（测试计量技术及仪器专业论文）煤车智能称重仪的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 长期以来，我国税务部门对采煤业缺乏有效的管理。国内大多数采煤点 地处偏僻，环境恶劣，而要把煤矿输送到全国各地，必须通过运煤小车把煤 矿从采矿点搬运到大型货车。但由于环境等各方面限制，给管理造成1 。定的 困难。在采煤运煤的过程中常会出现监管空缺的现象，煤矿截留、采煤量虚 报、漏报的现象时有发生。因而，真实的采煤量与上报量常会出现较大的偏 差。由于税务部门无法得知实际的采煤量，缴税存在较大的障碍。煤矿运输 管理中的漏洞使偷税漏税的可能性增大，给国家经济造成损失。准确讨量采 煤量是税务部门对煤矿缴税的依据，为实现煤矿准确、高效计量，减少国家 税务损失，一种安装在运煤车必经的铁轨上，并能对运煤车自动称量的智能 称重仪亟待推出。 本论文设计的基于i c 卡接口的煤车智能称重仪是一种专用的、小型轨道 衡，它的使用可以解决煤矿运输过程中由于缺乏盼督而使煤炭大量流失的问 题。通过自动称量经过某段铁轨的拖车的煤炭载重量，加强了监督和管理。 此外，本系统在数据传递时，利用i c 卡来实现。在仪器和p c 机之间引入一种 方便实用的接口，不必连接导线，借助i c 卡读卡器便可使普通仪表与p c 机实 现数据传递，使仪器适应信息化时代的新要求。 论文完成了智能称重系统的硬件设计和软件设计。系统硬件部分完成智 能称重系统的电路原理图的设计和p c b 硬制板的制作。它包括模拟电压比较、 a d 转换、单片机控制、存储器扩展、系统时钟控制、数码管显示、i c 卡连 接、电源自动切换和充电电浊过充保护等电路模块的设计和硬件实现。 智能称重仪软件部分包括在下位机运用汇编语言实现a d 转换、浮点运 算、数据滤波、重量显示、数据日结算、数据月结算、时钟显示、i c 卡数据 传送等功能，以及在上位机运用d e l p h i 高级语言实现i c 卡数据的读取和管理。 关键词：智能仪器；称重仪：a d 转换；l c 卡 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a b s t r a c t n a t i o n a lr e v e n u ed e p a r t m e n th a sb e e nl a c k i n go fe f f e c t i v em a n a g e m e n to n c o a l m i n i n gi n d u s t r yf o ral o n gt i m e m o s to fc o a lm i n e ss p r e a di nr e m o t eh i l l s ， w h e r et h et r a n s p o r t a t i o ni se x t r e m e l yi n c o n v e n i e n t i no r d e rt ot r a n s p o r tc o a l m i n et oe v e r yp a r to ft h ec o u n t r y ，i ti sn e c e s s a r yt ou s et r o l l e yt oc o n v e yc o a lt o b i gc o a l e r sb yc o a l h e a v e r s b u tt h e r ea r ea l w a y sn os u p e r v i s o r si nt h ew h o l e p r o c e s so fc o n v e y i n gb e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fe n v i r o n m e n ta n ds oo n s o c o a l h e a v e r sc a ne a s i l yp o s s e s st h e m s e l v e so ft r o l l e y so fc o a l ，a n da d m i n i s t r a t i o n c a na l s om a k ef a l s er e p o r t s 。t h e r e f o r e ，b i gg a pb e t w e e nr e a le x c a v a t i n ga m o u n t a n dr e c o r d i n ga m o u n te x i s t s ，w h i c hb r i n g sp r o d i g i o u se m b a r r a s s m e n t st ot a x m a n ， f o rt h e yc a n tg e tt h ee x a c te x c a v a t i n ga m o u n t t h ev a c a n c yi nt h em a n a g e m e n t d u r i n gc o a lc o n v e y i n gi n c r e a s e st h ep o s s i b i l i t yo f t a xd o d g i n ga n de v a