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毕业设计0(论文)基于USB接口的车载IC卡控制系统
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电气电子毕业设计论文
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毕业设计0(论文)基于USB接口的车载IC卡控制系统,电气电子毕业设计论文
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概 述 众所周知，城市公交系统是一个城市的窗口，其工作的质量与效率会直接影响到人民群众的日常生活和工作。利用现代计算机和通讯技术，实现公交 IC 卡收费系统能显著提高企业的现代化管理水平，为公交运营管理提供科学准确的数字信息，获得明显的社会和经济效益，同时也为城市一卡通打下基础。 人们日常生活中经常接触到磁卡和 IC 卡，它们是根据卡片上的信息载体的不同而划分的。卡片及其读写器都属于人机接口的输入输出设备。磁卡是在卡片上贴一条窄窄的磁带来记录信息的，它主要用于车船票 、信用卡、电话磁卡、旅馆门钥匙等。IC 卡 则为近几年才出现的新型卡片，在卡片上嵌有 IC（ E2PROM，有的还有 CPU）。由于它保存的信息比较可靠安全、可以高达几万次的读写，所以大量应用于公交车票 、饭票 、保健卡、收费系统等。 nts 目 录 第一章 IC 卡应用 1.1 IC 卡概述 1.11 IC 卡特征及结构 1.12 IC 卡功能描述 1.13 IC 卡的通信协议 1.2 IC 卡 的种类及 功能特点 1.21 接触式 IC 卡 1.22 非接触式 IC 卡 1.23 光卡 1.24 IC 卡的选用 1.3 PHLIPS 公司的 Mifare 智能非接触 IC 卡 第二章 单片机 A/D 、 D/A 转换 2.1 Motorola 单片机发展概况 2.2 Motorola 单片机应用技术概论 2.3 单片机 MC68HC705J2 第三章 USB 总线接口芯片 3.1 概述 3.2 特点 3.3 引脚 3.4 寄存器 3.4.1. 一 般说明 3.4.2 只 读 寄存 器 3.4.3. 只 读 寄存 器的位 说明 3.4.4. 只 写 寄存 器 3.4.5. 只 写 寄存 器的位 说明 3.5 功能说明 3 5 1. 一 般说明 3 5 2 USB 设备 配 置 和数据 传 输 过程 描 述 3 5 3 本地端的软硬件接口 3 5 4. 计算机端的软件接口 3.6 应用 第四章 单片机与 EEPROM 接口及 SPI 实现 4.1 SPI 硬件接口 nts 4.2 单片机与 EEPROM 接口及 SPI 实现 4.3 单片机与 IC 卡接口及 SPI 实现 第五章 应用实例 基于 USB 接口的车载 IC 卡控制系统 5.1 设计目的 5.2 工作原理 5.3 硬件组成及设计步骤 5.4 程序设计 第一章 IC 卡应用 1.1 IC 卡 概述 IC（ Integrated Circuit）卡的 英文名有“ IC Card”，“ Smart Card”等，在我过称“ IC卡”，带 CPU（中央处理器）的 IC 卡称智能卡。国际标准化组织（ ISO）在 ISO7861标准中规定的 IC 卡是指在聚氯乙烯（ PVC）或聚氯乙烯酸酯（ PVCA）材料制成塑料卡内嵌入微处理器和存储器等 IC 芯片的数据卡。 CPU 和存储器可以集成在一个芯片上。 IC 卡是集成电路卡。在卡上，封装有符合 ISO 标准的芯片，有 6 或 8 个触点和外部设备进行通信。在 IC 卡上可以有彩色图案和说明性文字。 当 IC 卡插入 IC 卡读卡器后，各接点对应接通， IC 卡上的超 大规模集成电路就开nts始工作 ， IC 卡以其朝小的体积，先进的集成电路芯片技术、独特的功能和保密措施手到了广泛的欢迎； IC 卡系统的最大特点是实现真正的脱机运行。所谓脱机运行是指 IC卡系统不以来 PC 机就可以正常工作，可以自动识别、判断、读写、记录、存储持卡人的信息；也可以将持卡人的信息传输给 PC 机。 IC 卡存储量大，存储量可以从几十字节到几兆字节； IC 卡使用方便，便于携带；IC 卡有一系列加密措施，能有效地防止密码被盗窃或破坏； IC 卡对网络实时性、敏感性要求较底； IC 卡的防磁、防静电、抗干扰等性能较好； IC 卡使用寿命 长。 1.11 IC 卡特征及结构 （以 SLE4432 和 SLE4442 为例） ： 256*8 的 EEPROM 用户存储卡； 32*1 位保护存储器； 按字节寻址； 用户存储器中 32 字节的不可逆字节写保护； 2 线制通信协议 ； 复位响应符合 ISO 标准 7816-3； 擦写和写的编程时间各为 2.5ms； 至少 1 万次写 /擦除周期； 数据保持可达 10 年； 触点配置和串行接口符合 ISO 标准 7816（同步传送）； SLE4442 特征 还具有在准确的 24 位可编程密码递交 后，内部数据才能改变。 