開題報告--基于i2c總線的ic卡讀寫器設計

1、<p>　　基于I2C總線的IC卡讀寫器設計</p><p><b>　　學 生：</b></p><p><b>　　指導老師：</b></p><p>　　一、課題來源 </p><p>　　來源于實驗室建設。I2C總線是近年來發(fā)展較快的一種串行擴展總線，連線少。本課

2、題是在熟悉I2C總線時序和數(shù)據(jù)傳輸原理基礎上，利用單片機I/O口編程模擬實現(xiàn)總線時序，對外擴存儲器芯片進行數(shù)據(jù)傳輸，鍵盤輸入和數(shù)碼顯示功能。旨在研究用簡單快速的方法完成IC卡的讀寫功能。</p><p>　　二、課題研究的目的和意義</p><p>　　隨著社會的進步和現(xiàn)代化程度的不斷提高，人類所擁有的信息種類和數(shù)量都在成倍增加，人們每天都要處理很多與個人有關的信息，如購物、打電話、交水費

3、、電費、到銀行存款取款等，這樣就需要攜帶多種票證、現(xiàn)金、單據(jù)，給人們帶來極大的不便和安全隱患。于是，人們開始尋找一種具有支付、查詢、密碼查驗等多功能及攜帶方便、安全可靠的“卡”。IC卡就是隨著計算機技術、微電子技術和信息化技術的發(fā)展應運而生的一種現(xiàn)代社會重要的信息載體和交易工具。</p><p>　　IC卡又稱集成電路卡（Integrated Circuit Card），或又叫智能卡（Smart Card）,它是

4、將集成電路芯片鑲嵌于塑料基片之中，并被封裝成卡片的形式，其外形與普通信用卡完全相同，尺寸大小符合ISO7816標準。IC卡具有突出的3S特點，即Standard（國際標準化）、Smart（靈巧智能化）和Security（安全性）。因而發(fā)展迅速，被廣泛的應用于移動數(shù)據(jù)計算場合，如醫(yī)療衛(wèi)生、保險、金融、交通、電信、國防以及日常生活等各個領域。雖然IC卡本省并不創(chuàng)造任何價值，但是，如果將IC卡和其它設備組成系統(tǒng)就能夠提供非常豐富的服務功能。把

5、這些功能與生產(chǎn)或流通領域有機地結合起來，將出現(xiàn)令人意想不到的奇跡，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟和社會效益。</p><p>　　隨著IC卡的出現(xiàn)和發(fā)展人類經(jīng)濟活動支付體系也出現(xiàn)了革命性變革,IC卡已成為21世紀人類最重要、最便利、最不可缺的工具。如今,IC卡已逐漸廣泛地應用各類領域。IC卡讀寫器是IC卡與應用系統(tǒng)間的橋梁。它連接在IC卡與PC機之間,承擔信息識別、傳送、處理任務。本課題設計的是一種通用型IC卡讀寫器。該讀寫器

6、以I2C串行通信的方式控制讀寫器,實現(xiàn)對卡的控制和讀寫功能；在讀寫器端用C51語言編制了程序，實現(xiàn)對卡的操作。</p><p>　　三、國內外IC卡研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　1、國內外研究現(xiàn)狀</p><p><b>　?。ㄒ唬┓▏?lt;/b></p><p>　　法國是IC卡的誕生地，它是推出IC卡最早和使

7、用IC卡最多的國家，也是生產(chǎn)廠商最多、技術水平領先的國家，僅1989年就達近500萬張，幾乎占全球該領域IC卡用量的1/10。該國生產(chǎn)IC卡的廠商很多，比較著名的有Gemplus、SAGEM、Bull、CKD、ESD、CIS、SGI公司等。</p><p><b>　?。ǘ┟绹?lt;/b></p><p>　　美國在磁卡研制的應用方面居世界之冠，網(wǎng)絡通信又很發(fā)達，為了保

8、護已有設備的投資，不急于用IC卡來取代磁卡，因此IC卡的應用方面不如法國和日本，但在安全技術等領域的研究方面先于其他各國。近幾年，生產(chǎn)廠商越來越多，如DATA、ATMEL、LogiCard、Personal Computer Card Corp、ASI及Battelle Memorial Institute等。美國IC卡市場在軍用與銀行業(yè)務方面遠遠超過其它應用領域，所以美國在IC卡技術及其安全可靠性方面，很快會在全球范圍內處于領導地位，