s i o n ，w h i c h c a u s e sl o s s e st ot h es t a t ee c o n o m y s i n c ee x a c tm e a s u r e m e n ti st h ep r e c o n d i t i o n o fc o a lt a xc o l l e c t i n g ，ak i n do fi n t e l l i g e n tw e i g h i n ga p p a r a t u st h a ti sf i x e du n d e r t h et r a m r o a dt h r o u g hw h i c hat r o l l e ym u s tp a s s ，a n dc a nw e i g h i n gt h et r o l l e y a u t o m a t i c a l l yi sw a i t i n gt ob ed e v e l o p e du r g e n t l y t h ei n t e l l i g e n tw e i g h i n ga p p a r a t u sw i t hi cc a r di n t e r f a c ed e s i g n e di nt h i s p a p e ri sas p e c i a lt r a m r o a dw e i g h i n ga p p a r a t u si nm i n i a t u r e e m p l o y i n gt h i sk i n d o fa p p a r a t u sc a ns o l v et h ep r o b l e mo fc o a ll o s s e sd u r i n gt h ew a yo fc o n v e y i n g b yw e i g h i n ge v e r yp a s s i n gt r o l l e ya u t o m a t i c a l l y ，t h el e v e lo fi n t e n d a n c ea n d m a n a g e m e n tc a nb ee n h a n c e dg r e a t l y f u r t h e rm o r e ，t h i sw e i g h i n gs y s t e mu s ei c c a r dt or e a l i z ed a t at r a f f i c ，s oi ti n t r o d u c e sac o n v e n i e n ta n da p p l i c a b l ei n t e r t h c e o n l yw i t ht h eh e l po fa ni cc a r dr e a d i n ga p p a r a t u s ，t h i sw e i g h i n ga p p a r a t u sc a n c o m m u n i c a t ew i t ha n yp e r s o n a lc o m p u t e rc o n v e n i e n t l yw i t h o u te l e c t r i c a ll e a d s ， w h i c hr e p r e s e n t st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fm o d e r na p p a r a t u s a n dm a k et h e a p p a r a t u sm e e tt h er e q u i r e m e n to fi n f o r m a t i o na g e s i n t h i s w e i g h i n gs y s t e m ，h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g na r eb o t h i n v o l v e d h a r d w a r ep a r tc o n c l u d e st h ec i r c u i td i a g r a md e s i g n i n ga n dp c b p l a t e m a k i n g i tm a i n l yd e a l sw i t ht h ed e s i g no fc i r c u i td i a g r a ma n dr e a l i z a t i o nf o r a n a l o gv o l t a g ec o m p a r e ，a dc o n v e r s i o n ，s i n g l ec h i pc o n t r o l l i n g ，m e m o r i z e r e x t e n d i n g ，s y s t e mc l o c k ，l e dd i s p l a y i n g ，i cc a r dw r i t i n g ，a u t o m a t i cp o w e r s w i t c h i n ga n dv