IC 卡引脚配置： 1.12 IC 卡功能描述 一般的 IC 卡，例如 SLE4432，存储器可分为两部分： （ 1） 用户存储器； （ 2） 保护存储器。 SLE4442 还有一个保密存储器，如图所示。 图中 PSC1， PSC2， PSC3 为 3 字节密码。 用户存储器 EEPROM 具有 256*8 位的内部结构， EEPROM 中 0 31 字节可设置成 ROM达到不可逆保护，它有保护存储器相应保护位来确定，此地址范围的数据位只有在其保护位还未设置成 0 之前才能改变，一旦写了保护位，则次数据字节再也不能被擦除或改变。通 常保护存储器存放 一些 IC 卡， 在使用中无须再次修改其内容，例如用户识别码、卡发行单位码等。 正常情况下，一个数据的改变由擦除和写步骤完成，数据改变与否取决与主存内数据字节内容以及新的数据字节是否要求 EEPROM 真正擦除或改变。 假如寻址的字节nts中的 8 位不需要从 0 至 1 的变化，则擦除将取消；相反假如不需要 1 至 0 的变化，则写存取将取消。每个编程操作即擦出或写存取至少花 2.5ms。 对于带保密功能的 SLE4442 卡，只有递交了准确的 24 位长密码（ PSC）后，用户存储器内的数据才能改变，为了保护此类 IC 卡数据以及防止卡密 码被破译，限制递交密码的出错次数最多为 3 次，由一个错误计数器 EC 来计数。一旦密码递交出错次数超过 3 次，则此卡将作废。出厂时的此类密码为 FFFFFF，对于不带密码的 SLE4432卡，则可方便地改变用户存储器的数据。 1.13 IC 卡通信协议 IC 卡通信协议是一种在接口期间 IFD 和 IC 卡芯片间的二线制通信协议，所有 I/O上的数据改变在时钟 CLK 下降沿进行。通信协议由四种方式组成；复位和复位响应；命令方式；输出数据方式；处理方式。 1.复位和复位响应 复位响应根据 ISO 标准 7816-3 执行，复位可在操作期间 任何时候进行。 起 始时 ，RST 的高状态 H 设置至低状态 L，地址计数器随时钟脉冲一起置 0，第一数据位（ LSB）输出至 I/O，连续输入 31 个时钟脉冲，可读出第一个 4 个 EEPROM 地址中内容，地 33个始终脉冲恢复 I/O 至状态 H，波形如图所示。在复位响应期间，任何开始和停止条件均被禁止。 2.命令方式 复位响应后，芯片等待命令。每个命令由起始条件、一个 3 字节长命令和停止条件构成，波形如图所示。起始条件： CLK 处于高状态 H 期间， I/O 上的下降沿。停止条件： CLK 处于高状态 H 期间， I/O 上的上升沿。接收到命令后，有两种 方式：读数据的输出方式和写（或擦除）的处理方式。 3.输出数据方式 在这种方式下， IC 发送数据至 IFD，波形如兔所示，它表示输出数据时序图，在CLK 上第一个下降沿后， I/O 上第一位有效，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 接收新的命令。在这种方式，任何起始和停止条件均被禁止。 4.处理方式 图为处理方式时序图。 IC 卡必须连续接收时钟，直至到 CLK 下降沿之后切换至低状态 L 的 I/O 被设置成高状态 H，任何开始和停止条件在此方式期间均被禁止。 1.2 IC 卡的种类及功能 特点 目前市场上常用的 IC 卡有 接触式 IC 卡、非接触式 IC 卡 、光卡 等 。 1.21 接触式 IC 卡 ： 接触式的 IC 卡通过机械触点从读写器获取能量和交换数据；目前在社会上常见的是接触式 IC 卡。它具有存储量大（以兆为单位），保密功能强nts（有多重密码设置和认证功能），可实现一卡多用。但是，这类卡的读写操作速度较慢，操作也不方便，每次读写时必须把卡正确地插入到读写器的口槽才能完成数据交换，这样，在公交、考勤等需要频繁读写卡的场合就很不方便，而且读写器的触点和卡片上 IC 卡的触脚暴露在外 ,容易损坏和搞脏而造成接触不良。 1.22 非接触式 IC 卡 ： 非接触式 IC 卡通过线圈射频感应从读写器获取能量和交换数据，所以又称射频卡。 非接触式 IC 卡是根据射频电磁感应原理产生的。它的读写操作只需将卡片放在读写器附近一定的距离之内就能实现数据交换，无需任何接触，使用中非常方便、快捷，不易损坏。因此，在公交、门禁、校园、企事业等人事管理、娱乐场所等方面有广泛的应用前景。目前我国引进的射频 IC 卡主要有 PHILIPS公司的 Mifare 和 ATMEL 公司的 Temic 卡。 1.23 光卡 ：光卡（ Optical Card）技术是计算机光盘存储技术的孪生兄弟，出现于 20 世纪 80 年代中期。光卡的记录介质是由半导体激光材料组成，基板材料采用聚碳酸酩（用与高速喷气式飞机窗口的有机材料）组成。该材料在耐用性方面是目前普通 IC 卡所采用的聚氯乙烯（ PVC）的 100 倍。光卡的大小与 IC 卡一样（长 85.6mm、宽 54mm、厚 0.76mm）。光卡是能够储存并再生信息的大容量卡式煤体，是利用半导体激光照射来记录和提取信息。