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的还不错大频率为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，数据的发送和接收不错的SCK引脚上输入的外时钟脉冲，当还不错后一位被锁存后，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（IntegratedCircuitCard）的简称，有些国家和地址称其为智能卡（SmartCard）、芯片卡（ChipCard）。较好的标准化组织（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的还不错大时钟频率； *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。