o l t a g ep r o t e c t i o nf o rb a t t e r i e sd u r i n ge l e c t r i c i z i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第li i 页 t h es o f t w a r ep a r to ft h i si n t e l l i g e n tw e i g h i n ga p p a r a t u sa r ea i m i n ga t r e a l i z i n g t h e f o l l o w i n g f u n c t i o n s u s i n ga s s e m b l el a n g u a g e ，n a m e l y ，a d c o n v e r s i o n ，f l o a td a t ao p e r a t i o n ，d a t af i l t e r i n g ，w e i g h t i n gd i s p l a y i n g ，d a y b a l a n c e f o rw e i g h t i n gd a t a ，m o n t h b a l a n c ef o rw e i g h t i n gd a t a ，t i m ed i s p l a y i n g ，d a t a t r a n s f e rw i t hi cc a r da n ds oo n a tl a s t ，i cc a r dr e a d i n ga n dd a t am a n a g e m e n ta r e c a r r i e do u ti np e r s o n a lc o m p u t e ru s i n gd e l p h il a n g u a g e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n ta p p a r a t u s ；w e i g h i n ga p p a r a t u s ；a dc o n v e r s i o n ：i c c a r d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 论文选题背景 第一章绪论 煤炭税务部门需要对辖区内的煤矿总量有一个确切的计量。但在实际情 况下，税务部门管理下的各采煤点往往比较偏僻，条件较差，煤炭的运载过 程中，由于缺乏必要的监督和管理，往往会出现大量的煤炭流失。针对此问 题，一种性价比高、结构简单、能够实现自动称量的动态轨道衡亟待推出。 在我国煤炭行业的称重技术领域，长期使用机械杠杆式衡器。由于这 种衡器结构复杂、维修工作量大，受使用环境条件限制，称量速度慢、读数 误差大，不能连续自动称重，不能显示和打印称量结果，给煤炭企业的称重 工作带来了极大的不便。 近几年来出现了电子衡器集电子、计算机技术于一体，它有静态和动态 两类| 2 。煤矿常用的静态称重系统主要有全电子汽车衡、电子轨道衡和机电 结合秤，但它们都需要停车称量，速度较慢【4 5j 。而且称量与否完全人为决定， 税务部门无法监控。动态电子称重仪则可以对被测车体实现动态测量，受人 为因素的影响较小1 6 引。如煤炭科学研究总院北京高新技术，1 ：发中心设计研制 的g c u 一1 0 0 型煤矿用动态微机电子轨道衡1 8 , 9 。但其设备庞大、构造复杂，成 本昂贵，且需要专人操纵、维护，不利于在无人看管且条件较差的场合运作。 本智能称重系统是根据税务部门的要求而设计，它由单片机控制其它 系列器件实现称重功能。由于单片机把微型计算机的主要部件集成在一块芯 片上，因而能代替微机实现智能控制和运算，所以它在各个领域得到广泛应 用。用单片机制作的测量控制仪表，能使仪表向数字化、智能化、多功能化 和柔性化发展。本系统由称重传感器、单片机称重显示部分、激励电源部分 和i c 卡数据传送部分四部分组成。安装在铁轨上的传感器以压电原理工作， 产生与所承受力成正比的电压。目前国内生产轨道式传感器的厂家很多，能 适应动态称重的要求，精度可达0 0 2 级，并且具有信号滤波、放大功能，为 自动称量的实现提供了保障。传感器输出端的重量信号经智能称重仪的a d 转换、数据运算和存储、重量显示、最后通过l c 卡传送给上位机。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 1 2 单片机的特点与应用 单片机是单片微型计算机的简称，是将c p u 、r o m 、r a m 、定时计数 器、i o 接1 2 1 等功能模块集成在一块芯片上所构成的微型计算机【jo l 。作为1 种 微型计算机，单片机主要用于工业控制领域。 单片机的发展经历了从4 位，8 位，1 6 位，3 2 位，在速度和集成度上不断 改进和完善，功能不断强大，它具有如下特点： 体积小，片内存储器的容量小。大部分单片机的片内r o m 为4 k b 或 8 k b ，片内r a m 的容量为2 5 6 b 。若在实际应用中不够用，可以进行 扩展。 抗干扰能力强，可靠性好。单片机是按工业控制领域的环境要求而、设 计的，主要功能部件又集成在一块片内，其抗干扰能力及可靠性优于 其他微型计算机。 