9、對法國和日本IC卡產(chǎn)業(yè)的沖擊將越來越大。</p><p><b>　?。ㄈ┤毡?lt;/b></p><p>　　日本在法國人發(fā)明IC卡的同年，也推出了IC卡，卡片上有一個或多個芯片，能產(chǎn)生特殊信號，此卡很快進入市場并推廣應用。1954年IC卡首先用于銀行的資產(chǎn)管理，1985年用于醫(yī)療衛(wèi)生健康管理系統(tǒng)，1986年銷售IC卡近25萬張，1989年銷售IC卡約100萬張，19

10、95年增至200萬張1997年成倍增長，IC卡制造廠商越來越多，為了奪取IC卡市場優(yōu)勢，日本政府和地方都積極參與IC卡的研制、發(fā)行及應用推廣工作，使IC卡產(chǎn)業(yè)的各個環(huán)節(jié)都得到順利發(fā)展，毫無疑問，日本IC卡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也會對美國、法國的構成威脅，將使國際IC卡市場競爭更加激烈。</p><p><b>　?。ㄋ模┲袊?lt;/b></p><p>　　我國的信用卡正跳過磁卡發(fā)展

11、階段而直接進入IC卡時代，國內先后組建了華旭、華鑫集團公司等，出現(xiàn)了一批科研及生產(chǎn)、經(jīng)營單位。1996年10月，國內第一張用芯片設計、研制到卡片制作生產(chǎn)全部國產(chǎn)化的中華IC卡順利通過技術鑒定。目前，國內引進IC卡后部裝配生產(chǎn)線較多，它們采用國外芯片，生產(chǎn)能力未充分發(fā)揮，97年研制出加密算法，IC卡操作系統(tǒng)DOS，著手開發(fā)智能IC卡，其CPU芯片擬先用國外芯片，操作系統(tǒng)采用國產(chǎn)的，國內IC卡應用市場發(fā)展迅猛。</p><

12、;p>　　目前國內的IC卡的應用已跳出單一的銀行業(yè)務與傳統(tǒng)的信用功能，與其它產(chǎn)業(yè)聯(lián)袂發(fā)展，它的付費功能，可用于交水電費、電話費、車船費、甚至醫(yī)療費、保險費等。我國目前正按多種使用要求開發(fā)IC卡新品種，以便最大限度地發(fā)揮IC卡的各種功能和作用。</p><p><b>　　2、未來發(fā)展趨勢</b></p><p>　　國內外IC卡市場經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前進入到發(fā)

13、展的調整階段中，雖然尚存在著一些問題，但總體發(fā)展趨勢已經(jīng)在朝著良好的局面前進。展望未來幾年IC卡市場狀況，前景將更加美好。具體將體現(xiàn)在以下幾個方面：</p><p>　　在移動電話領域：移動電話卡仍將是市場的主流產(chǎn)品之一。從出貨量來看，未來五年至少將會有20億張的數(shù)量，而發(fā)到最終用戶手中的卡片也將呈增長的趨勢。特別是隨著3G時代的來臨，將會有大量的增長。</p><p>　　在第二代居民身

14、份證換發(fā)領域：第二代居民身份證除公安應用領域外，其應用領域涉及上百余種，如銀行、旅館、股票、郵政、機場、社會保障、工作就業(yè)等等。</p><p>　　在銀行與金融服務業(yè)：盡管EMV遷移的動力不足，但其前景還是相當廣闊的。目前我國銀行磁卡已發(fā)卡9億多張，同時隨著我國國力的進一步增強，人民生活水平的不斷提高，出國旅游人數(shù)劇增，雖然EMV遷移的風險轉移越來越突出，但符合EMV2000標準的發(fā)卡數(shù)量在5年內仍舊會有突破性

