基于AVR单片机的食堂IC卡售饭机系统硬件设计.docx

西安工业大学北方信息工程学院本科毕业设计(论文)题目：基于AVR单片机的食堂IC卡售饭机系统硬件设计系 别： 电子信息系 专 业： 通信工程 班 级： B090310 学 生： 李 云 辉 学 号： B09031012 指导教师： 杜 岳 涛 2013年06月毕业设计（论文）任务书系别 电子信息系 专业 通信工程 班级 B090310 姓名 李云辉 学号 B09031012 1.毕业设计（论文）题目： 基于AVR单片机的食堂IC卡售饭机系统软件设计 2.题目背景和意义： 随着超大规模集成电路、大容量存储芯片以及信息安全技术的发展，IC卡技术不断发展，应用领域也不断扩大，目前IC卡技术已应用到医疗卫生、保险、金融、交通、电信、国防等各个领域。IC卡的应用提高了人们生活和工作的现代化程度， 已成为一个国家科技发展水平现代化程度的标志之一。 3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）：本课题主要内容在如何使用AVR单片机实现食堂IC卡售饭机系统。食堂IC卡售饭机应能根据其就餐、充值、初始化、修复等实际使用环境，具备不同的功能特点，以适用于不同阶段的数据处理。根据其功能特点，售饭机系统需要完成数据的输入、显示、处理，主要设计包括为IC卡部分设计，键盘部分设计、显示单元设计，本课题主要完成其软件部分设计。技术指标：(1) 系统能区分就餐、充值、初始化、修复四个阶段并对不同阶段执行不同处理；(2) 对所涉及的金额能实时显示，且在就餐阶段分前、后两个屏显示；(3) 系统能检测卡是否为非法卡并报警；(4) 系统能自动检测余额是否过低，若过低则报警；(5) 系统界面友好，使用方便。 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：地点：校内 第1-4周：查找课题相关文献资料，对所做课题有一个总体把握，撰写开题报告准备开题答辩；第5-7周：学习AVR单片机开发环境、开发流程并设计系统的总体流程；第8-12周：学习ICCAVR开发系统，并完成各部分程序的设计；第13-16周：对整个设计进行联合调试、修改和完善，并撰写毕业论文；第17周：修改论文准备答辩。 5.毕业设计（论文）的工作量要求 无特别要求 实验（时数）*或实习（天数）：400学时 图纸（幅面和张数）*：无特别要求 其他要求：外文翻译一篇约5000字，撰写毕业设计论文1.5-2.0万字 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系（教研室）主任审批： 年 月 日说明：1本表一式二份，一份由学生装订入附件册，一份教师自留。2 带*项可根据学科特点选填。基于AVR单片机的食堂IC卡售饭机系统硬件设计摘 要食堂售饭机是专为食堂售饭而开发的智能终端，采用双CPU结构，它克服了以往的使用菜票的诸多缺点，方便就餐人员用IC卡与食堂结算。用餐者到食堂吃饭前，先交一定数额现金作为预买饭菜票，由食堂管理部门把姓名、编号、金额等写入使用者卡中，使用者到食堂用餐时，只需将IC卡插入各窗口的自动售饭机，即可在售饭机面对售饭员和就餐者两面双屏显示出你卡中金额，可由售饭员输入你所选菜号或金额。售饭机自动用卡中金额减去应付金额，随即显示本次售饭应付金额及卡中余额。整个售饭过程，就餐人员和售饭员互相监督，如不正确，可以马上改正。当卡内钱数用到规定最低限额时，读卡机会在屏幕上显示并发出蜂鸣声，提醒使用者该到指定地点追加卡内金额，以恢复IC卡的使用。IC卡售饭机可单机独立操作，不需联网，节省了联网费用。工作人员每天汇总金额时，只需把采集卡插入售饭机中，售饭机就能把收款金额写入采集卡中。本文叙述了传统的食堂售饭系统的不足，介绍了以IC卡为媒介的单片机售饭系统。从硬件设计制作到软件设计编写完成了整个系统的设计和制作。系统以AVR单片机为控制核心。经过整体测试，该系统安全、准确、稳定可靠。关键词：售饭系统；IC卡；AVR单片机；ZLG7290IHardware Design of Canteen IC Card Meal Sale Machine System Based on AVR Single-chip MicrocomputerAbstractThe canteen meal sale machine is an intelligent terminal developed for meal selling of the canteen with a double CPU structure. It overcomes many shortcomings of the use of meal tickets and provides convenience