控制能力强。单片机的指令系统中均有极其丰富的条件转移指令、i o 逻辑操作及位处理指令。 扩展灵活。片外有许多供扩展用的总线及并行、串行输入输出管脚， 易于扩展成各种规模的应用系统。 功耗低、价格便宜，易于产品化。 单片机的应用领域非常广泛，主要有如下几方面： 1 ) 智能化仪器仪表 将单片机引入到原有的测量控制仪表中，促进仪表向智能化、数字化、 综合化发展，提高仪表的性价比，如本文中的智能称重仪。 2 ) 智能化测控系统 将单片机置于较恶劣的测控环境，以其较高的抗干扰性、稳定性进行工 业控制，如炉温自动控制系统等。 3 ) 数控产品 采用单片机作为数控中心的核心，提高系统的可靠性，简化系统结构， 降低系统成本j 。 4 ) 智能化接口 计算机的外围设备大部分采用单片机原理，提高了计算机c p u 的利用率。 5 ) 智能家用电器产品 目前大部分家用电器中都嵌入了单片机，达到性能的自动检测、定时等 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 方面的控制。 6 ) 智能化通信设备。 1 3i c 卡技术的发展与应用 i c 卡又称智能卡、智慧卡或s m a r t c a r d ，它是把具有微处理器及大量存 储单元的i c 芯片嵌装在塑料基片而成。7 ( 】年代，随着超大规模集成电路和大 容量存储芯片的发展，以及人们对方便、迅捷的不断追求，i c 卡技术应运而 生，并很快以明显的优势占领市场，且在许多发达国家的各个领域取代了磁 卡等存储卡的地位【i “。 由于i c 卡具有容积大、保密性强及携带方便等优点，加之不断丰富的种 类，在许多国家已成为人们生活中必不可少的工具，i c 卡的应用极其广泛。 在公用电话领域，由于i c 卡的使用，摆脱了手头必备适当零钱的麻烦， 解决了电话收费难的问题。j c 卡的使用避免了欺骗行为，其安全可靠性对付 费电话产生了巨大的影响。 在金融领域，i c 卡作为转账和付款的工具，给用户带来极大的方便。 在仪器仪表领域，可利用i c 卡进行传递数据。通用存贮器i c 忙是由通 用存贮器芯片封装而成，由于它结构简单，存储容量高( 可达到兆级) ，牛产 成本低，使用方便，因此在仪器领域都得到了广泛的应用【”1 1 4 l 。 1 。4 本系统的特点 本智能称重仪能够对经过铁轨的运煤车进行自动计量，并对传感器的输 出信号进行实时分析和处理。称重系统有友好的人机界面，能自动显示每次 出煤次序和重量以及当日的出煤总量。系统具有自动辨识功能，只对符合条 件的运煤车进行称量，降低系统的工作时间，提高寿命。系统可以根据实际 需要，利用i c 卡进行数据传输。税务人员可以随时把存储在智能仪器中的数 据写入i c 卡。然后通过i c 卡读卡器，读取重量数据，实现称重系统与外界的 数据传送。 这不仅解决了单片机存储容量有限的问题，而且通过在p c 机编写读卡程 序，建立数据库，税务部门可以对所有重量数据进行综合分析和管理。此外， 系统备用电源的设置，在断电的情况下能自动切换成充电电池供电，大大提 高了称重系统的可靠性和稳定性。总体的外形框图如图1 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 写i c 卡指示灯 图l - l 智能称重仪外形框图 本设计的智能称重仪适应了当今仪器智能化、微型化、便携化的发展要 求。它成本低、功能多样、适用性好，具有较高的应用价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章智能仪器硬件设计基础 2 1a t 8 9 s 5 2 单片机的特点 a t 8 9 s 5 2 单片机属于m c s 5 1 系列单片机，是由美 虱i n t e l , 4 _ 司推出的一种 高性能8 位单片机。它在片内集成了并行i o 口、1 6 位定时器计数器、r a m , d r o m 。片内的r a m 和r o m 都比较大，r a m 可达2 5 6 b ，r o m 呵达8 k b l ”1 。本 设计采用的a t 8 9 s 5 2 单片机，它与8 0 5 1 引脚兼容，片内具有8 k b 的掩膜r o m 。 21 1 单片机功能模块 本论文中使用i 篁3 m c s 一5 1 系列芯片，内部主要由8 个功能模块构成，如图 2 1 所示。 r u r lr zr st 删田i 矾0 i n t l 图21 单片机功能模块 c p u ：单片机的核心，字长为8 位，由运算器和控制器组成。运算器用于 完成各种算术运算、逻辑运算和位操作；控制器由指令寄存器、程序计数器 p c 及定时与控制电路等组成。c p u 在同步脉冲的作用下指挥取指、译码等功 能部件协调工作。 片内振荡器和时钟电路：外接石英晶体可产生时钟信号。5 1 系列芯片的 时钟频率不超过1 2 m h z 。 片内r a m ：芯片内共有低端1 2 8 个单元的r a m 及高端1 2 8 个单元中的2 1 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 个特殊功能寄存器( 高端其余单元未定义) 。 片内r o m ：除8 0 3 1 8 0 c 3 l 芯片内无r o m ，其他都有4 k b 8 k b r o m 。 