开题报告--基于I2C总线的IC卡读写器设计.doc

基于I2C总线的IC卡读写器设计 学 生：指导老师： （三峡大学 电气与新能源学院） 一、课题来源 来源于实验室建设。I2C总线是近年来发展较快的一种串行扩展总线，连线少。本课题是在熟悉I2C总线时序和数据传输原理基础上，利用单片机I/O口编程模拟实现总线时序，对外扩存储器芯片进行数据传输，键盘输入和数码显示功能。旨在研究用简单快速的方法完成IC卡的读写功能。二、课题研究的目的和意义 随着社会的进步和现代化程度的不断提高，人类所拥有的信息种类和数量都在成倍增加，人们每天都要处理很多与个人有关的信息，如购物、打电话、交水费、电费、到银行存款取款等，这样就需要携带多种票证、现金、单据，给人们带来极大的不便和安全隐患。于是，人们开始寻找一种具有支付、查询、密码查验等多功能及携带方便、安全可靠的“卡”。IC卡就是随着计算机技术、微电子技术和信息化技术的发展应运而生的一种现代社会重要的信息载体和交易工具。IC卡又称集成电路卡（Integrated Circuit Card），或又叫智能卡（Smart Card）,它是将集成电路芯片镶嵌于塑料基片之中，并被封装成卡片的形式，其外形与普通信用卡完全相同，尺寸大小符合ISO7816标准。IC卡具有突出的3S特点，即Standard（国际标准化）、Smart（灵巧智能化）和Security（安全性）。因而发展迅速，被广泛的应用于移动数据计算场合，如医疗卫生、保险、金融、交通、电信、国防以及日常生活等各个领域。虽然IC卡本省并不创造任何价值，但是，如果将IC卡和其它设备组成系统就能够提供非常丰富的服务功能。把这些功能与生产或流通领域有机地结合起来，将出现令人意想不到的奇迹，创造出巨大的经济和社会效益。随着IC卡的出现和发展人类经济活动支付体系也出现了革命性变革,IC卡已成为21世纪人类最重要、最便利、最不可缺的工具。如今,IC卡已逐渐广泛地应用各类领域。IC卡读写器是IC卡与应用系统间的桥梁。它连接在IC卡与PC机之间,承担信息识别、传送、处理任务。本课题设计的是一种通用型IC卡读写器。该读写器以I2C串行通信的方式控制读写器,实现对卡的控制和读写功能；在读写器端用C51语言编制了程序，实现对卡的操作。三、国内外IC卡研究现状及发展趋势1、国内外研究现状 （一）法国 法国是IC卡的诞生地，它是推出IC卡最早和使用IC卡最多的国家，也是生产厂商最多、技术水平领先的国家，仅1989年就达近500万张，几乎占全球该领域IC卡用量的1/10。该国生产IC卡的厂商很多，比较著名的有Gemplus、SAGEM、Bull、CKD、ESD、CIS、SGI公司等。 （二）美国美国在磁卡研制的应用方面居世界之冠，网络通信又很发达，为了保护已有设备的投资，不急于用IC卡来取代磁卡，因此IC卡的应用方面不如法国和日本，但在安全技术等领域的研究方面先于其他各国。近几年，生产厂商越来越多，如DATA、ATMEL、LogiCard、Personal Computer Card Corp、ASI及Battelle Memorial Institute等。美国IC卡市场在军用与银行业务方面远远超过其它应用领域，所以美国在IC卡技术及其安全可靠性方面，很快会在全球范围内处于领导地位，对法国和日本IC卡产业的冲击将越来越大。（三）日本 日本在法国人发明IC卡的同年，也推出了IC卡，卡片上有一个或多个芯片，能产生特殊信号，此卡很快进入市场并推广应用。1954年IC卡首先用于银行的资产管理，1985年用于医疗卫生健康管理系统，1986年销售IC卡近25万张，1989年销售IC卡约100万张，1995年增至200万张1997年成倍增长，IC卡制造厂商越来越多，为了夺取IC卡市场优势，日本政府和地方都积极参与IC卡的研制、发行及应用推广工作，使IC卡产业的各个环节都得到顺利发展，毫无疑问，日本IC卡产业的发展也会对美国、法国的构成威胁，将使国际IC卡市场竞争更加激烈。（四）中国 我国的信用卡正跳过磁卡发展阶段而直接进入IC卡时代，国内先后组建了华旭、华鑫集团公司等，出现了一批科研及生产、经营单位。1996年10月，国内第一张用芯片设计、研制到卡片制作生产全部国产化的中华IC卡顺利通过技术鉴定。目前，国内引进IC卡后部装配生产线较多，它们采用国外芯片，生产能力未充分发挥，97年研制出加密算法，IC卡操作系统DOS，着手开发智能IC卡，其CPU芯片拟先用国外芯片，操作系统采用国产的，国内IC卡应用市场发展迅猛。