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2568位EEPROM，321位PROM的48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

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)用戶的專門要求將可編程加密代碼（PSC）存儲(chǔ)器中編入一個(gè)專用代碼。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)約問題，所以在IC卡插入前整個(gè)電路的大部分芯片沒有供電，只有門電路U1工作；當(dāng)IC卡插入后，由于IC卡座的開關(guān)接通，促使門電路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)，包括門鎖開啟，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(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

寫子程序

WRT：LCALL RESET ；寫IC卡數(shù)據(jù)子程序開始，調(diào)IC卡復(fù)位子程序

MOV R2，#10H ；寫入IC卡的字節(jié)個(gè)數(shù)送R2

MOV R1，#40H ；將40H為首地址的內(nèi)容寫入IC卡

MOV R4，#30H ；R4中放的是寫到IC卡起始地址30H

WRT1：LCALL START ；調(diào)起始條件子程序

MOV R5，#00111000B ；發(fā)送寫的命令碼

LCALL SPOUT

MOV A，R4 ；發(fā)出要寫入的IC卡地址

MOV R5，A

LCALL SPOUT

MOV A，@R1 ；寫入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)寫完

INC R4

DJNZ R2，WRT1

RET ；寫子程序結(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)開門，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)用于防盜門就可制成IC卡防盜門，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)防盜門的更新?lián)Q代，具有廣闊的市場(chǎng)前景。