光卡的特点是： 容量大，能存储 4.2MB 的信息；能保存文字、数据资料、照片、图片、图象资料； 安全性好，不怕强电、强磁干扰； 可靠性好，拥有独特的信息保密手段 ，可以做到一卡一码，该码无法用常规方法读取； 读写信息快，数据读取速度 26KB/s，数据写入速度 10KB/s； 具有很强的兼容性，光卡系统可以现行的计算机各种各样的程序兼容； 用专利技术制造，可以防备伪造，且运用了多种加密技术； 使用简便； 1.24 IC 卡 的选用 美国国会于 1996 年认定光卡记录的信息具有法律效应，选定光卡作为绿卡工程选用卡，而在我国，仅在医疗保健上有所应用，并不普及，所以舍弃光卡而不用。 非接触式 IC 卡与接触式 IC 卡相比，有以下特点： 可靠性高。由于读写之间无机械接触，避免 了由于接触读写而产生的各种故障；且非接触式 IC 卡表面无裸露的芯片，无芯片脱落、静电击穿、弯曲损害等后顾之忧。 操作方便。无接触通信 使读写器在 10cm 范围内就可以对卡片操作；且非接触式 IC 卡使用时无方向性，卡片可以任意方向掠过读写器表面完成操作，既方便又提高了使用速度。 防冲突。非接触式 IC 卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，nts读写器可以“同时”处理多张非接触式 IC 卡。 可以适应多种应用。非接触式 IC 卡的存储器结构上的特点适用于一卡多用，可以根据不同引用，设定不同的密码和访问条件。 加密 性能好。非接触式 IC 卡的序号是唯一的，在出厂前已经固化；非接触式IC 卡与读写器之间采用双向验证机制，非接触式 IC 卡在处理前要与读写器进行 3 次相互认证。 所以，根据 IC 卡的特点及功能， 选用非接触式 卡 （ PHLIPS 公司的 Mifare 卡 ） 来完成设计。 1.3 PHLIPS 公司的 Mifare 智能非接触 IC 卡 概述 一 Mifare 1 非接触式 IC 智能（射频）卡特点 Mifare 1 IC 智能 (射频 )卡的核心是 Philips 公司的 Mifare 1 IC S50（ -01， -02，-03， -04）系列微模块（微晶片）。 它确定了卡片的特性以及卡片读写器的诸多性能。 Mifare 1 IC 智能 (射频 )卡采用先进的芯片制造工艺制作。内建有高速的 CMOS EEPROM， MCU 等。卡片上除了 IC 微晶片及一副高效率天线外，无任何其他元件。 卡片上无源（无任何电池），工作时的电源能量由卡片读写器天线发送无线电载波信号耦合到卡片上天线而产生电能，一般可达 2V 以上，供卡片上 IC 工作。工作频率 13.56MHZ。 Mifare 1 射频卡所具有的独特的 MIFARE RF（射频）非接触式接口标准已被制定为国际标准： ISO/IEC 14443 TYPE A 标准。 射频卡标准操作距离为 100mm（由 MCM500 作为读写器核心模块）和 25 mm （由MCM200 作为读写器核心模块）。 与卡片读写器的通信速率高达 106Kbit/s。 智能 (射频 )卡上具有先进的数据通信加密并双向验证密码系统；且具有防重叠功能：能在同一时间处理重叠在卡片读写器天线的有效工作距离内的多张重叠的卡片。 智能 (射频 )卡与读写器通信使用握手式半双工通信协议；卡片上有高速的 CRC 协处理器，符合 CCITT 标准。 卡片制造时具有唯一的卡片系列号，没有重复的相同的两张 MIFARE 卡片。 卡片上内建 8K（ bit） EEPROM 存储容量并划分为 16 个扇区，每个扇区划分为 4个数据存储块，每个扇区可由多种方式的密码管理。 卡片上还内建有增值 /减值的专项的数学运算电路，非常适合公交 /地铁等行业的检票 /收费系统。典型的检票交易时间最长不超过 100ms(0.1 秒 )（包括卡片的认证，6 个扇区的读（ 768bit,2 个扇区的认证）， 2 个扇区的写操作（ 256bit）。 卡片上的数据读写可超过 10 万次以上； 数据保存期可达 10 年以上，且卡片抗静电保护能力达 2KV 以上。 nts二主要技术参数 工作频率： 13.56MHz 通信速率： 106KBIT/s 读写距离： 0 10cm 通信编码：符合 ISO/IEC14443 TYPE A 在无线通信过程中通过以下机制来保证数据完整 -防冲突机制 -每块有 16 位 CRC 纠错 -每字节有奇偶检验位 -检查位数 -用编码方式来区分 1、 0 或无信息 -信道检测（通过协议顺序和位流分析） 支持多卡操作 -防冲突机制 -动态读写 安全性 -三次相互认证（ ISO/IEC9798-2） -通信过程中所有数据均加密以防止信号截取 -每一扇区有相互独立的密码 -每张卡的序列号唯一 -传输密码保护 支持一卡多用的存储结构 -8K 位的 EEPROM -分为 16 个扇区支持多种应用 -用户可灵活地定义每一扇区的访问条件 数据保持 10 年 读写次数 10 万次 典型交易时间 方 波 整流 电压调节 Modu./DeModu 调制 /解调 POR (复位 ) EEPOR AntiCollision ATR Digital Section 数字电路部分 Select Application Authentication & Access Control Control & Arithm. Unit ROM Crypto Unit RAM RF-Interface 射频接口电路 nts首先与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的系列号。