IC卡保险柜控制器设计管理论文

摘要：详细阐述IC卡保险柜控制器的原理、硬件设计和软件设计等内容；给出电路原理图和主程序流程图。

关键词：IC卡单片机保险柜

随着社会的进步和为民生活水平的提高，为们出差、旅游和度假的机会日益增加。在宾馆、饭店等居住场所都需要一保险柜来保存贵重物品和易失物品，即便在家里，也往往需要有一个地方来保存一些单据等物品。传统的手段已不能满足人们对其安全性和灵活性要求，把应用愈来愈广泛的IC卡技术应用到保险柜上，可以充分满足这方面的需求。例如，根据客户要求，可以给每个房间配备一个带有IC卡电子门锁的保险柜供他们存放物品；待客人走后，可以灵活地对保险柜的密码进行重新设置，更换IC卡。下面对我们自行设计的加密型IC卡保险柜的核心部件--控制器件一详细的介绍。

一、控制器的硬件设计

本系统的主要任务是完成对IC卡的识别和控制，因此，首先介绍一下所选用的IC卡。

1.SLE4442加密IC卡简介

目前市场上的IC卡种类较多，比较有代表性的有ATMEL公司的AT系列和SIEMENS公司的SLE系列。我们根据用户的要求和市场的供给情况选用了SIEMENS公司设计的SLE4442卡。此卡的特点是：

（1）卡内有2K位的存储容量和完全独立的可编程逻辑代码存储器（PSC）；

（2）多存储器结构，其中包括256×8位EEPROM，32×1位PROM的4×8位EEPROM型加密存储器；

（3）串行口满足ISO7816同步传递协议；

（4）每一字节的擦除/写入时间为2.5ms；

（5）存储器可擦除1000次以上，数据可保存10年以上。

SLE4442型IC卡的触点排列及功能如图1所示。

SLE4442芯片的传送协议包括4种模式。

（1）复位和复位响应

复位可在操作期间任何时候进行。在复位响应期间，任何开始和停止条件均被禁止。复位与复位响应时序如图2所示。

（2）命令方式

每个命令由起始条件、1个3字节长的命令和停止条件构成。命令方式时序如图3所示。

起始条件：CLK处于高状态H期间，I/O的下降沿。

停止条件：CLK处于高状态H期间，I/O的上升沿。

（3）输出数据方式

在这种试上，IC卡发送数据至接口设备IFD。在CLK上第一个下降沿后，I/O上第一位有辩效，最后一个数据位之后，需要一个额外的时钟脉冲，以设置I/O处于高状态，同时准备IC卡接收新的命令。在这种方式下，任何开始和停止条件均被禁止。输出数据方式时序如图4所示。

（4）处理方式

在第一个CLK的下降沿，将I/O线从高状态H切换至低状态L并开始处理，直到低状态L的I/O被设置成高状态H结束。在这种方式下，任何开始和停止条件均被禁止。处理方式时序如图5所示。

SLE4442卡共有7个命令，每个命令包括3个字节，其命令格式及功能如表1所列。

表1SLE4442命令

字节1控制字节字节2地址字节字节3数据字节操作

B7B6B5B4B3B2B1B0A7A0D7D0

00110000地址无效读/从给定的字节地址至用户存储器结束

00111000地址输入数据编程输入地址对应的用户存储区

00110100无效无效读保护存储器

00111100地址无效写保护存储器中的保护位

00110001地址无效读保密存储器

00111001地址输入数据写/编程输入址对应的保密存储器

00110011地址输入数据比较可编程密码PSC字节

这里只介绍比较可编程密码PSC命令的使用。比较过程由4个步骤组成：

①写错误计数器EC（至少1位）。地址0。密码比较结果将在错误计数器中反馈，3次密码出错IC卡被阻塞。

②比较PSC字节1，地址1。写完错误计数器之后，以不同的命令格式送入3个密码字节。密码比较成功，将通过刷新错误计数器来识别，然后施加上操作电压，就可以对所有存储器进行读写操作了。