并行i o 口：共有4 个8 位双向的并q ? u o 口，分别为p o 、p 1 、p 2 、p 3 。 串行口：一个全双工的串行口。可实现单片机之间、单片机与其他设备 的串行通信。 定时计数器：两个1 6 位的加l 定时计数器，完成定时及对外脉冲计数功 能。 中断控制模块：共有5 个中断源。其中，片内3 个( 2 个定时计数器和一 个串行口中断) ，外部2 个( 外部中断0 和外部中断1 ) 。 2 1 2 芯片引脚 单片机芯片的引脚如图2 2 所示。 1 ) 电源9 1 脚 v c c ：+ 5 v 直流电源的输入端。 p 1n v s s ：电源接地端。p i 1 2)时钟引脚p13 x t a l i 、x t a l 2 ：片内是一个 ：” 振荡电路，当使用内部振荡电路产p l6 生时钟信号时，在这两个端子外接 r s 茄；j 石英晶体和微调电容。在使用外部 r x d p 30 时钟时，则用来输入时钟脉冲。 劂；型 3 ) 控制线而p 3 3 r s t v p d ：r s t 是复位引脚。 t t 0 1j 巾p ，3 ： 当此输入端保持两个机器周期( 2 4型p 3 6 个振荡周期) 的高电平，就可以完笔擐翟 成复位操作。此外，v p d 为备用电x t a l i 源输入端，在v c c 掉电时为r a m 供 电，保持信息不丢。 8 7 5 i 8 0 5 1 8 0 3 l 8 9 s 5 2 图22 单片机芯片引脚 4 ) a l e p r o g ：a l e 是地址锁存允许信号，在访问外部存储器时，用 来锁存由p 0 口送出的低8 位地址信号。在不访问外部存储器时，a 【，e 以振荡频 率的l ，6 的固定频率输出脉冲信号。 5 ) 尸s e ，：外部程序存储器r o m 的读选通信号。在执行访问外部程序 i 。 辫誉蝥紧鍪黧戮 如弛卯m弘m弛如眇勰玎拍巧m玛弛孔 ，：，0，0 7 0 ，加心b h ”m 掩”加 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 存储器时，会自动产p s e n 信号，在访问外部数据存储器r a m 或访问内部 r o m 时，不会产生p s e n 信号。 6 ) e a ：访问外部存储器的控制信号。当幽为高电平时，访问内部程 序存储器；但当程序计数器p c 的值超过1 f f f h 时( 对于8 9 s 5 2 单片机) ，将自 动转向执行外部程序存储器内的程序。当删保持低电平时，则只访问外部 程序存储器，不管是否有内部程序存储器。 7 ) 并行i o 口引脚 p 0 o p 0 7 ：通道0 ，双向i 0 口。在访问外部存储器时，可分时用作低8 位地址和8 位数据线。 p 1 o p 1 7 ：通道1 ，双向i 0 口。在对e p r o m 编程和程序验证时，它接 收低8 位地址。 p 2 o p 2 7 ：通道2 ，双向i 0 e l 。访问外部存储器时，输出高8 位地址。 在对e p r o m 编程和程序验证时，它接收高8 位地址。 p 3 ，o p 3 7 ：双向i 0 口。每个管脚都有各自的第二功能，如表2 1 所示。 表2 ip 3 口功能 端口引脚第二功能 p 3 o r x d ( 串行输入n ) | p 3 1 t x d ( 串行输出u ) p 3 2 n t 0 ( 外部中断0 输入) p 3 3 ， ，7 1 1 ( 外部中断1 输入) p 3 4 i 0 ( 定时器o # b 部输入) p 3 5 t 1 ( 定时器1 外部输入) 尸3 6 w r ( 外部数据存储器写脉冲输出线) p 3 7 r d ( 夕p 部数据存储器读脉冲输出线) 2 2 单片机存储器配置 a t 8 9 s 5 2 芯片的存储器分为程序存储器和数据存储器，它们分别编址。 程序存储器可分为片内程序存储器( 8 0 3 l 片内没有) 与片外存储器两种。 内部程序存储器的容量为8 k b ，地址范围为0 0 0 0 h 1 f f f h 。外部程序存 储器的容量为6 4 k b ，地址范围为0 0 0 0 h o f f f f h 。 程序存储器的某些单元是保留给系统使用的0 0 0 0 0 0 0 2 h 单元是所有执 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 行程序的入口地址，复位后c p u 总是从0 0 0 0 h 单元开始执行1 程序；0 0 0 3 0 0 2 a 单元均分为五段，用于中断服务程序的入口。 对于a t 8 9 s 5 2 ；g 片，当删接地时，只能使用外部6 4 k b 程序存储器：当e a 置高电平时，若使用地址范围为0 0 0 0 t l 一一1 f f f h 的程序存储器，只能使用内 部的8 k b 的程序存储器：若内部程序存储器不够用时，自动选择外部高5 6 k b 地址范围为2 0 0 0 t t o f f f f h 的程序存储器。 数据存储器由片内数据存储器与片外数据存储器两部分构成。在应用系 统中，若片内数据存储器不够用，可在芯片外进行扩展，最大扩展能力为 6 4 k b 。 内部数据存储器分为两块，低端1 2 8 字节，地址范围为o o h 7 f h 。