for repast personnel to settle accounts with an IC card. Before the repast personnel have meals in the canteen, they need to pay a certain amount of cash as the pre-buy meal tickets. The canteen management department will write the name, number, amount into the users card. When the user wants to eat in the canteen, he just needs to insert his IC card into the canteen meal sale machine. Both sides of the machine facing the canteen workers and the repast personnel will show the amount of the card. The amount is input by the Canteen workers. The canteen meal sale machine will minus the amount which should be paid automatically and show the remaining sum in the card immediately. In the whole process of meal selling, the repast personnel and the canteen workers can supervise each other and correct the amount if there is a error. If the money in the card is beyond the specified minimum amount, the machine will beep to remind the user to add the amount in the card in the designated locations so that the IC card can be used again. The IC card canteen meal sale machine can work independently and doesnt have to link the Internet which can save the cost of linking the Internet. The staff just needs to insert the acquisition card into the meal sale machine when summarizing the total amount. The machine will write the amount collected into the acquisition card. This paper gives an account of the shortcomings of the traditional canteen meal sale machine and introduces the single-chip microcomputer meal sale system which has IC cards as the medium. The whole system is designed and made from the hardware design to the software design. The system is controlled by AVR single-chip microcomputer. Through the overall test, the system is proved to be safe, accurate stable and reliable. Key Words：Dining Hall Machine；IC Card；AVR Microcontroller；ZLG7290目 录1 绪论11.1课题研究背景11.2国内外研究现状21.3本课题主要研究内容21.4本课题研究的重点及难点31.5系统功能说明32 设备选型52.1单片机选型52.1.1 AVR单片机简介52.1.2 AT90s8535单片机特点52.2 IC卡选型62.2.1智能IC卡的简介62.2.2根据IC卡的读写特点分类82.2.3根据IC卡的内部结构分类82.3键盘选型92.3.1独立型按键92.3.2矩阵扫描键盘102.3.3 