③比较PSC字节2，地址2。

④比较PSC字节3，地址3。

芯片在出厂时可根据用户的专门要求将可编程加密代码（PSC）存储器中编入一个专用代码。这样在使用时，就必须合法地得到这个代码，从而防止非法窃用或伪造卡片。

2.系统组成及工作原理

本系统的硬件主要由单片机、串行EEPROM、电磁阀和IC卡读/写插座组成。具体电路如图6所示。

电路中的单片机AT89C2051是89C51的简化体。20引脚为DIP封装。片内有2K字节闪烁存储器，128字节RAM，15条I/O线，全双工串行口。P1.0、P1.1分别作为片内精确模拟电压比较器的正、负输入端；P1.2作为IC卡的复位端；P1.3、P1.4分别作为IC卡的时钟线与数据线；P3.7作为IC卡工作指示灯的控制端；P1.5作为非法操作的声音报警控制；P3.4作为电磁阀门SW1的控制端。图中的U5是串行EEPROM--AT24C01，它的作用是用来随机存储每个IC卡的密码等；U4为电压比较器，用来监测电源电压：如果电源电压下降至4.5V左右就会产生报警信号。为了使系统更可靠地工作，采用CD4060设计了单片机"看门狗"电路，由4060定时产生一个复位脉冲，对单片机进行复位操作。整个电路设计中，充分考虑了能源的节约问题，所以在IC卡插入前整个电路的大部分芯片没有供电，只有门电路U1工作；当IC卡插入后，由于IC卡座的开关接通，促使门电路U1触发翻转，由T1导通使其他芯片得到供电。如果在使用过程中客人忘记拔出IC卡，电路除了要产生报警信号外，还会在30s（秒）后自动停止供电。

二、控制器的软件设计

该软件包括三部分：

（1）IC卡信息的读取及AT24C01数据的读取；

（2）比较校验数据，修改存储器数据；

（3）各种控制功能的实现，包括门锁开启，声、光报警等操作。

限于篇幅，这里只给出了利用51汇编语言编写的加密IC卡SLE4442的读/写程序，并给出了主程序的流程图，如图7所示。

读子程序

READ：MOVR0，#30H；设置存放IC卡读入数据的首地址为30H

LCALLRESET；调IC卡复位子程序

MOVR2，#10H；读IC卡数据的个数送R2

LCALLSTART；调起始条件子程序

MOVR5，#00110000B；发送读的命令码

LCALLSPOUT；调发送一个字节子程序

MOVR5，#20H；发送IC卡的起始地址

LCALLSPOUT

MOVR5，#00H；将数据00H发送出去

LCALLSPUT

LCALLSTOP；调停止条件子程序

READ1：LCALLSPINC；调数据采集子程序

MOVA，R6

MOV@R0，A

INCR0

DJNZR2，READ1

LCALLPLUSE；调发送脉冲子程序

RET；读IC卡数据子程序结束

写子程序

WRT：LCALLRESET；写IC卡数据子程序开始，调IC卡复位子程序

MOVR2，#10H；写入IC卡的字节个数送R2

MOVR1，#40H；将40H为首地址的内容写入IC卡

MOVR4，#30H；R4中放的是写到IC卡起始地址30H

WRT1：LCALLSTART；调起始条件子程序

MOVR5，#00111000B；发送写的命令码

LCALLSPOUT

MOVA，R4；发出要写入的IC卡地址

MOVR5，A

LCALLSPOUT

MOVA，@R1；写入IC卡数据

MOVR5，A

LCALLSPOUT

LCALLSTOP；调停止条件子程序

LCALLPROCE；调一个编程过程子程序

INCR1；数据指针加1，直到数据写完

INCR4

DJNZR2，WRT1

RET；写子程序结束

PROCE：MOVR3，#0FFH；一个编程过程子程序

PROC1：SETBP1.2

NOP

CLRP1.2

DJNZE3，PROC1

RET

SPINC：MOVR3，#08H；数据采集子程序

SPIN1：CLRP1.2

MOVC，P1.4

MOVA，R6

RLCA

MOVR6，A；读出的一字节内容送R6

SETBP1.2

DJNZR3，SPIN1

RET

SPOUT：MOVR3，#08H；一字节发送子程序

MOVA，R5

SPTC1：CLRP1.2

RLCA

MOVP1.4，C

NOP

SETBP1.2

DJNZR3，SPTC1

RET

START：SETBP1.2；起始条件子程序

NOP

CLRP1.4

NOP

RET

STOP：CLRP1.2；停止条件子程序

NOP

CLRP1.4

NOP

SETBP1.2

CLRC

NOP

SETBP1.2

NOP

CLRP1.2

RET

RESET：SETBP1.3；复位IC卡子程序

NOP

CLRP1.3

NOP

RET

END

保险柜的安全性能是本控制器系统设计的出发点之一，为此，在软件上，将IC卡分为母卡和子卡，母卡由管理人员掌握，子卡由客人掌握。在每次客人走后，将母卡插入保险柜，那么原来的开机子卡宣布作废，这时可以插入一个新的卡形成一个新的子卡。母卡的功能是负责生成新的子卡，而不负责开门，从而确保了保险柜的安全性能。

结束语

该IC卡保险柜控制器具有结构简单、功耗低、体积小、成本低等特点，完全达到了用户的要求，目前已投入了小批量的生产。如果将现有的产品稍作改动和扩展，就能实现其他的功能。例如，给它扩展上一个语音芯片，即可进行语音提示或报警；如果将本控制器应用于防盗门就可制成IC卡防盗门，从而实现对传统防盗门的更新换代，具有广阔的市场前景。