它由 工作寄存区( o o h l f h ) 、位寻址区( 2 0 h 2 f h ) 、数据缓存区( 3 0 h 7 f h ) 。 高端由2 1 个8 位特殊功能寄存器，地址范围是8 0 h o f f h 。外部数据存储器 的容量是6 4 k b ，地址范围是0 0 0 0 o f f f f h 。程序存储器和数据存储器的分 配如图2 3 所示。 、f f f h 外部 高端 5 6 k 2 0 0 0 h 内都 r a m 2 3 中断系统 1 f f f h f 外部r o m g k b ( f , a = 0 ) 0 0 0 0 h 7 f h 内部r a m 畿瑞 1 嚣b 0 0 h 图2 - 3 程序存储器( 左) 和数据存储器( 右) f f f f t 0 0 0 暖 8 0 5 i 单片机的中断系统简单实用，其基本特点是：5 个固定的可屏蔽中 断源，3 4 在片内，2 个在片外。它们在程序存储器中各有固定的中断入口地 址，并由此进入中断服务程序。5 4 - 中断源有两级中断优先级，可形成中断嵌 套，4 4 特殊功能寄存器用于中断控制和条件设置的编程。 两个外部中断源从n t o 和卅7 1 引脚输入。外部中断请求信号可以有两 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 种方式，即电平输入方式和负边沿输入方式。若是电平输入方式，则在i n t o 或i n t 一1 引脚上检测到低电位即为有效的中断申请。若是负边沿输入方式，则 需在一i n t o 或两而引脚上检测到负脉冲跳变，才楫于有效申请。两个定时器 中断是指当定时器0 或定时器1 溢出时( 由全1 进入全o ) 发出中断申请，属于 一种内部中断申请。串行口中断也属于内部中断，它是在串行 j 每接收或发 送完一组串行数据后自动发出的中断申请。 5 个中断源的符号、名称及产生的条件如下。 1 n 1 0 ：外部中断0 ，由p 3 2 端f 线引入，低电平或f 跳沿引起。 i n t l ：外部中断1 ，由p 3 3 端口线引入，低电平或f 跳沿引起。 t o ：定时器，计数器0 中断，由t o 计数值满溢出引起。 t 1 ：定时器计数器l 中断，由t 1 计数值满溢出引起。 t i r i ：串行i o 中断，串行端口完成一帧字符发送接收后引起。 2 31 中断源请求 在m c s 一5 1 中断系统中，每个中断请求源都对应一个中断请求标志 位，它们分别置于特殊功能寄存器r i c o n 和s c o n 中。 1 ) 定时器计数器控制器t c o n 匝正丑互匝丑匝乜! ! l ! 竺，i ! ! ! f ! 竖! i 旦j ! ! 也! 竺j t f 0 ：定时器t 1 的溢出中断请求标志。当允许t 0 计数后，t o 从初始值 开始加1 计数，计数器计满产生溢出时，由硬件使t f 0 置1 ，并向c p u 请求 中断。当c p u 响应中断时，硬件将自动对t f 0 清零。t f o 也可由程序查询 其状态或由软件清零。 t r 0 ：定时器t 1 的溢出标志位。 i t 0 ：i n r o 触发方式控制位，可由软件置位和复位。当i t 0 - 0 ，i n t 0 为低 电平触发方式；当i t 0 = l ，i n t 0 为负跳变沿触发方式。 i f 0 ：i n t 0 中断请求标志位。当有外部中断引脚收到有效请求时，该位 由硬件置1 ，在c p u 响应中断后，由硬件将i e 0 清0 。 t f l 、t r i 、i n 、i e l 的用途芹n t f 0 、t r 0 、i t 0 、i e o 梢同。 2 ) 串行控制寄存器s c o n s c o n 为串行控制寄存器，由于本系统未涉及此应用，这里不作展开。 3 ) 中断允许寄存器i e 中断的允许或禁止是由片内可进行位寻址的8 位中断允许寄存器l e 来控 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1o 页 制的，如下所示。 叵工 二工至巨堑巨互匝习 e a ：中断允许总控制位。e a = 0 ，关闭所有【_ r 断请求；e a = 1 ，丌放所 有中断请求。此为一级控制。但对各中断源的中断请求是否允许，还要取决 于各中断源的中断允许控制位的状态，即二级控制。 e s ：串行口中断控制位。e s = 0 ，禁止串行口中断；e s = l ，允许串行口 巾断。 e t i ：定时器计数器t 1 的溢出中断控制位。e t i 一0 ，禁t k t l 中断； e t l = 1 ，允许t 1 中断。 e x l ：外部中断1 的中断控制位。e x l = 0 ，禁止外部中断1 中断；e x l 1 ，允许外部中断。 e t 0 ：定时器计数器t o 的溢出中断控制位。e t 0 = 0 ，禁l h t 0 中断； e t 0 = l ，允许t 0 中断。 e x 0 ：外部中断0 的中断控制位。e x 0 = o ，禁止外部中断0 中断；e x o = 1 ， 允许外部中断。 4 ) 中断优先级寄存器i p m c s 一5 1 中断优先级由中断优先级寄存器l p 来设置的，1 p 中某位设为 l ，相应的中断就是高优先级，否则就是低优先级。 