由于 Mifare 1 卡片每一张都具有其唯一的系列号，决不会相同，因此卡片读写器根据卡片的序列号来识别，区分已 选的卡片，卡片读写器中的 MCM 中的 AntiCollision 防重叠功能配合卡片上的防重叠功能模块，由程序员来控制读写器，根据卡片的序列号来选定一张卡片。被选中的卡片将直接与读写器进行数据交换，未被选择的卡片处于等待状态，随时准备与卡片读写器进行通信。 AntiCollision 模块（防重叠功能）启动工作时，卡片读写器将得到卡片的序列号 Serial Number。序列号 Serial Number 存储在卡片的 Block 0 中，共有 5 个字节，实际有用的为 4 个字节，另一个字节为序列号 Serial Number 的校验 字节，这在以后章节中详细论述，包括对序列号 Serial Number 的校验方法等。 序列号 Serial Number 中实际有用的 4 个字节，可能为： 007e0a42h 。 3 Select Application 模块： 主要用于卡片的选择。 当卡片与读写器完成了上述的二个步骤，程序员控制的读写器要想对卡片进行读写操 作，必须对卡片进行“ Select” 操作。以使卡片真正地被选中。 被选中的卡片将卡片上存储在 Block 0 中的卡片的容量“ Size” 字节传送给读写器。当读写器收到这一字节后，将明确可以对卡 片进行深一步的操作了。例如，可以进行密码验证等等。 读写器收到的“ Size” 字节可能为： 88h 4 Authentication & Access Control 模块： 认证及存取控制模块 在确认了上述的三个步骤，确认已经选择了一张卡片时，程序员对卡片进行读写操作之前，必须对卡片上已经设置的密码进行认证，如果匹配，则允许进一步的Read/Write 操作。 Mifare 1 卡片上有 16 个扇区，每个扇区都可分别设置各自的密码，互不干涉。因此每个扇区可独立地应用于一个应用场合。整个卡片可以设计成“一 卡通”形式来应用。 三遍认证： 如图所示为三遍认证的令牌原理框图。 （ A） RB (E) （ B） TOKEN AB (C) (D)TOKEN BA 非接触式卡片读写器 Mifare 1 卡片 nts 认证过程是这样进行的： （ A） （ A）（ A）环 ：由 Mifare 1 卡片 向读写器 发送一个随机数据 RB； （ B） （ B）（ B）环 ：由读写器收到 RB 后向 Mifare 1 卡片发送一个令牌数据 TOKEN AB，其中包含了读写器发出的一个随机数据 RA； （ C） （ C）（ C）环 ： Mifare 1 卡片收到 TOKEN AB 后，对 TOKEN AB 的加密的部分进行解 密，并校验第一次由（ A）环中 Mifare 1 卡片 发出去的随机数 RB 是否与（ B）环中接收到的 TOKEN AB 中的 RB 相一致； （ D） （ D） （ D） 环 ： 如果（ C）环校验是正确的，则 Mifare 1 卡片 向读写器 发送令牌 TOKEN BA 给读写器 ； （ E） （ E） （ E）环 ：读写器 收到令牌 TOKEN BA 后，读写器将对令牌 TOKEN BA中的 RB（随机数）进行解密；并校验第一次由（ B）环中读写器发出去的随机数 RA 是否与（ D）环中接收到 的 TOKEN BA 中的 RA 相一致； 如果上述的每一个环都为“真”，都能正确通过验证，则整个的认证过程将成功。读写器将能对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区可以进入下一步的操作（ READ/WRITE 等操作）。 卡片中的其他扇区由于有其各自的密码，因此不能对其进行进一步的操作。如想对其他扇区进行操作，必须完成上述的认证过程。 认证过程中的任何一环出现差错，整个认证将 告失败。必须从新开始。 如果事先不知卡片上的密码，则由于密码的变化可以极其复杂，因此靠猜测密码而想打开卡片上的一个扇区的可能性几乎为零。 这里提醒一下程序员和卡片的使用者，必须牢记卡片中的 16个扇区的每一个密码，否则，遗忘某一扇区的密码，将使该扇区中的数据不能读写。没有任何办法可以挽救这种低级错误。但是，卡片上的其他扇区可以照样使用。 上述的叙述已经可以充分地说明了 Mifare 1 卡片的高度安全性，保密性，及卡片的应用场合多样性，一卡多用（一卡通）。 5 Control & Arithmetic Unit 控制及算术运算单元： 这一单元是整个卡片的控制中心，是卡片的“头脑”。它主要进行对整个卡片的各个单位进行微操作控制，协调卡片的各个步骤；同时它还对各种收 /发的数据进行算术运算处理，递增 /递减处理， CRC 运算处理，等等。是卡片中内建的中央微处理机（ MCU）单元。 6 RAM/ROM 单元： RAM 主要配合控制及算术运算单元，将运算的结果进行暂时存储，如果某些数据需要存储到 EEPROM，则由控制及算术运算单元取出送到 EEPROM 存储器中；如果某些数据需要传送给读写器，则由控制及算术运算单元取 出，经过 RF 射频接口电路的处理，通nts过卡片上的天线传送给卡片读写器。 