15、地增長，截止2010年其數(shù)量以千萬計。</p><p>　　在教育系統(tǒng)學生證件卡及校園一卡通方面：目前教育部和各級地方政府正在探 討教育系統(tǒng)學生證件卡及校園一卡通的統(tǒng)一標準問題。如果一旦實現(xiàn)統(tǒng)一標準，將進一步推動教育事業(yè)的發(fā)展，其發(fā)卡量將數(shù)以億計。</p><p>　　在城市交通卡方面：城市交通卡將向區(qū)域性一卡通方向發(fā)展，如從長三角地區(qū)、珠江三角洲向周邊地區(qū)延伸。</p>

16、<p>　　在勞動與社會保障卡方面：隨著我國社會保障體系的不斷完善，加之勞動與社會保障卡已有行業(yè)標準，其在五年內發(fā)卡量將有明顯增長。如上海的社?？ㄒ严蜞l(xiāng)鎮(zhèn)及流動人口發(fā)展。</p><p>　　在政府機構和企業(yè)身份識別和存取管理卡方面：這種卡是解決在共享信息和信息化基礎設施的同時，保證系統(tǒng)和信息安全的重要措施。它是基于PKI技術，解決信息的真實性、完整性和不可否認性的要求，保證系統(tǒng)和信息安全，以求不同身份

17、的用戶共享信息，各取所需。這種卡的需求量將與日俱增。當然這種卡的形式可以是智能卡的形式，也可以是USB KEY 的形式。</p><p>　　IC卡向射頻識別(RFID)領域發(fā)展：國家金卡辦自2004年第七屆全國IC卡應用工作會后，已把RFID技術和電子標簽應用正式列入國家金卡工程重點工作，并著手組織應用試點。經(jīng)過一年多的調研和探討，經(jīng)有關行業(yè)和地方申報，已在有條件的部門和地方啟動了試點工作，正積極、穩(wěn)妥地推進R

18、FID應用示范工程建設。如面向工業(yè)生產(chǎn)過程與安全生產(chǎn)管理，促進生產(chǎn)力發(fā)展；服務于“三農”，推進農業(yè)（農產(chǎn)品）產(chǎn)業(yè)化；重要物品的防偽和動態(tài)管理；供應鏈與現(xiàn)代物流管理；數(shù)字旅游產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代服務業(yè)等。</p><p>　　四、設計的主要內容和應用價值</p><p><b>　　（1）主要內容</b></p><p>　　根據(jù)畢業(yè)設計的要求，我們首先要

19、了解標準IC卡應用系統(tǒng)的最基本構成（如下圖）</p><p>　　其次要了解IC卡的原理，結構，讀寫時序。然后作出設計規(guī)劃。</p><p>　　IC卡讀寫器的設計思想：有關MCS-51系列單片機介紹，對MCS-51系列單片機芯片加深理解，知道MCS-51系列芯片的功能。再對單片機時序，讀寫的啟動與停止時序進行編寫，進行調試，修改，從而完善單片機對IC卡讀寫器的讀寫的啟動和停止功能。<

20、;/p><p>　　IC卡讀寫器的硬件設計：對基于MCS-51系列單片機芯片I2C總線的IC卡讀寫器設計。第一步： SCL和SDA兩條邏輯控制線的啟動與停止來產(chǎn)生控制讀寫的“開始”，“停止”標志信號；第二步：寫操作時序；第三步：讀操作時序。 讀寫器硬件電路，畫出電路原理圖，對原理圖里的器件做必要說明。</p><p>　　IC卡讀寫器的軟件設計：軟件設計思路，根據(jù)課題的需要，對軟件系統(tǒng)進行分析

21、。系統(tǒng)功能結構及需求，系統(tǒng)測試方案設計。</p><p>　　在以上設計內容的基礎上，本課題要求最后能達到利用單片機I/O口編程模擬實現(xiàn)總線時序，能對外擴存儲器芯片進行數(shù)據(jù)傳輸，鍵盤輸入和數(shù)碼顯示功能。并要求能在PROTEUS上進行軟件調試的效果。</p><p><b>　?。?）應用價值</b></p><p>　　IC卡在現(xiàn)實生活中的應用