PS/2接口键盘102.4显示器选型113 硬件设计123.1 IC卡接口设计123.1.1 SLE4442 IC卡的引脚配置133.1.2 SLE4442的内部结构及存储器编址143.1.3 SLE4442的数据传输协议143.1.4 SLE4442的指令163.2键盘、显示部分电路设计203.2.1 ZLG7290芯片特点213.2.2键盘编码223.2.3键盘功能定义223.3蜂鸣报警器接口设计233.4电源电路设计243.5 IC卡上电检测电路设计244 系统调试265 结论与展望27参考文献28致谢29毕业设计（论文）知识产权声明30毕业设计（论文）独创性声明31附录1 系统总原理图32附录2 PCB板子图3341 绪论1 绪论1.1 课题研究背景随着科技的飞速发展，目前信息产业得到了比以往更大的发展空间，各种各类的信息产品正不断的改变着人们的生活。在信息飞速前进的今天，数据采集与获取作为信息处理的第一步成为了众多专业人士的关注方向，如何改变数据输入现有的方式，提高数据获取的可靠性，提高数据采集的精度与速度，降低工作人员的劳动强度，提高工作效率等，成为了亟待解决的问题，在这种背景下就急需一种自动识别技术。自动识别技术指的是应用一定的识别装置，通过被识别物品与识别装置之间的接近活动，能够自动获取被识别物品的相关信息，并提供给后台计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。经过了几十年时间的技术革新与发展，自动识别技术已初步形成了一个包括磁条磁卡技术、条码技术、光学字符识别技术、IC卡技术、声音识别及视觉识别技术、射频技术等集计算机、磁、光、机电、物理、通讯技术为一体的高科技技术科学。它是当今社会实现信息数据的自动识读、自动输入后台计算机从而进行数据处理的重要方法，已经广泛应用于社会的各个领域。食堂售饭结算管理系统，是一套以智能卡作为前端信息介质，实现无现金、无代用券进行钱款结算的消费管理系统。售饭机取代了传统的现金消费方式，使用目前先进的MIFAREI型非接触式IC卡消费方式。非接触式IC卡具有安全、稳定、携带方便等优点。用户在食堂、餐厅用餐消费时只需要在POS机感应区有效距离内刷卡，POS机认可后便可完成消费；无须现金交易，避免找零钱带来的不方便和现金交易交叉感染卫生问题，既方便用户消费，又方便管理人员统计和管理消费情况，实现消费数据的采集统计和信息过程自动化。智能IC卡食堂售饭管理采用感式IC卡收费系统，系统完全实时采集入账或脱机运行，可以改善食堂环境、提高售饭效率、减少人为误差，同时避免假卡、假票据造成的经济损失。系统内部无票据流通，电子化结算，无形中减少了管理漏洞。系统管理软件在WINDOWS2000/WINDOWS XP环境下，采用大型数据库SQL2000个人版，具有良好的人机界面，易学易用。归结起来，“感应式IC卡”食堂收费系统方案就实现用电子手段把往常繁琐，海量的有形消费数据转化成能存放在一块小晶体片中的电子信息，再利用电脑的高速运算，软件的灵活控制，网络通讯的便利对电子消费信息进行快速可靠地处西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）理和监控，从而把食堂收费管理在简化过程，强化管理，杜绝贪污作假和节省资源各方面从传统的水平提高到全新的档次1。1.2 国内外研究现状IC卡是集成电路卡（Integrated CircuitCard）的英文简称，在有些国家也称之为智能卡、智慧卡、微芯片卡等。将一个专用的集成电路芯片镶嵌于符合ISO7816标准的PVC（或ABS等）塑料基片中，封装成外形与磁卡类似的卡片形式，即制成一张IC卡。当然也可以封装成纽扣、钥匙、饰物等特殊形状。1993年，以电子货币应用为重点的“金卡工程”在我国正式启动。IC卡这种诞生于20世纪70年代的具有智能性及便于携带的卡片迅速在我国普及、发展，为我国电子信息产业开辟了广阔的市场，引发了许多经济增长点。IC卡系统的应用出人意料的在我国有金融业迅速扩展到诸多领域。与IC卡的发源地欧洲国家相比，我国IC卡应用领域还远不够广泛，应用深度也远不及发达国家，但我国IC卡应用领域及深度的发展迅速。随着国家对智能卡行业的支持和智能卡行业的迅速发展和逐步成熟，国内IC卡的生产和应用呈现突飞猛进的发展势头。现在IC卡已广泛应用于金融、电信、交通、商贸、旅游、社会保障、银行账户管理以及公共事业收费管理等领域。由于 IC卡已经向射频识别(RFID)领域发展，RFID 应用示范工程建设正在稳步进行，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。