RAM 中的数据在卡片失掉电源后（卡片离开读写器天线的有效工作范围内）将被清除。 同时， ROM 中还固化了卡片运行所需要的必要的程序指令，由控制及算术运算单元取出去对每个单元进行微指令控制。使卡片能有条不紊地与卡片的读写器进行数据通信。 7 Crypto Unit 数据加密单元： 该单元完成对数据的加密处理及密码保护。加密的算法可以为 DES 标准算法或其他。 8 EEPROM INTERFACE/EEPROM MEMORY EEPROM 存储器及其接口电路： 该单元主要用于存储数据。 EEPROM 中的数据在卡片失掉电源后（卡片离开读写器天线的有效工作范围内）仍将被保持。用户所要存储的数据被存放在该单元中。 Mifare 1 卡片中的这一单元容量为 8196bit(1 Kbyte)。分为 16 个扇区。 Mifare 1 IC 智能 (射频 )卡的物理组成及卡片上天线的研究 在卡片上的微晶片外面一般封装了保护层。保护层可以防止微晶片被折叠，扭曲等众多对卡片实施非正常的物理性损坏。同时也防止微晶片受到紫外线的辐射，使卡片能长久地被使用。 第二章 单片机 A/D、 D/A 转换 2.1 Motorola 单片机发展概况 Motorola 单片机（ MCU）是目前国际上应用最广、销量最大、功能最强的单片机。M68HC05 系列以及它的扩展系列 M68HC08，是 Motorola 单片机最主要的系列，其中，CSIC（用户专用集成电路）是把单片机作为用户专用芯片来生产开发的，它除了 CPU采用 HC05 或 HC08 以外，早期单片机未能集成到单片机内部的外围功能模块，如RAM， ROM， EPROM， OTPROM， EEPROM， A/D， PWM， DTMF，多功能定时器（包括输入捕捉 、输出比较、 RTC、 WDOG）等等，都能集成到单片机内部，再考虑需要的串行口（ SPI， SCI， I2C 和 CAN 总线），引脚数目，封装形式等，目前 HC05单片机种类至少有二百种以上可供用户选择。 Motorola 单片机具有抗干扰能力强、半导体工艺先进、外围电路简单、单片机不受电源波动影响、整机成本低廉、保密性好等特点。因而，很适合应用到国民经济的各个部门（如家电消费类、通信类、汽车电子类、仪器仪表与自动控制类等等）。 Motorola 单片机抗干扰性能强其主要原因为 Motorola 单片机总线上的时序不一样。 Motorola 单片机的时钟频率只有 MCS-51 单片机时钟的三分之一。时钟频率低对降低系统的噪声很有好处，达到电磁兼容测试要求相对容易得多。 Motorola在 1982年就用 HCMOS 工艺代替 NMOS 工艺，它集中了 HMOS和 CMOS的长处，具有价格低、高密度、高速度、功耗低等特点。 Motorola 近年来又推出一种新工艺 LDMOS 出现（ Lateral Diffusion Metal-Oxide Silicon） ，它具有耐高压，能通过nts大电流的能力，可以将功率型输出接口也集成在单片机内部。它可广泛应用到家电和工业控制中。 在降低功耗、提高可靠性方面， Motorola 单片机具有工作电压范宽的特点，一般可在 3V5.5V 范围工作， RAM 保持电压为 2V。工作电压 2.7V、 1.8V 单片机也已经研制成功，到 20 世纪 末工作电压将降到 0.9V。抗噪声、抗干扰也不断出现一些新技术。 2.2 Motorola 单片机应用技术概论 2.2.1 单片机应用系统的构成及基本要求 应用与测控领域的单片机应用系统主要由以下几个部分组成： 现场信号的检测与处理部分，它包括传感器、传感器电子电路（信号放大、滤波、整形、采样保持、 A/D 变换电路等 ），线性化电路等。 现场执行机构的控制及驱动部分，包括 D/A 转换、功率放大及驱动电路等。 单片机基本系统部分，该部分指单片机本身及必需的支持电路，如振荡电路等。 单片机基本系统扩展部分，该部分包括片外 EPROM/EEPROM、 RAM、 I/O 口的扩展、显示器、键盘、打印机等的连接，如图 2.2.1-1 所示。 单片机应用系统的基本要求为：功能满足要求；成本要低； EMC 要好。 2.2.2 Motorola 单片机应用技术介绍 根据单片机应用系统的组成及基本要求 ，在设计单片机应用系统时应着重掌握以下一些应用技术： 单片机系统的共性应用技术； 单片机系统特殊功能应用技术； 单片机系统的典型应用技术； 单片机系统的 EMC 应用技术。 单片机系统的共性应用技术，主要包括信号检测与处理技术、单片机信号输出及驱动技术。 信号检测与处理技术是指对工业现场的各种被测量（包括模拟量、数字量、开关量、脉冲量等）进行数据采集和处理，使之成为与单片机信号相匹配的信息，硬件部分主要包括有传感器及预处理部分。传感部分是整个系统的感官器，是系统中极其重nts要的敏感区 ，它一旦出现故障，系统将成为盲者，就会出现失误，因此，对于各种不同的被测量以及系统的要求，对传感器的选择是不一样的，如何选择传感器是应用系统设计一个关键的部分。