【毕业学位论文】（Word原稿）基于ATmega32单片机的IC卡读写器的研究与应用-软件工程

硕士学位论文 （专业学位） 基于 的 研究与 应用 姓 名：张刚 学 号： 0921170135 所在院系：软件学院 职业类型：工程硕士 专业领域：软件工程 指导教师：杜庆峰 副 指导教师 ： 冯 宝 新 二 一 三 年 六 月 A in 2013 0921170135 of 基于张刚 同济大学 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签 名： 年 月 日 同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘要 在日常生活中占有越来越重要的位置。 是 的一种， 它将中央处理单元 机存储器 及固化在只读存储器 有更好的数据处理能力和更高的安全保障，在 医疗，公共交通，金融，通信等领域得到了广泛的应用。 技术的发展和应用领域的不断扩大客观上要求读卡设备的技术也要随之发展。读卡设备的设计面临着可靠性、兼容性、便携性、低功耗和价格等方面的挑战。 目前市场上的主流 读写器具都选用“通用处理器 +接口芯片”的设计方案，使用处理器读写接口芯片中的控 制和状态寄存器，实现与 信的目的。但是该方案的硬件成本相对较高，可靠性较低。针对上述缺陷，本文通过修改处理器的 口，将全双工通信方式改为半双工通信方式，使其能够直接与 。通过该方法能够有效为系统“瘦身”，节省空间和降低成本的同时提高系统工作的可靠性。 本文在对接触式 的特征以及相关标准进行分析的基础上，明确了读卡设备的设计要求和规范。选择了一款单片机芯片 为读卡设备的处理器，并对芯片的内部结构，内核体系结构以及各相关外设接口进行了深入研究。 本文选择直接使用该芯片的异步 串行接口来对 进行数据访问，设计了相应的开关控制电路和时钟电路，并在此方案基础上完成了电路原理图的设计。为了能够正常完成与 的通信，本文编写了相应的嵌入式程序，能够实现对的初始化、冷复位、热复位和 信等基本功能，符合相关协议和标准的要求。 关键词 ： 写器， 入式软 件 I C a in is a C a of so it to as of of C of of as C C is by of a CU to to C It of of on C A is as PU of of be to C is on is in to C as of IC 硕士学位论文 目录 录 摘要 . I . 录 . 1章 绪论 . 1 究背景 . 1 究现状 . 2 . 2 . 6 能卡的优点 . 7 . 9 第 2章 . 10 本特性 . 10 . 11 断系统 . 13 字通用 I/O 端口 . 15 步定时 /计数器 . 16 用同步和异步串行收发器 . 19 . 20 第 3章 基 于 . 24 能需求分析 . 24 源电压（ . 24 位（ . 24 钟（ . 24 程电压（ . 24 据输入 /输出（ I/O） . 24 统结构 . 26 理图的设计 . 26 . 26 . 26 源电路 . 27 钟电路 . 27 . 28 据通路开关 . 29 . 30 . 31 同济大学 硕士学位论文 基于 C 卡读写器的 研究与应用 4章 基于 . 33 入式软件的设计 . 37 . 37 . 37 位应答的接收 . 38 . 40 . 40 . 41 信流程 . 43 于 程序编译与链接 . 33 介 . 33 件类型 . 34 程管理 . 34 于 调试与仿真 . 45 件概述（开发环境） . 45 . 50 序的调试与仿真（加一节关键代码的考入及功能的介绍） . 55 第 5章 总结与展望 . 57 结 . 57 望 . 57 参考文献 . 59 致谢 . 60 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果 . 61 第 1 章 绪论 1 第 1章 绪论 究背景 人们 在很早以前 就开始使用各种卡片。最 初的时候 ，卡片是作为个人身份识别的手段 被 引入的。