所以对我们的对 IC卡读卡器的安全性、保密性、智能性、提出了更高的要求，未来的IC卡读卡器将会向便携式，无线式的方向发展。第一代，IC卡的最初设想是由日本人提出来的，1969年12月，日本的有村国孝（KunitakaArimura）提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并1970年获得专利，那时叫ID卡（IdentificationCard）。第二代IC卡在1974年法国的罗兰莫雷诺（RolandMoreno）发明了带集成电路芯片的塑料卡片，并取得了专利权，这就是早期的IC卡。第三代是，1976年法国布尔（Bull）公司研制出世界第一枚IC卡。第四代，1984年，法国的PTT（Posts,Telegraphs andTelephones）将IC卡用于电话卡，由于IC卡良好的安全性和可靠性，获得了意想不到的成功。随后，国际标准化组织（ISO,International StandardizationOrganization）与国际电工委员会的联合技术委员会为之制订了一系列的国际标准、规范，极大地推动了IC卡的研究和发展。1.3 本课题主要研究内容本设计采用高性能低功耗的AVR单片机AT90s8535作为控制智能卡的核心，SLE4442卡作为控制系统中的核心部件，搭配以矩阵键盘和液晶显示屏，按照所设计确定的系统结构，再选择其他合适的功能部件，连接完成完整的控制电路，以实现食堂管理系统中的刷卡消费功能。总的来说，控制系统主要由SLE4442卡单元、键盘单元和显示单元三部分组成。 使用单片机AVR单片机AT90s8535作为电路主要芯片；读写器在发行、增款及查询时，用于对IC卡进行读写操作。使用数码管显示数值、款数、余额、数字键盘进行数据输入，用单片机进行软件设计。系统框图如图1.1所示。图1.1 系统框图1.4 本课题研究的重点及难点a. 掌握AT90s8535单片机各个引脚功能和主要结构以及它的使用方法。b. 认真分析研究对象，主要掌握并学会运用SLE4442卡的读写功能。c. 根据实际情况，对SLE4442卡中的内容进行修改，便于实现充值管理。d. 研究其显示功能，并使系统具有自动警告并在液晶显示器上显示相关信息的能力。e. 熟悉AT90s8535的硬件及外围电路，学习并掌握语言程序编写方法。f. 对SLE4442卡系统进行硬件电路设计，用相关软件画出电路图，模拟仿真。g. 做出实物，实践、安装，进行调试，完成毕业设计论文。1.5 系统功能说明随着计算机技术的不断发展,将计算机技术用于食堂餐饮业管理成为可能。IC卡食堂售饭机的使用，将一改食堂传统的手工管理的状况，使食堂走上现代化、高效化的道路。IC卡食堂售饭机适用于就餐人数密集的食堂微机收费系统，从根本上解决了餐券流通过程中的伪造、丢失、病菌交叉感染等一系列弊端，节约了食堂管理过程中的大量人力、财力。作为一种高科技产品IC卡食堂售饭机采用先进的单片机技术与大规模集成电路技术及IC卡技术相结合具有技术先进、功能丰富、使用安全可靠、操作简单灵活、外型美观大方、安装方便等优点。食堂IC卡售饭机作为食堂收费终端，根据实际使用环境，应具有如下功能特点，以适用不同阶段的数据处理。本食堂管理系统所要完成的功能如下： a. 就餐阶段 就餐阶段即正常使用阶段。在IC卡插入售饭机后，系统能读出IC卡里面预先存储的金额，并能在面对就餐者和售饭员两方面双屏进行显示。售饭员利用键盘输入就餐者选定的食物的金额，售饭机自动用卡中的金额减去应付金额，操作完成后屏幕显示应付金额以及卡中的余额。 如果就餐者卡中的余额小于预先设定的金额，售饭机则给出报警音，提示就餐卡余额不足需要进行充值。食堂售饭窗口不具备为卡充值的功能，就餐者必须到指定的地方进行充值。如果就餐卡出现故障，售饭机给出报警音，提示就餐者需要修卡，食堂售饭窗口不具备对卡进行修复的功能，就餐者必须到指定的地方修复。如果修复失败，就餐者只有到充值窗口重新办理就餐卡。b. 充值阶段 在充值阶段，IC卡售饭机读出卡里面的余额，就餐者在充值窗口交纳一定的金额后，由工作人员通过键盘输入次此充值金额，售饭机自动将此次充值金额加入卡中。操作完成后，屏幕显示充值后卡中的余额。c. 初始化阶段 初始化阶段是为卡的发行做准备。在此阶段，工作人员通过键盘进行就餐卡的初始化工作。此阶段的主要任务是写入用户群号和初始金额。只有经过初始化之后，就餐卡方能发行。 d. 修复阶段 此阶段对损坏的就餐卡进行修复。如果修复失败，售饭机给出报警声，就餐者只有重新办理就餐卡2。2 设备选型2 设备选型2.1 单片机选型2.1.1 AVR单片机简介AVR单片机及是一款基于RISC指令的8位单片机。RISC(Reduced Instruction Set computer， 精简指令集计算机)是20世纪90年代开发出来的，综合了半导体集成技术和软件技术性能的新型微处理器架构。