信号的预处理部分主要完成对传感信号进行处理、变换，以改善信号的品质，然后变换成单片机能够处理的信号类型，为保证指挥中心（单片机）发出的正确而有效的命令。信号预处理部分是系统中模拟电路的重要组成部分，模拟电路理论上设计并不难，但实际运作时往往要比想象的要复杂的多，因此，它是整个应用系统设计中的难点之一，很多是合计不理想甚至导致失败，其主要 原因大多为模 拟电路部分设计有问题。 另外，系统中传感器往往有非线性，如何应用硬件方法和软件方法进行线性化处理 也是非常重要的，这对提高系统的性能指标有着重要的意义。 单片机信号输出及驱动技术是单片机发出指令并得以实现的重要组成部分，是单片机对控制对象的输出通道接口，这里主要包括如何使用好 D/A，如何选择好功率器件以及执行元件，如何选择好接口和控制技术。掌握好信号输出接口与驱动技术，为高质量完成一个应用系统设计将提供有力的支持。 信号的检测和处理、信号的输出接口和驱动是直接与工业现场相连，它是阻止干扰进入系统的重要渠道，因 此，通常要采用隔离措施。 随着单片机应用的领域不断拓宽和加深，单片机应用技术也得到了飞速的发展，主要包括模糊控制技术、变频控制技术、通信应用技术以及 IC 卡应用技术等。 IC 卡技术近年来发展很快， IC 卡由于具有容量大、安全性强、可靠性高、能脱机操作等特点，其应用领域日益广泛，如 IC 卡电表、收款机、信用卡、电话卡、有线电视预付卡、健康卡、收购卡、车卡、校园卡、借书卡、食堂就餐卡、水电煤气预付卡，应用最广的 IC 卡为带 EEPROM 存储卡。例如 SLE4432 卡是一种带有写保护功能的 256 字节 EEPROM 的存储器卡， SLE4442 是带有写保护功能和可编程密码（ PSC）的 256 字节 EEPROM 的存储器卡。对 IC 卡的接口电路及读写技术类似对 EEPROM芯片的操作。 Motorola 单片机在通信领域中应用也很广泛，如手机、 BB 机等。随着通信技术的飞速发展，无线通信设备的成本不断降低，无线通信越来越体现出其优越性。一般的超高率电台只提供童话功能，它采用了 2FSK 调制方式，通信速率也只能达到1200b/ps，不能实现高速的数据通信。为了实现较低的误码率，接收信号必须有较大的信噪比，因此，对电台发射功率、电波传输途径都提出了较高的要 求。要实现 2400b/ps以上的通信速率，必须采用 FFSK、 MSK 或其他更先进的调制方式。在无线 数传电台中加入单片机，可实现数据的异步 -同步转换、数据的缓冲、实时的纠错编码及解码。 变频控制技术近年来被抄的红红火火，如何用好变频控制技术是广大设计人员的一大难点。脉冲宽度调制法（ Pulse Width Modulator 简称 PWM）被广泛地应用与电力电子技术领域，例如，电机调速、弧焊电源、电动汽车、逆变电源、无功补偿等领域，nts其中以电机变频调速和 UPS 不间断电源中应用最多。变频调速是近年来国内外用语节电和调速的 重要技术。随着工业自动化程度的不断提高和全球能源短缺加剧，变频调速技术越来越广泛地应用在机械、防止、化工、造纸、冶金、食品等各个行业及风机、水泵等设备的节能场合，并取得了明显的经济和社会效益。据统计，我过 65%的能源消耗在交流电动机上，而交流电动机是一种恒负荷设计，一般交流电机实际上并不在满负荷下工作，却要消耗满负荷电能。三相电动机的启动往往需要 5 7 倍的工作电流。因此，采用变频调速技术可以选择最佳调速而节省大量电能。据资料介绍，如将一台 154kW 的变频调速器用于水泵的调速，每小时节电近 60 度，节电率大 68.5%；在锅炉引风机上安装一台变频调速器，节电率也可达 30%，节电效果十分显著。空调器近年来在我过家电行业中年增长率答 27%，也是耗能大户。常规空调器加上变频调速技术至少可节电 20%，称为变频空调。这是变频调速技术在空调器行业应用较广的领域。有人提出一个方案：对占全国总耗电量约 35%的变负荷运行的电气设备推广应用高效 变频调速装置，只要投资 140 亿 元 ，可以形成 年节电 1000 亿千瓦时的能力，从节电效果中三年可收回投资，相当于再建一个三峡电站（三峡水利工程到 2010 年的发电能力为 840 亿千瓦时，至少需投资 950 亿 元）。可见变频调速技术应用于电机调速在我过有巨大的市场。 模糊控制技术近年来在家电电器、工业控制中得到了广泛的应用，模糊控制的核心是输入变量的模糊化，模糊图例规则库以及输出变量的清晰化等三大部分。 一个单片机应用系统的设计成功与否，除了满足各项功能性指标外，还有一项很重要的指标就是 EMC（电磁兼容性）指标，此乃评价一个单片机应用系统能不能可靠地进行工作的重要指标。 以上这些单片机的典型应用技术是单片机应用系统设计的重要组成部分，应用好这些技术需要掌握扎实的基础理论，并且要不断地通过实践加以更新和提高，以获得经验。 2.3 单片机 MC68HC705J2 Mc68Hc05J2 是在 Jl 的基础 L扩大了 J1 的用户存储空间，不但用户 ROM 6大一倍 RAM 也差不多扩大了一倍。另外，用 Mc 68HC705J2 单片机可以仿真 Jl 单片机。