其中最常见的 卡片 莫过于名片，它是一张印有持卡人姓名、职务 、 工作 单位、 家庭 地址以及 联系电 话 等个人信息的纸质或其它材料的小卡片。卡片 当作 交易 商品的 凭证 开始 于 19 世纪 80 年代，当时英国的“幸运衣着联合商店”发给 消费者 一种卡式凭证，用于在 指 定的商店购物，每周 进行一次 结算。 1915年，一些美国的商店和饮食业为了招揽顾客 ， 制作 了一种类似金属徽章的“信用筹码”，后来发展成为塑料卡片，作为客户购买商品的 消费凭证。 1950 年，美国商人 计出世界上第一张塑料信用卡。 1951 年，美国富兰克林银行作为金融机构率先发行了 能够进行 金融交易 的信用卡，该卡集商品流通和银行资金结算于一身 。 20 世纪 50 年代中期，出现了冲压成型的凸字塑料卡，这是一种金融交易卡 ( 该卡在 使用 使用时， 可以将卡上的凸字信息即卡片的发行人和客户 的相关信息 打 印到消费单据上。 20 世纪 60 年代中期，人们在 背面贴上磁条，制作成为能够自动读取信息 能够 进行在线处理的磁卡 1。 随着社会的不断进步和科学技术的快速发展，人们期望 出现 新型 的 卡片，以满足不断增长的日常 学习、工作、生活 以及社会发展的需要。法国人 1972 年的时候 第一 次提出了智能 的概念， 智能 就是将可进行编程设置的 片集成于卡片中。 在此之后 ， 法国布尔 (司于 1976 年首先开发出智能卡产品，它 把 微电子技术、计算机技术以及信息安全尤其是密码学技术结合在一起， 从而 提高了人们生活和工作的安全程度。 因为 智能卡具有 很 强的安全性，是 一种能够认证 用户身份 的 良好载体， 所以 自 20 世纪 70 年代 问世以来发展迅速， 在 2006 年 的时候 ，中国 的出货量 达到 16 76 亿张，而 出货总价 更是达到了 74 26 亿元。 根据统计 ，由于2008 年奥运会的举行、国家 信息产业部金卡工程对第二代身份证发放 以及 银行卡 移 等因素，到 2008 年中国 出货量增长到 41 83 亿张，比 2006年增长 2。 自从 1977 年， 它的一个计算机客户 共同研究 开发了世界上第一张用于实际应用 的 智能 以来，智能 的 使 用 和推广 得到了很大的发展，智能 技术也 随着时间的推移发生了日新月异的变化。而后，他们 又 在 1978 年 的时候成功的 研制出了单晶片存储 。 在 1979 年， 世界上第一片专为智能卡所设计的单片机芯片 产生了。 进入 20 世纪 90 年代，智能 在通信、医疗、金融、交通等多领域开始逐步发展 3。目前，智能 已经广同济大学 硕士学位论文 基于 C 卡读写器的 研究与应用 2 泛应用于多个领域中，并且飞速发展 4。 我国 目前正 处于 智能卡使用的起步阶段，大多采用引进国外的 技术成果。二十世纪九十年代初， 产业在中国伴随着中国政府 “金卡工程” 的启动 而 开始 发展起来的， 到现在 已 经 有 二 十多年的历史。在这短暂的 二 十多年里，中国的 产业及应用 以惊人的速度发展着，它 从无到有，从小到大，迅速走过了启动阶段， 尤其 是近几年来，年发卡量均超亿张，中国 已成为世界 应用发展最快的国家 ，到目前为止，已经 超过十个政府部门和行业推广应用了 5。 智能 的名称 起 源于英文名词“ “ 它 拥有很多的 中文名称， 例如 “聪明卡”、“智慧卡”、“智能卡”、“ ”以及“智能卡”等；本论文则统称为“智能 ”。智能 是一种把包含有存储、加密及数据处理能力于一体的集成电路芯片镶嵌在塑料基片中的卡片。具体地说：它是将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，按一定的尺寸封装成卡片的形式， 通常来说，他的尺寸是 ：长 816 标准 )。智能 具有暂时性或 永久性的数据存储能力，其内容根据需要可以有条件的供外部读写或供内部信息处理判定之用。 由于智能 有智能性， 所以成为了 现代信息的处理和交换 的 一种全新手段。 1987 年，国际标准化组织 智能 制定了国际标准 (l、 2、3、 4、 5、 6)。这些标准的制定，为智能 在世界范围内的推广和应用奠定了基础 6。 