器，128字節(jié)RAM，15條I/O線，全雙工串行口。P1.0、P1.1分別作為片內(nèi)精確模擬電壓比較器的正、負(fù)輸入端；P1.2作為IC卡的復(fù)位端；P1.3、P1.4分別作為IC卡的時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)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(bào)警控制；P3.4作為電磁閥門(mén)SW1的控制端。圖中的U5是串行EEPROM--AT24C01，它的作用是用來(lái)隨機(jī)存儲(chǔ)每個(gè)IC卡的密碼等；U4為電壓比較器，用來(lái)監(jiān)測(cè)電源電壓：如果電源電壓下降至4.5V左右就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。為了使系統(tǒng)更可靠地工作，采用CD4060設(shè)計(jì)了單片機(jī)"看門(mén)狗"電路，由4060定時(shí)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位脈沖，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作。整個(gè)電路設(shè)計(jì)中，充分考慮了能源的節(jié)約問(wèn)題，所以在IC卡插入前整個(gè)電路的大部分芯片沒(méi)有供電，只有門(mén)電路U1工作；當(dāng)IC卡插入后，由于IC卡座的開(kāi)關(guān)接通，促使門(mén)電路U1觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，由T1導(dǎo)通使其他芯片得到供電。如果在使用過(guò)程中客人忘記拔出IC卡，電路除了要產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)外，還會(huì)在30s（秒）后自動(dòng)停止供電。
二、控制器的軟件設(shè)計(jì)
該軟件包括三部分：
（1）IC卡信息的讀取及AT24C01數(shù)據(jù)的讀??；
（2）比較校驗(yàn)數(shù)據(jù)，修改存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)；
（3）各種控制功能的實(shí)現(xiàn)，包括門(mén)鎖開(kāi)啟，聲、光報(bào)警等操作。
限于篇幅，這里只給出了利用51匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的加密IC卡SLE4442的讀/寫(xiě)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(shè)置存放IC卡讀入數(shù)據(jù)的首地址為30H
LCALL RESET ；調(diào)IC卡復(fù)位子程序
MOV R2，#10H ；讀IC卡數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)送R2
LCALL START ；調(diào)起始條件子程序
MOV R5，#00110000B ；發(fā)送讀的命令碼
LCALL SPOUT ；調(diào)發(fā)送一個(gè)字節(jié)子程序
MOV R5，#20H ；發(fā)送IC卡的起始地址
LCALL SPOUT
MOV R5，#00H ；將數(shù)據(jù)00H發(fā)送出去
LCALL SPUT
LCALL STOP ；調(diào)停止條件子程序
READ1：LCALL SPINC ；調(diào)數(shù)據(jù)采集子程序
MOV A，R6
MOV @R0，A
INC R0
DJNZ R2，READ1
LCALL PLUSE ；調(diào)發(fā)送脈沖子程序
RET ；讀IC卡數(shù)據(jù)子程序結(jié)束
寫(xiě)子程序
WRT：LCALL RESET ；寫(xiě)IC卡數(shù)據(jù)子程序開(kāi)始，調(diào)IC卡復(fù)位子程序
MOV R2，#10H ；寫(xiě)入IC卡的字節(jié)個(gè)數(shù)送R2
MOV R1，#40H ；將40H為首地址的內(nèi)容寫(xiě)入IC卡
MOV R4，#30H ；R4中放的是寫(xiě)到IC卡起始地址30H
WRT1：LCALL START ；調(diào)起始條件子程序
MOV R5，#00111000B ；發(fā)送寫(xiě)的命令碼
LCALL SPOUT
MOV A，R4 ；發(fā)出要寫(xiě)入的IC卡地址
MOV R5，A
LCALL SPOUT
MOV A，@R1 ；寫(xiě)入IC卡數(shù)據(jù)
MOV R5，A
LCALL SPOUT
LCALL STOP ；調(diào)停止條件子程序
LCALL PROCE ；調(diào)一個(gè)編程過(guò)程子程序
INC R1 ；數(shù)據(jù)指針加1，直到數(shù)據(jù)寫(xiě)完
INC R4
DJNZ R2，WRT1
RET ；寫(xiě)子程序結(jié)束
PROCE：MOV R3，#0FFH ；一個(gè)編程過(guò)程子程序
PROC1：SETB P1.2
NOP
CLR P1.2
DJNZ E3，PROC1
RET
SPINC：MOV R3，#08H ；數(shù)據(jù)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(jié)內(nèi)容送R6
SETB P1.2
DJNZ R3，SPIN1
RET
SPOUT：MOV R3，#08H ；一字節(jié)發(fā)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(fù)位IC卡子程序
NOP
CLR P1.3
NOP
RET
END
保險(xiǎn)柜的安全性能是本控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)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(xiǎn)柜，那么原來(lái)的開(kāi)機(jī)子卡宣布作廢，這時(shí)可以插入一個(gè)新的卡形成一個(gè)新的子卡。母卡的功能是負(fù)責(zé)生成新的子卡，而不負(fù)責(zé)開(kāi)門(mén)，從而確保了保險(xiǎn)柜的安全性能。
結(jié)束語(yǔ)
該IC卡保險(xiǎn)柜控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、體積小、成本低等特點(diǎn)，完全達(dá)到了用戶的要求，目前已投入了小批量的生產(chǎn)。如果將現(xiàn)有的產(chǎn)品稍作改動(dòng)和擴(kuò)展，就能實(shí)現(xiàn)其他的功能。例如，給它擴(kuò)展上一個(gè)語(yǔ)音芯片，即可進(jìn)行語(yǔ)音提示或報(bào)警；如果將本控制器應(yīng)用于防盜門(mén)就可制成IC卡防盜門(mén)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)防盜門(mén)的更新?lián)Q代，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
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