J 2 单片机特点如下； (1)112 字节 RAM， 6d 字节深度堆栈；数据 RAM 区与堆栈区共用同 (2)2048 字节程序存储器 ROM； (3)14 个双向 I O 并行端口； (4)15 级多功能定时器； (5)低功耗：作方式： STOP， WAIT， Data Retention； (6)监视定时器系统， (7)多种振荡方式：晶振、陶瓷振荡、外部振荡、无及 c 阻容振荡方式； nts (8)可选择外部中断激活方式以及监视定时器系统有效。 2 4 1 MC68HC05J2 存储器结构 Mc68Hc05J 2 系列的存储器结构如图 3 20 所示。其程序存储器空间可达 2KE。 00H 3FH 单元为控制寄存器区。 90H FFH 单元为 RAM 数据存储区及 64 字节的堆栈区，共 l12 字节。 700H 0EFFH 单元为用户程序存储区 。 0F00H 0FEFH 单元为自检程序存储区；对于 68Hc705J2 系列为自装载程序存储区。 0FF0H 0FFFH 单元为中断向量、复位向量存储区。其中， 0FF0H 单元也用于监视定时器清“ 0”。 J 2 系列末用 0FF0H 0FF7H 空间，用户可以在该空间内存放只读数据。 2 4 2 MC68HC70532 单片机 在实际开发时，我们需要使用 KPROM 型单片机来仿真。 MC68HC705J 2 的程序存储空间为 EPROM 型。 一、片内 EPROM 的编程 使用 研 发器或者专用编程 器可以将用户程序写入到 Mc68HC705J2 芯片中。用户也可以 自己根据技术资料做一个简单的 J2 编程器。 用户亦可以自己编程的 EPROM 单元进行编程操作，这在存储生产序号或少量其他 数据时常常会用到。当然，一旦写上数据就不可再用程序更改厂。 对 EPROM 的编程操作可以通过控制寄存器 PROG 来实现，其地址为 1cH。 Latch 、 EPROM 地址 锁 存位。该位可读可写。一旦该位置“ l”，则单片机为编程自动 锁存住编程的地址与数据信息。要进行编程必须使该位置“ l”，编程完毕后要将该位清“ 0”。 EPGM 一 EPROM 编程开始开关。该位置“ 1”时，将编程电压接通，开始进行编程。清除该位则停止编程。 LATCH 清“ 0”操作会自动完成该位的清“ 0”。 下面是编写 个字节 EPROM 的步骤： (1)改变外围电路，使 l6.5v 编程电压加到 IRQ 引脚上； (2)将 LATCH 位置“ 1”； (3)执行 STA 写操作指令，送数据到对应的 EPROM 单元中去； (4)将 EPGM 位置“ 11，开始编程该单元； (5)延时 4ms； (6)清 LATCH，即完成一个字节的编程。 nts 二、 MC68HC7D5J2 寄存器 MOR 对于 EPROM 系列，其选择是通过寄存器 (MOR)来实现的。 Jl-MC4c68Hc05J1 系列仿真模式选择。由于 Jl 系列无 EPROM， J2 系列单片机就可以通过将该位置“ 1”，使之变成 Jl 系列单片机来使用，无需修改程序。一旦该位置“ 1”，其存储器的结构就变为 Jl 系列的结构。 注意， 5 使用 J2 来仿真 J1 工作时，其振荡方式将没有 RC 阻容振荡方式选择以及 STOP 功能禁止选择。另外， MOR 的地址也变为 700H。 IRQ 外部中断激发方式选择 。该位为“ 1”，下降沿或低电平信号都可激发外部中断；该位清“ 0”时， IRQ 仅能使用下降沿信号激发中断。 COP-监视定时器系统的使用。该位置“ 1”，则允许监视定时器系统的使用；否则就禁止。 第三章 USB 总线接口芯片（ CH371） 3.1 概述 CH371 是一个 USB 总线的通用接口芯片。在本地端， CH371 具有 8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机、 DSP、 MCU 等控制器的系统总线上：在计算机系统中， CH371 的配套软件提供了简洁 易用的操作接口，与本地端的单片机通讯就如同读写硬盘中的文件。 CH371 屏蔽了 USB 通讯中的所有协议，在计算机应用层与本地端控制器之间提供端对端的连接。基于 CH371，不需要了解任何 USB 协议或者固件程序甚至驱动程序，就可穷送地将并口、串口的产品升级到 USB 接口 . nts3.2 特点 屏蔽 USB 协议，在计算机 应 用 层 与本地端 之间 提供端 对 端的 连 接。 两种 通讯 模式 ：单 向 数据 流模式 、 请求加应答模式 ， 支持伪 中断。 自动完成 USB 配 置过程 ， 完全不需要 本地端控制器作 任何处理 。 标准 的 USB V1.1 接口， 即 插即 用， D+引脚内置 上 拉 电 阻 。 内置 4 个端 点 ， 支持 USB 的控制 传 输、 批量传 输、中断 传 输。 通用 Windows 驱动程序 ，提供 设备级 接口和 应 用 层 接口。 通用的本地 8 位数据总线， 4 线控制：读选通、写选通、片选输 入 、中断输出。 占 用 16 个地 址 ，可选 直 接地 址 方 式或者复 用地 址 方 式 。 内置 输 入 输出 缓冲区 ，以中断方 式 通 知 本地端控制器 传 输数据。 