究 现状 智能卡的概念是 70 年代问世以来， 在接下来的几十年中，除了法国的 世界范围内的很多家企业对智能 开始关注、进而投资进行研发和生产，这其中包括有 多家公司，智能 的开发作为一个新兴技术产业在世界范围内慢慢受到了更多的关注。随着企业不断的投资，加快技术的提升，应用 在智能卡芯片的研制方面， 从而大大提高了芯片的处理能力 ，目前 智能卡 已 经可以应用于在很多复杂 的 方面 。 8展到了 32储容量由 8k 到 1如今 已经出现了使用 储的过 1超大容量卡，另外芯片在协处理方面已出现 32协处理器 ，他可以应 用于各种2n解密运算。 智能卡操作系统主要有 两种分别是 开放式系统和私有操作系统。开放式系统第 1 章 绪论 3 国外较有代表性的包括：由 司提出，以 首的八家厂商共同推出的 要应用于金融领域； 司基于 作系统提出的微软智能卡视窗 (概念，在这个平台基础上进行 开发，可以简单使用 为开发工具； 司基于 特点提出了一套应用于智能卡的框架，将 拟机移植到智能卡芯片中 ，并且定义了 概念 。目前国际上超过 90的芯片厂家都购买了 权，推出支持 产品， 在逐 步变为未来行业内的一种事实标准。开放式系统能够将研发人员集中精力开发上层应用，避免了对底层的繁琐， 但一般开放式系统建立在高端芯片 (如 16 位或更高的处理器 )的基础之上，要求 芯片 有着较高 的处理器速度、存储空间 大、在其他方面也 都有很高的要求，目前支 持这些方案的智能卡芯片都价格高昂，并且开放式系统需要版权费用。这些方面，高昂的软硬件成本制约了智能卡应用的发展。 最近几年，开放式操作系统平台取得了重大发展，这大大方便了智能卡的应用开发和一卡多用的实现，并且允许动态地装载、更新或删除卡片应用。 拟机 (基础，支持多应用动态下载。 能卡具有平台无关、高安全性、高可靠性、一卡多用的特点，适于开发特定场合、突出个人身份验证、并在用卡交易过程中确保持卡人和证件一致性的应用。 微软智能卡视窗 (微软 在电子商务、网络安全有广阔前景。 一个多应用 片有效生命周期内允许动态地装载、更新或删除卡片应用。另外，它本身固有的安全性和方便性，使其成为目前公认的网络安全用户端解决方案。利用智能卡可以较方便通过数据加密及通过 行身份验证，保证在线安全支付。智能卡应用系统进入我国的时间较晚， 1993 年 9 月国家金卡工程正式启动。金卡工程的主要任务是推行电子货币，实现支付手段的革命性变化，为个人和企业提供方便、快捷、安全的支付手段，促进市场繁荣 、经济发展、也进一步促进其它行业管理现代化，加速国民经济信息化进程。 由于开放式系统 发的软硬件成本较高， 目前在国内广泛流行的是私有操作系统，指使用自然语言编写的 前主要是 C 语言，它对硬件的要求较低，不需要版权费用， 是目前国内厂家普遍采用的方式。 由于我国的智能卡产业起步较晚，整体水平不高，对智能卡的需求也处于一个比较低的层次上，技术水平相比 发达国家 还 存在 较大的差距。目前我国已有 北京握奇数据、大唐微电子、华大电子、东信和平等 30 多个 公司、企业 从事智能卡的研究和开发生产工作。在智能卡操作系统开发 领域，华同方的 。作为首批启动的国家信息化重大工程，我同济大学 硕士学位论文 基于 C 卡读写器的 研究与应用 4 国需要广大智能卡科研学者的努力 来普及和推广智能卡系统的应用 。 伴随 着半导体技术的发展和社会对信息安全性等日益提高的要求 智能卡 应运而生， 它被公认为是世界上的最小个人计算机，其内部 包含 了 集成电路芯片具有微处理器及 大容量存储器，具有存储、加密及数据处理能力 。 最初 仅仅被使用在了通信领域， 而今， 随着科技发展 被广泛地应用于医疗 卫生 、 金融 保险、政府行政 办公、金融财务、旅游交通、校园一卡通、 商品 零售业 、休 闲娱乐 业 等其它领域。 随着 技术的发展，以及 在世界范围内的各行各业的应用，国内的 市场也正在逐步成长。 目前我国已经开始深入进行金卡工程建设，并在许多领域得到了推广， 例 如， 智能 的应用已经涉及到了 国内的银行，社保，税务，建筑 等多个行业和部门 。经过 二 十几年的发展，代表卡基数据媒介主流技术的 已 广泛应用在诸多领域这其中包括金融、电信、社会保障、税务、公安、交通、建设及公用事业等行业和部门 ， 并且 取得了较好的社会效益和经济效益 7。 