p s 为串行口中断优先级控制位：p t l 为定时器i + 数器t 1 的中断优先级控 制位：p x l 为外部中断1 优先级控制位；p t 0 为t o 中断优先级控制位；p x 0 为外部中断0 优先级控制位。当各位值为l 时，表示高优先级中断；当值为0 时，表示低优先级中断。 2 3 2 中断响应过程 五个中断源的自然优先级依次是外部中断0 、定时器0 、外部中断1 、定 时器1 与串口中断，中断服务入口地址分别为0 0 0 3 1 l 、0 0 0 b t l 、0 0 13 h 、0 0 1 b l l 、 0 0 2 3 h 。c p u 响应中断时，首先把当前指令的下一条指令( 就是中断返回 后将要执行的指令) 的地址送入堆栈，然后根据中断标记，将相应的中 断入口地址送入p c ，p c 是程序指针，c p u 取指令就根据p c 中的值，p c 中 是什么值，就会到什么地方去取指令，所以程序就会转到中断入口处继 续执行。这些工作都是由硬件来完成的。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 2 4l c 卡与f f c 串行扩展总线 i c ( i n t e g r a t e d c i r c u i t c a r d ) 卡在当今社会被广泛应用。金融系统的各种 转账卡；交通领域中的驾驶员执照卡、停车收费卡、公共交通设施自动收费 卡；通信领域中的公用电话卡、移动电话中的s i m 卡等。另# h c 在医疗保健、 个人身份识别、预收费仪表、校园及消费娱乐领域中也得到了具体的应用。 随着时间的推移，i c 卡的应用将会越来越广泛。 i c 膏可分为接触式i c 卡和非接触式i c 。接触式i c 按电路形式可分为 三大类：存储式i c 卡、逻辑加密卡、c p ij 卡( 即智能卡) 。存储式i c 卡价格 低廉，操作简单，但安全性差，应用范围窄：逻辑加密卡安全性较高，价格 适中，故在各类系统中得到广泛应用；智能卡安全性高，但价格也高，且对 配套设备要求高，故主要应用于安全性很高的场合。本论文使用的足由德国 西门子公司设计的一种具有逻辑加密的接触式l c 卡一一s l f 4 4 4 2 。 s l e 4 4 4 2 采用1 2 c 总线接口。1 2 cb u s ( i n t e r i n t e g r a t ec i r c u i tb u s ) 是p h i l i p s 推出的具备多c p u 系统所需的包括仲裁和高低速设备同步等功能的高性能串 行总线，它以两根连线实现完善的全双工数据传送，是各种总线中使用信号 线根数最少，并具有自动寻址、多主机时钟同步和仲裁等功能很强的总线。 1 2 c 总线具有标准的规范及众多带1 2 c 接口的外围器件。使用1 2 c 总线漫计计算 机系统十分方便、灵活、体积也小。因而它在各类实际应用中得到广泛的应 用，从简单的只用1 2 c 总线扩展一个外围芯片( 如存储器、实时时钟) ，到复 杂的报警系统、图形显示系统，尤其在用单片机构成多机系统和外围器件扩 展系统中应用更为广泛。 1 2 c 总线只有两根信号线，一根数据线s d a ，另一根是时钟线s c l 。所有 进入1 2 c 总线系统中的设备都带有1 2 c 总线接口，符合1 2 c 总线电气规范的特 性，因此，无需另外设计1 2 c 接口，仅需将1 2 c 总线上的串行数据线s d a 矛 ：i 时 钟线s c l 都分别与总线的s d a 和s c l 相连。需要注意的是所有节点都需共地， 并且s d a 和s c l 都要接上拉电阻。 1 2 c 总线上的节点可以是主器件节点、外围器件青点、模块节点、远程节 点。本论文的节点是l c 卡，属于外围器件节点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 5s l e 4 4 4 2i c 卡 25 ，1 西门子s l e 4 4 4 2 特点 s l e 4 4 4 2 是具有可编程安全代码和写保护功能的智能型l c 卡，它有2 5 6 字 节的e 2 p r o m l l6 1 。s l e 4 4 4 2 采用1 2 c 总线，触点配置和接口标准符合i s 0 7 8 1 6 同步传输协议，采用n m o s i t _ 艺制造。每个字节的擦除写入编程时间为 2 5 m s ，擦写次数可达一万次以上，数据保持n 。广百 厂吾 。 时间十年以上。s l e 4 4 4 2 , 芯, 片引脚如下图2 4。；。厂= 厂= 。p ， 所示，其引脚功能如表2 2 所示。“。厂i 广= ，。 这里的c l k 与1 2 c 总线的s c l 信号线相对m 厂i 厂i 。 应，i o 与1 2 c 总线的s d a 信号线相对应。 图21 芯片引脚圈 s l e 4 4 4 2 主要包括三个存储器，4 8 位e 2 p r o m 型加密存储器，2 5 6 8 位e 2 p r o m 型主存储器，3 2 1 位p r o m 型保护存储器”7 1 。 主存储器分为两部分，前3 2 个字节为保护数据区，后2 2 4 个字节为应用 数据区2 1 h - f f h ，读出不受限制。 保护存储器的3 2 位对应于主存储器 的目i f 3 2 个字节，若某位为0 ，则 对应的主存储器的字节单元不可再 改变，常用来放一些固定的标识( 如 厂家标识等) ，读出不受限制。 