目前国内的IC卡的应用已跳出单一的银行业务与传统的信用功能，与其它产业联袂发展，它的付费功能，可用于交水电费、电话费、车船费、甚至医疗费、保险费等。我国目前正按多种使用要求开发IC卡新品种，以便最大限度地发挥IC卡的各种功能和作用。2、未来发展趋势国内外IC卡市场经过几十年的发展，目前进入到发展的调整阶段中，虽然尚存在着一些问题，但总体发展趋势已经在朝着良好的局面前进。展望未来几年IC卡市场状况，前景将更加美好。具体将体现在以下几个方面：（1） 在移动电话领域：移动电话卡仍将是市场的主流产品之一。从出货量来看，未来五年至少将会有20亿张的数量，而发到最终用户手中的卡片也将呈增长的趋势。特别是随着3G时代的来临，将会有大量的增长。（2） 在第二代居民身份证换发领域：第二代居民身份证除公安应用领域外，其应用领域涉及上百余种，如银行、旅馆、股票、邮政、机场、社会保障、工作就业等等。（3） 在银行与金融服务业：尽管EMV迁移的动力不足，但其前景还是相当广阔的。目前我国银行磁卡已发卡9亿多张，同时随着我国国力的进一步增强，人民生活水平的不断提高，出国旅游人数剧增，虽然EMV迁移的风险转移越来越突出，但符合EMV2000标准的发卡数量在5年内仍旧会有突破性地增长，截止2010年其数量以千万计。（4） 在教育系统学生证件卡及校园一卡通方面：目前教育部和各级地方政府正在探 讨教育系统学生证件卡及校园一卡通的统一标准问题。如果一旦实现统一标准，将进一步推动教育事业的发展，其发卡量将数以亿计。（5） 在城市交通卡方面：城市交通卡将向区域性一卡通方向发展，如从长三角地区、珠江三角洲向周边地区延伸。（6） 在劳动与社会保障卡方面：随着我国社会保障体系的不断完善，加之劳动与社会保障卡已有行业标准，其在五年内发卡量将有明显增长。如上海的社保卡已向乡镇及流动人口发展。（7） 在政府机构和企业身份识别和存取管理卡方面：这种卡是解决在共享信息和信息化基础设施的同时，保证系统和信息安全的重要措施。它是基于PKI技术，解决信息的真实性、完整性和不可否认性的要求，保证系统和信息安全，以求不同身份的用户共享信息，各取所需。这种卡的需求量将与日俱增。当然这种卡的形式可以是智能卡的形式，也可以是USB KEY 的形式。（8） IC卡向射频识别(RFID)领域发展：国家金卡办自2004年第七届全国IC卡应用工作会后，已把RFID技术和电子标签应用正式列入国家金卡工程重点工作，并着手组织应用试点。经过一年多的调研和探讨，经有关行业和地方申报，已在有条件的部门和地方启动了试点工作，正积极、稳妥地推进RFID应用示范工程建设。如面向工业生产过程与安全生产管理，促进生产力发展；服务于“三农”，推进农业（农产品）产业化；重要物品的防伪和动态管理；供应链与现代物流管理；数字旅游产业与现代服务业等。四、设计的主要内容和应用价值（1）主要内容根据毕业设计的要求，我们首先要了解标准IC卡应用系统的最基本构成（如下图）键盘输入 MCS-51系列单片机芯片IC卡卡座数码管显示复位电路振荡电路电源RS232PC机其次要了解IC卡的原理，结构，读写时序。然后作出设计规划。IC卡读写器的设计思想：有关MCS-51系列单片机介绍，对MCS-51系列单片机芯片加深理解，知道MCS-51系列芯片的功能。再对单片机时序，读写的启动与停止时序进行编写，进行调试，修改，从而完善单片机对IC卡读写器的读写的启动和停止功能。IC卡读写器的硬件设计：对基于MCS-51系列单片机芯片I2C总线的IC卡读写器设计。第一步： SCL和SDA两条逻辑控制线的启动与停止来产生控制读写的“开始”，“停止”标志信号；第二步：写操作时序；第三步：读操作时序。 读写器硬件电路，画出电路原理图，对原理图里的器件做必要说明。IC卡读写器的软件设计：软件设计思路，根据课题的需要，对软件系统进行分析。系统功能结构及需求，系统测试方案设计。在以上设计内容的基础上，本课题要求最后能达到利用单片机I/O口编程模拟实现总线时序，能对外扩存储器芯片进行数据传输，键盘输入和数码显示功能。并要求能在PROTEUS上进行软件调试的效果。（2）应用价值IC卡在现实生活中的应用变得越来越广泛，如校园卡，也分为很多种，它本质上是存储器，I2C总线是近年来发展较快的一种串行扩展总线，连线少，应用单片机设计其读写器，实现对IC卡操作的功能。