自 80 年代中期以来，人们不断地在市场上推出非接触式 ，由 于当时工作频率普遍在 135下并且所用的硅片功率很高，因此需要高达几百匝的应答器线圈， 传统的 读写器多数是采用 口进行通信的，其硬件的实现比较简单，但对通信速率要求比较高，传输速度比较慢，且需要外部电源对其进行供电 8， 实现起来是比较困难的。于是， 市场还没有成为想象中的 域佼佼者， 并没有 对 场的 展示出显著地 拉动作用，这方面限制了大型 司对 研究经费的投入。从另一方面也暗示着我国 市场 仍然会 有很 广阔的发展空间。 随着政府加大管理和支持、研发技术不断提高 ， 市 场得到了前所未有的发展，同时 企业之间的竞争也日益加大。由于 国外企业掌握着 核心模块、高端芯片、金融 等核心技术和先进设备，造成 一些细分市场 被国外品牌相对垄断。近年来，由于政府 项目的启动和整个通信市场的逐渐开放，同时伴随着国内企业 自身 技术实力的增强和工艺技术水平的提高很大程度上限制了国外 企业所占的市场份额，国内 企业将有一个良好、快速的发展空间。从电信市场发展起来的智能卡业务来看，凭借雄厚的资金和技术实力将继续扩大在金融、社会保障和校园管理等领域的业务，国内各大企业可以直接和国外企业 进行竞争。 我国 必定会由无序走向有序的市场格局发展 ，市场竞争必将由有限走向无限， 随着 市场 逐 步的 成熟， 利润也会不断下降逐步 进入微利时代。在这种形势下， 产业与市场的发展水平就不能 单纯的发卡量和新产品的数量 来 衡量，市场发展的程度最终取决于 的应用水平及其带来的社会效益。从可持续发展角度讲， 越来越完善的 行业规范， 会 推动 企业由产第 1 章 绪论 5 品和技术型转向应用和服务型， 这 将成为我国 市场发展的 必然 趋势。 由于 具有巨大的技术、应用优势，我国政府已认识到发展 产业对加速我国国民经济信息化的重大作 用。目前，大多数行业与国外相关公司有基于引进制卡、读卡设备及应用先进技术的合作协议，并成立了有关实体，加速了我国 的应用 9。 智能卡 在中国拥有 巨大 的 潜在市场 ， 随着我国核心芯片生产能力的不断增强，以及有关 的标准和技术规范的进一步制定实施，“ 十一五” 期间， 在各领域的应用普及将会更加广泛。这些应用包括：金融 电子钱包、电子存折；城市交通卡；组织机构 代码证的全面推广；身份识别 ；社会医疗保险、养老领域；税收征管方面；公用事业收费 等。其中，身份识别 将成为 应用的 最大市场。 与之同时， 应用配套产业将有很广阔的前景： ( 1) 以应用促产业。 我国的信息化建设必须立足于民族电子信息产业发展的基础上，第二代身份证极大程度上带动了 产业的发展，第一代身份证自 80 年代发行至今已发行10 亿余张，因而第二代身份证会成为国际上数量最多的 卡 。 ( 2) 促进配套产业的发展。 与金卡工程配套的 产业，包括 读写机具、卡基与卡片、 模块、 芯片设计与制造、 与 以及相关安全产品、相关的芯片操作系统、相关软件应用系统集成的发展将成为电子信息产业 的一个新的经济增长点。 ( 3) 努力探索跨行业部门的多领域应用。 跨行业应用是智能卡在国际中发展的新潮流，例如：新加坡电子钱包 用于停车场收费、学校、公路收费、网上交易以及图书馆等；跨国使用的电子钱包一基于威士通用电子钱包已在西班牙、荷兰、比利时等国家试点应用，实现了电子钱包的支付功能和网上认证 10。 我国银行智能卡与行业卡的结合实现了“一卡多用”（以支付为基础），如社保卡、交通卡、加油卡、校园卡等，大大拓展了 的应用领域。该方向必将成为我国智能卡的最新发展趋势，智能卡的快速发展 以及广阔的市场空间，必然会从支付手段上对我国电子商务行业的发展有着完善和推动作用，符合我国“十一五”规划对电子商务建设的要求，当然也会对我国的经济发展带来较大的推进作用 。 随着金融行业的进一步发展， 能卡正在并已融入当今信息技术的主流，能卡的适用领域越来越广泛。金融 能与多种行业应用相结合，金融 接触式支付方式，带来了新型的支付方式，如 同济大学 硕士学位论文 基于 C 卡读写器的 研究与应用 6 的互联网支付、手机移动支付、数字电视支付等 11。