加密存储器是进入芯片的关卡。 第o 字节是密码输入错误计数器 ( e c ) ，仅低三位有效，出厂时为 1 l 】。每次比较密码都要先将其中一 个1 写成0 ，然后比较，若密码比较 表2 2 乩e 4 4 4 2 9 i 脚功能 引脚普标记符号功能 c 1 v c c宅酒电压 c 2r s t复位 e 3c u ：时钟输入 c 4n c 空 c 5g n d地 c 6n e 空 c 7i j d输入 翁出( 开漏) e 8n c 空 正确，则允许对加密存储器、保护存储器和主存储器进行擦写，并且f c 低三 位自动恢复为l l l ；若密码比较错误，n e c o e 的1 的个数就少了一个，如果连 续三次比较错误，则芯片的全部单元被锁死f 1 8 l 。s l e 4 4 4 2 f f ：j 内部存储器结构 如图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 2 主存储器保护存储器 姻密存储器4x 8 觇e e p r ( ) m 缱用数据区 。 3 2 x l 位 2 2 4 8 位 e e p 【0 m 僚护毂据区 3 2 x 8 恢 p r o m e e p 戳) m 授嘛参照数据窜 控骑毒爨数据宇 授验参照数据字 b 7 一b i糍码镣误砖散器 图2 5s l e 4 4 4 2 的内部存储器结构 s l e 4 4 4 2 保密特性为： 密码核对正确前，全部数据均可读，如果有需要，可对数据进行适当 加密。核对密码正确后可写入或修改数据。 三字节的用户密码，校验通过后，至卡下电一直有效。校验通过后密 码本身可更改。密码区另外编址，不在0 2 5 6 字节内。 密码出错计数器，初始值为3 ，密码核对出错1 次，便减1 ，若计数器 值为0 ，则卡自动锁死，数据只可读出，不可再进行更改也无法再进 行密码核对；若不为零时，有一次密码核对正确，可恢复到初始值。 写保护区( 前3 2 个字节) 的每字节可单独进行写保护，进行写保护 后，内容不可再更改( 即固化数据) 。 字节地址0 x 1 5 o x l a 为用户代码，s i e m e n s 公司可为大用户在此专 设一个全球唯一代码，以便用户统一发行使用( 所有的卡出厂后不可 再修改) 。 字节地址0 7 出厂前已由厂家写好，不可更改。 252 s l e 4 4 4 2i c 卡的数据传输协议 i c 卡i - i o 的所有数据的改变都是由c l k 脉冲的f 降沿触发。数据传输协 议有4 种模式，即复位和复位应答模式、命令模式、输出数据模式和内部处理 模式o ”】。 ( 1 ) 复位和复位应答 复位可以在操作的任何时候产生f 2 。开始时给i 0 引脚低电平并在r s q 信 号由高到低期间提供一个时钟脉冲，此时i o 输出了有效数据的第一位 ( l s b ) ，此后连续的3 1 个时钟脉冲读m e 2 p r o m 中的4 字节标头数据第3 3 个时钟脉冲使i o 脚变为高阻状态完成复位应答过程，时序如图2 6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 r s t c l k i o ( 2 ) 命令模式 应答复位后，芯片等待指令的输入2 1 1 。每个指令开始于s t a r t 条件，包括 3 字节长的命令字和紧跟其后的时钟脉冲，然后结束于s t o p 条件。s t a r t 和s t o p 分别对应于前面i z c 总线的启动和停止。命令被接收后可能出现以一卜两种模 式：可读的数据输出模式、可擦写的内部处理模式。 ( 3 ) 数据输出模式 在这种模式一f i c 送出数据，在时钟脉冲的第个下降沿后i 0 输出有效数 据的第一位，在最后一位数据后的额外个时钟脉冲使i 0 变为高阻状态并等 待接收新的指令，在此模式的期间任何一个s t a r t 平l l s t o p 都无效| 2 ”。 ( 4 ) 内部处理模式 此模式在第一个时钟脉冲的下降沿后i o 由高阻状态转换为低电平。在此 模式的期间任何一个s t a r t 和s t o p 都无效1 2 3 】。命令模式、数据输出模式和内部 处理模式三种操作模式的时序如图2 7 所示| 2 4 j 。 s b f r o m i f d d i ：d a t ai “ b o ：d a t ao u t 翟竺一! s t a r | o 一鲥。f ，o o f m 帅f u t g o i n gd a t a 佃i t , 黼￥。 p r o c e s s i n g 斗 丽门阻几几 v o 穗 一 r i 【| 一一一 t十 s t a a te n d 州 f r u c e , h r n gp r o c l s s l n g 图2 7 操作模式时序图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 2 53s l e 4 4 4 2i c 卡的指令 s l e 4 4 4 2 卡的每个令字均为三个字节，指令的传输是由控制宇的最低位 开始，如图2 8 所示。 i f b s e f si d c o m m a n d 4 t ar o y a ll c l k 晌m 田r 1 同同r i l 同r 1 同同同同一冈同盯 i o 1 i i 罂 翌 i 登 ! ： 竺