I2C总线只要求有两条总线线路，不需要专门设计总线接口，故障诊断和调试都很简单，对设计人员来说采用I2C协议有诸多好处，基于I2C总线的IC卡读写器设可以减少设计成本，无论是在软件方面还是硬件方面，增加了IC卡读/写的灵活性，可靠性。本系统可以直接应用到实际中，有很强的实际应用价值。五、主要的设计思路及步骤本课题的重点是如何在I2C总线的基础上实现用单片机控制IC卡读写器的读写操作，键盘输入和数码管显示。主要设计及分析步骤可如下：（一） 确定完成本课题所需要的软件，硬件设备及涉及本课题的相关理论技术 基础，以备在需要的时候翻阅。1、本课题将以MCS-51系列单片机为控制核心，因此在硬件电路设计前应先掌握关于MCS-51单片机的基本知识，2、重点掌握单片机的I2C总线的串行通信方式 ，理解其组成，特征，信号传输过程等信息。3、 熟悉数码管的构成，掌握数码管的静态显示和动态扫描的原理及操作。4、熟悉矩阵键盘的工作原理，掌握对矩阵键盘相关的操作程序。5、选定EEPROM AT24C02为IC卡存储芯片。AT24C02支持I2C总线数据传送协议，I2C总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式，通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02器件连接到总线上。6、由于本课题需做软件编程和仿真，因此应熟悉并掌握Keil编程软件和Proteus仿真软件各方面的应用操作。 （二） 按照课题的要求及其要实现的功能设计硬件电路原理图1、分析课题要求及实现的功能，提出整个系统的设计框图。2、将整个系统划分为不同的功能模块，然后在Proteus软件上对单个的功能模块进行电路原理图的设计。3、将各个功能模块连接起来形成整个系统的的原理图，注意各个功能模块连接的正确性和合理性。4、对整个系统的原理图进行软件的电气规则检测，并检查核对整个电路原理图，确定其正确性和合理性并符合课题的要求。（三） 依照原理图进行软件编程并进行软件测试 1、在Keil软件的编程环境下对整个系统进行编程。 2、编程完毕后，将程序下载到Proteus仿真软件中进行仿真调试，并对程序进行反复修改完善，直到符合课题功能需求。 3、再次对整个系统原理图、软件程序做检查核对、确定无误后全部保存。（四） 整理各项数据，开始准备毕业论文六、课题设计进度安排2010年秋季学期： 第十周第十三周 接受毕业设计任务书，学习毕业设计要求及有关规定。阅读指定的参考资料及文献。第十四周第十六周 确定设计思路，将要使用的知识和技能复习或者自学熟练总结。第十七周第二十周 完成开题报告、外文翻译任务。第二十一周，学期结束前 上交开题报告、外文翻译，指导教师批阅。2011年春季学期：第一周第十周 完成系统的硬件设计，包括电气图纸，设计思路逻辑图，程序编制，调试成功。第十一周第十三周 撰写毕业论文，上交电子和纸质版大论文以及小论。文。第十四周（2011年5月27日） 论文形式审查，教师批阅和评阅。第十五周 毕业答辩。七、最终目标及完成时间根据毕业设计任务书的要求，设计出系统硬件和软件，并进行初步调试，实现IC卡读/写的基本要求，并写出相应的论文。完成时间：2011年春季学期第十三周。八、现有条件及必须采取的措施本论文涉及到的各种理论知识及现有条件：本课题涉及IC卡的技术与应用、数字电子技术、模拟电子技术、单片机的原理及应用、单片机C语言程序设计等。所运用的工具主要有Keil单片机编程调试工具，Proteus单片机软硬件设计和仿真工具。因此在进行毕业设计中，必须有一个基于计算机的单片机开发及仿真平台。I2C总线的控制是本论文的核心，因此，必须熟练的掌握单片机原理和电子技术，理解I2C总线的控制时序。在编写部分硬件测试程序时，还要掌握调试的技巧。九、可行性分析 本课题要实现的预期目标是应用I2C串行总线实现IC卡的读写，键盘输入和数码管显示的功能同时包括起振，复位，电路保护等基本模块。该课题以单片机为控制核心以实现和外围设备的数据交换。从课题所给出的功能模块入手，查找与该课题相仿的设计，对其进行结构分析，然后根据自己的设计思路和创新想法进行改造，使其更好更快的完成基本功能，且由于各部分电路结构比较简单，因此具有很强的可行性。十、要解决的主要问题及协助单位 本课题要解决的主要问题就是设计出合理的原理图，然后用单片机的2个并行端口来模拟I2C串行总线的各种信号数据电平例如开始信号，应答信号，