传统 读写器仅作为数据交互的桥梁，扩展应用较为不便，不能独立完成在金融领 域的应用。作为中国金融业改革的一部分，随着智能卡的兴起，读卡终端需做出更大的改变 。 目前，一般读写器仅支持接触式接口或非接触式接口中的一个，这无形中增加了读卡器的成本，同时读卡器的核心部件读卡器芯片的控制权掌握在国外公司手中，整个读卡器市场中利润的最大一块也被国外公司如 芯片厂商拿走。然而，近年来在政府的带动下， 技术研究及产品开发方面，国内己具备自主开发微波、低频、高频电子标签与读写器的系统集成能力及技术能力。目前国产核心芯片，电子标签芯片也出现了与国外巨头公司争夺市场的趋势 12。 智能卡是由一个或多个集成电路芯片组成，并封装成便于人们携带的卡片，在集成电路中具有微电脑 存储器，智能卡具有暂时或永久的数据存储能力，其内容可供外部读取或供内部处理和判断，同时还具备逻辑处理功能，用于识别和响应芯片本身判定路线和指令执行和外部提供的信息的逻辑功能，目前涉及到的计算机技术、信息安全技术和微电子技术等，已成为一种成熟的高技术产品，智能卡提高了人们工作和生活的现代化程度，已成为一个国家科技发展水平的标志之一。这种既具有智能性又便于携带的卡片，为现代信息处理、传递 提供了一种全新的手段，一开始就引起了人们的重视，有关厂商为这项技术的完善做了大量的工作。为了进一步促进智能卡在国际上的使用和推广，国际标准化组织于 1987 年为智能卡制定了相应的国际标准，其中对接触型智能卡的结构尺寸、通讯协议及物理特性作了详细规定 。 芯片具有写入和存储数据的能力。随着计算机技术、超大规模集成电路技术和信息安全技术等的发展，智能卡技术也更为成熟，并获得了更为广泛的应用，智能卡的分类也因此变得复杂。根据分类标准不同，智能卡具有不同的分类方式。智能卡一般分类的标准具有结构体系、数据获取方式、 使用方法及行业应用等方式进行划分 ： 1） 按智能卡的结构划分，可分为：存储卡 ( ( )。存储卡 (定义是由一个或多个集成电路芯片组成，并封装成便于人们携带的卡片，具有记忆存储功能，但不带 储卡按使用方法分为：接触式存储卡和非接触式存储卡两种。 是由一个或多个集成电路芯片组成，并封装成便于人们携带的卡片，在集成电路中具有存储器和 能卡具有暂时或永久的数据存储能力，其内容可供外部读取或供内部处理和判断之用，同时 还具有逻辑处理功能，用于识别和响应外部提供的信息和芯片本身判定路线和指令执行的逻辑功能。我们目前使用的典型代表如：二代身份证和第 1 章 绪论 7 ； 2） 智能卡按卡片数据的读写方式分为：接触式智能卡、非接触式卡、双界面卡。接触式由读写设备的触点和卡片上的触点相接触，进行数据读写；国际标准 列对此类 进行了规定；接触式卡片应用的典型是手机中的 接触式卡，则与读写设备无电路接触，由非接触式的读写技术进行读写 (例如，光或无线电技术 )；其内嵌芯片除了存储单元；控制逻辑外，增加了射频收发电路。这类卡一 般用在存取频繁，可靠性要求特别高的场合，国际标准 C 卡的有关规定。非接触式智能卡典型代表如目前广泛使用的公交卡、校园卡、各种 子标签等 。 双界面卡主要是针对目前的接触式和非接触式智能卡在获取数据方面均有各种缺憾而产生的，双界面结合了两者的优势，更为准确的应该叫双接口卡 (因为实际上它在一张卡片上同时提供了两种与外界接口的方式：接触式和非接触式。双界面卡的外形与接触式 相象，表面符合国际标准的金属触点。内部结构则与非接触式 相似，有天线和芯片的模块。在双界面卡的具体实现上，有三种结构类型：（ 1）把接触式智能卡芯片和非接触式逻辑加密芯片加上天线封装在一张卡中，构成一张双界面卡。接触式和非接触式系统的运行分别由两个独立的芯片控制，卡内有两个独立的 储器，两套系统互相独立，这实际上是将两块芯片封装在一张卡上。（ 2）由一个芯片和天线构成，它具有非接触式逻辑加密卡功能、接触式 的功能，两个系统共用储器。（ 3）由一个芯片和天线构成，共用芯片内的 储器、微处理器、 资源，控制接 触式与非接触式系统的运行 。 3） 按使用方法可以分为：接触式 和非接触式 两种。相比于其它类型的 ，接触式 具有存储容量大、保密性强、成本低廉、抗电磁干扰能力强、网络要求低、易携带和