22、變得越來越廣泛，如校園卡，也分為很多種，它本質上是存儲器，I2C總線是近年來發(fā)展較快的一種串行擴展總線，連線少，應用單片機設計其讀寫器，實現(xiàn)對IC卡操作的功能。I2C總線只要求有兩條總線線路，不需要專門設計總線接口，故障診斷和調試都很簡單，對設計人員來說采用I2C協(xié)議有諸多好處，基于I2C總線的IC卡讀寫器設可以減少設計成本，無論是在軟件方面還是硬件方面，增加了IC卡讀/寫的靈活性，可靠性。本系統(tǒng)可以直接應用到實際中，有很強的實際應用價

23、值。</p><p>　　五、主要的設計思路及步驟</p><p>　　本課題的重點是如何在I2C總線的基礎上實現(xiàn)用單片機控制IC卡讀寫器的讀寫操作，鍵盤輸入和數(shù)碼管顯示。主要設計及分析步驟可如下：</p><p>　　確定完成本課題所需要的軟件，硬件設備及涉及本課題的相關理論技術 基礎，以備在需要的時候翻閱。</p><p>　　1、本課

24、題將以MCS-51系列單片機為控制核心，因此在硬件電路設計前應先掌握關于MCS-51單片機的基本知識，</p><p>　　2、重點掌握單片機的I2C總線的串行通信方式 ，理解其組成，特征，信號傳輸過程等信息。</p><p>　　3、 熟悉數(shù)碼管的構成，掌握數(shù)碼管的靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描的原理及操作。</p><p>　　4、熟悉矩陣鍵盤的工作原理，掌握對矩陣鍵盤相關

25、的操作程序。</p><p>　　5、選定EEPROM AT24C02為IC卡存儲芯片。AT24C02支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，I2C總線協(xié)議規(guī)定任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器。任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器。數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時鐘和所有起始停止信號的主器件控制的。主器件和從器件都可以作為發(fā)送器或接收器，但由主器件控制傳送數(shù)據(jù)（發(fā)送或接收）的模式，通過器件地址輸入端A0、A1和A2可以實現(xiàn)將最多8個A

26、T24C02器件連接到總線上。</p><p>　　6、由于本課題需做軟件編程和仿真，因此應熟悉并掌握Keil編程軟件和Proteus仿真軟件各方面的應用操作。

27、 </p><p>　　按照課題的要求及其要實現(xiàn)的功能設計硬件電路原理圖</p><p>　　1、分析課題要求及實現(xiàn)的功能，提出整個系統(tǒng)的設計框圖。&

28、lt;/p><p>　　2、將整個系統(tǒng)劃分為不同的功能模塊，然后在Proteus軟件上對單個的功能模塊進行電路原理圖的設計。</p><p>　　3、將各個功能模塊連接起來形成整個系統(tǒng)的的原理圖，注意各個功能模塊連接的正確性和合理性。</p><p>　　4、對整個系統(tǒng)的原理圖進行軟件的電氣規(guī)則檢測，并檢查核對整個電路原理圖，確定其正確性和合理性并符合課題的要求。<

29、;/p><p>　?。ㄈ?依照原理圖進行軟件編程并進行軟件測試</p><p>　　1、在Keil軟件的編程環(huán)境下對整個系統(tǒng)進行編程。</p><p>　　2、編程完畢后，將程序下載到Proteus仿真軟件中進行仿真調試，并對程序進行反復修改完善，直到符合課題功能需求。</p><p>　　3、再次對整個系統(tǒng)原理圖、軟件程序做檢查核對、確定無誤

30、后全部保存。</p><p>　?。ㄋ模?整理各項數(shù)據(jù)，開始準備畢業(yè)論文</p><p>　　六、課題設計進度安排</p><p>　　2010年秋季學期： </p><p>　　第十周～第十三周 接受畢業(yè)設計任務書，學習畢業(yè)設計要求及有關規(guī)定。閱讀指定的參考資料及文獻。</p>&l

31、t;p>　　第十四周～第十六周 確定設計思路，將要使用的知識和技能復習或者自學熟練總結。</p><p>　　第十七周～第二十周 完成開題報告、外文翻譯任務。</p><p>　　第二十一周，學期結束前 上交開題報告、外文翻譯，指導教師批閱。</p><p>　　2011年春季學期：</p><p>　　第一