内置 硬件 实现 的 I2C 主 接口， 应 用 层 可以 直 接读写 外 挂的 I2C 从设备 。 在 主 控方 式下 可以提供 16 根 输 入信号 线 或者 12 根独立 控制的输出 信号 线 。 内置 上电 复 位，提供 高 电 平 有 效复 位输出和 低 电 平 有 效复 位输出。 内置 可选的 看门 狗 电 路 Watch-Dog， 为 本地端控制器提供 监 控。 可选 多 种 封装 ： DIP28、 SOP28、 DIP24、 CHIP。 底 层 协议 说明 以及 整体 方 案 请 索取相关资料 （ 需 签署技术保密 协议）。 3.3 引脚 nts 3.4 寄存 器 3.4.1. 一 般说明 本手册中的数据，以 B 结尾 的 为 二 进 制数，以 H 结尾 的 为十六进 制数， 否则为十进 制数， 标 注为 x 的位 表示该 位可以是 任 意值 。 3.4.2 只 读 寄存 器 3.4.3. 只 读 寄存 器的位 说明 nts 3.4.4. 只 写 寄存 器 3.4.5. 只 写 寄存 器的位 说明 寄存器名称 位地址 位的使用说明 系统功能设定（ 02H） 位 7 看门狗使能，位 0 则禁用，为 1 则使能 中断数据设定（ 06H） 位 2 0 位 2位 0 为 111B，则数据与数据块上传相同； 位 2位 0 为 000B，则数据位准备好，不上传； 位 2位 0 为 001B110B，是中断特征数据，则上传中断数据设定寄存器，长度 1字节 上传数据长度（ 07H） 位 3位 0 需要上传的数据块长度，有效值是 0 至 8，数值为 15或者 1111B 则指示数据 未准备好 3 5功能说明 3 5 1. 一 般说明 nts与 ISA 总线、 PCI 总线 不 一 样 ， USB 总线 虽然由 硬件 实现 ， 但 USB 通讯协议以及数据 传 输 主要 由 软件 实现 。 尤 其 在计算机端， USB 控制器 非常依赖 于 与 其 配套的 驱动程序 ， 多 数控制 传 输的 交互 过程 是在 驱动程序 的控制 下实现 的。 当然 ，在本地端， CH371 芯片 已经 以硬件 逻辑 实现 了控制 传 输的 整 个 交互 过程 ，简 化 了本地端控制器的 工 作量 。本 章节 中所 指 的本地端控制器是 指 USB 产品 中与 CH371 芯片 相 连 接的单片机、DSP、 MCU 等。 CH371 套件 包括 CH371 芯片 和计算机端的 CH371 通用 驱动程序 。 CH371 芯片以硬件 逻辑而 不 是 额 外 编 写的 固 件 程序实现 了 USB 通讯协议， 驱动程序 则 通 过 软件 向 计算机 应 用 层 提供了 设备级 接口以及 应 用 层 接口。 CH371 套件屏蔽了 USB 通讯中的 相关 协议和 驱动程序 ，在计算机 应 用 层 与本地端控制器 之间 提供端 对 端的 连 接。 除 非 设 计 人员 主 观 需要 ，一 般 情况 下 ， 基于 CH371 套件 设 计 USB 产品不 必考虑 USB通讯协议、 固件 程序 、 驱动程序 、 自动 配 置过程 、 底 层 数据 传 输 过程 。 设 计 人员 所 要 做 的 工 作与 设计 并 口、 串 口的 产品 一 样 ， 包括 两 件 事 ：一是 从 计算机的 应 用 层 发 出数据 传 输 请求并接 收 应答 ；二是 当 USB 产品 的控制器 被 通 知 有数据 传 输 请求 时 ，作出 应答 。 3 5 2 USB 设备 配 置 和数据 传 输 过程 描 述 3 5 2.1. 以 下 是 USB 即插即 用的 自动 配 置过程 ， 由 CH371 芯片和 驱动程序 共 同 完成 带 有 CH371 芯片的 USB 产品插入 到计算机的 USB 插 槽 中； 检测 到 USB 插入 事 件，操作系统有选 择 地 复 位 USB 产品 ； 操作系统读 取 USB 产品 的 设备 描 述 符 ； CH371 芯片 返回 设备 描 述 符 ； 操作系统 根 据 设备 描 述 符 加 载 CH371 驱动程序 ； CH371 驱动程序 读 取 CH371 芯片的 设备 描 述 符 和配 置 描 述 符 ； CH371 芯片 返回 设备 描 述 符 和配 置 描 述 符 ； CH371 驱动程序根 据配 置 描 述 符 请求 操作系统 对 CH371 芯片 进 行 配 置 ； CH371 芯片 被 分 配一个 USB 设备 地 址 ， 并 被 指 定 一个 USB 配 置 ； CH371 芯片 完成自动 配 置 ， CH371 驱动程序向应 用 层 开 放 操作接口。 3 5 2 2. 以 下 是 USB 产品 的 应 用 层 软件与 USB 产品 的控制器 之间 的数据 传 输 过程 USB 产品 的 应 用 层 软件 发 出数据 传 输 请求 ； CH371 驱动程序 将 数据 传 输 请求 通 过 USB 总线 传 递给 CH371 芯片； CH371 芯片 向 USB 产品 的控制器（单片机、 DSP、 MCU） 申 请 中断； USB 产品 的控制器 进 入 中断 程序 ， 从
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