32、周～第十周 完成系統(tǒng)的硬件設計，包括電氣圖紙，設計思路邏輯圖，程序編制，調試成功。</p><p>　　第十一周～第十三周 撰寫畢業(yè)論文，上交電子和紙質版大論文以及小論。文。</p><p>　　第十四周（2011年5月27日） 論文形式審查，教師批閱和評閱。</p><p>　　第十五周 畢業(yè)

33、答辯。</p><p>　　七、最終目標及完成時間</p><p>　　根據(jù)畢業(yè)設計任務書的要求，設計出系統(tǒng)硬件和軟件，并進行初步調試，實現(xiàn)IC卡讀/寫的基本要求，并寫出相應的論文。完成時間：2011年春季學期第十三周。</p><p>　　八、現(xiàn)有條件及必須采取的措施</p><p>　　本論文涉及到的各種理論知識及現(xiàn)有條件：本課題涉及IC

34、卡的技術與應用、數(shù)字電子技術、模擬電子技術、單片機的原理及應用、單片機C語言程序設計等。所運用的工具主要有Keil單片機編程調試工具，Proteus單片機軟硬件設計和仿真工具。因此在進行畢業(yè)設計中，必須有一個基于計算機的單片機開發(fā)及仿真平臺。I2C總線的控制是本論文的核心，因此，必須熟練的掌握單片機原理和電子技術，理解I2C總線的控制時序。在編寫部分硬件測試程序時，還要掌握調試的技巧。</p><p><b

35、>　　九、可行性分析</b></p><p>　　本課題要實現(xiàn)的預期目標是應用I2C串行總線實現(xiàn)IC卡的讀寫，鍵盤輸入和數(shù)碼管顯示的功能同時包括起振，復位，電路保護等基本模塊。該課題以單片機為控制核心以實現(xiàn)和外圍設備的數(shù)據(jù)交換。從課題所給出的功能模塊入手，查找與該課題相仿的設計，對其進行結構分析，然后根據(jù)自己的設計思路和創(chuàng)新想法進行改造，使其更好更快的完成基本功能，且由于各部分電路結構比較簡單，

36、因此具有很強的可行性。</p><p>　　十、要解決的主要問題及協(xié)助單位</p><p>　　本課題要解決的主要問題就是設計出合理的原理圖，然后用單片機的2個并行端口來模擬I2C串行總線的各種信號數(shù)據(jù)電平例如開始信號，應答信號，結束信號，字節(jié)傳送等，并且將鍵盤的輸入顯示到數(shù)碼管上。</p><p>　　在此次課題設計中要感謝三峽大學圖書館所收藏的相關資料和嚴娟娟老

37、師的細心指導。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1、微型計算機控制技術 王洪慶 機械工業(yè)出版社 2006年 </p><p>　　2、單片機原理及應用 張毅剛 高等教育出版社 2004年</p><p>　　3、電力電子技術 王兆安 機械工業(yè)出版社 2002年</p>

38、;<p>　　4、單片機典型模塊設計實例導航 求是科技 人民郵電出版社 2008年</p><p>　　5、51單片機C語言開發(fā)與實例 湯竟南 人民郵電出版社</p><p>　　6、單片機課程設計 蔡明文 華中科技大學出版社</p><p>　　7、單片機系統(tǒng)的PROTEUS設計與仿真 張靖武 電子工業(yè)出版社</p><p>

39、　　8、歐全梅, 基于89C51 的IC卡讀寫器設計與實現(xiàn)[M]. 單片機開發(fā)與應用 2006</p><p>　　9、顧金娣，席琳琳.校園IC卡系統(tǒng)的應用與思考［J］.上海第二工業(yè)大學學報，2005</p><p>　　10、韓宇新.校園CI卡系統(tǒng)應用前景分析［J］.教育信息化，2005</p><p>　　11、C語言在單片機串口通信中的應用 熊益銘 電子科

40、技2005年 08期 </p><p>　　12、串行通訊技術在IC卡售飯系統(tǒng)中的應用 翁康靜等 機械工程與自動化 2007.2第1期</p><p>　　13、單片機應用技術講座(17)——第十三講 串行通信軟硬件的實現(xiàn)方法(軟件部分) 李華 電子世界 2003年 05期</p><p>　　14、基于RS-485接口的單片機串行通信 趙錫鈞 兵工自動