RISC相对于CISC(Complex Indtruction set Computer，复杂指令集计算机)而言的。RISC通过优选使用频率最高的简单指令避免复杂指令采用固定指令长度减少指令格式和寻址方式等方法来缩短指令周期，挺高处理器的运算速度。采用这种RSIC结构，使得AVR系列的单片机具备1MIPS/MHz的高速处理能力。AVR单片机的快速存取寄存器文件由32个通用寄存器组成。这32个通用寄存器全部直接与运算逻辑单元(ALU)相连，每一个寄存区都可以代替累加器工作。这使得处理器可以在执行当前指令时取出要执行的下一条指令，从而避免了传统的累加器结构造成的累加器和存储器之间的数据传输瓶颈效应，挺高了系统性能。在传统的CISC结构中，单片机外部震荡的时钟被分频降低到内部执行周期。AVR单片机没有对外部时钟分频，它用一个时钟周期来执行一条指令。AVR单片机采用哈佛总线结构，程序存储器和数据存储器是分开的。微处理器直接访问全部程序存储器和数据存储器。Atmel公司将高密度、非易失性性存储器技术运用在了AVR单片机上面，使得AVR单片机都具有ISP(In Systern Programming，系统内编程)的功能。即使在程序运行时，也可以对系统进行重新编程。Atmel公司在AVR高端产品ATmega系列的部分单片机中还集成了在线调试单元，通过JTAG即可实习在线调试和程序下载功能。这使得AVR单片机成为一种能满足多种需求的高灵活性和低成本的高速微处理器。AVR单片机除了支持汇编语言编程外，还支持C和Basic等高等语言编程。采用高级语言对系统进行开发，是单片机应用发展的一个趋势。采用高级语言编程能有效的进行系统的开发和程序的移植3。2.1.2 AT90s8535单片机特点5西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）AT90s8535单片机是AT90系列AVR单片机中内部接口丰富功能齐全性价比较高的产品。它具有如下特点：a. AVR RISC结构(1) AVR高性能低功耗RISC结构(2) 118条指令构成的精简指令集，大多数为单指令周期(3) 32个8位通用寄存器(4) 工作在8MHz时具有8MIPS的性能b. 数据和非易失性程序存储器(1) 8KB的在线可编程FLASH存储器，可擦写1000次以上(2) 512B的SRAM(3) 512B的在线可编程EEPROM, 可擦写100000次(4) 程序加密位c. 外围器件特点(1) 两个可预分频的8位定时器计数器(T/C0、T/C2)，其中T/C2具有输出比较和PWM功能(2) 一个可预分频16位定时据暑期(T/C1)，T/C1具有输入捕获、输出比较和PWM功能(3) 片内模拟比较器(4) 可编程的看门狗定时器(5) 8通道10位ADC(6) 2通道10位和1通道8位PWM脉冲调制输出，可作D/A转换器(7) SPI同步接口(8) 全双工UARTd. MCU特点(1) 上电复位电路(2) 具有计数功能有独立振荡器的实时时钟RTC(3) 低功耗空闲省电和掉电模式(4) 16种中断源，每种中断源具有一个独立的中端向量作为相应的中端入口地址2.2 IC卡选型2.2.1 智能IC卡的简介 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，人们每天都要处理许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不安全感。于是，人们开始寻求一种具有支付、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。1972年，法国人罗兰莫雷诺(Roland Moreno)第一次将可进行编程设置的IC芯片放在卡片中，使卡片具有了存储、加密及数据处理能力等功能。IC卡又称集成电路卡(Integrated Circuit Card)或叫智能卡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地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。IC卡不仅改进了现有多种卡的使用方法和功能作用，它还不断开创新的应用领域。虽然IC卡本身并不创造任何价值，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。而我国的金融和非金融产业部门都已经认识到发展IC卡产业对加速我国国民经济信息化的重大作用。因此与国外有关公司合作引进制卡、读卡设备及应用的先进技术成立了有关集团、公司以加速我国IC卡的应用和发展。我国的“金卡工程”其目的也在于推广IC卡，使其逐步成为各个行业的通用信息载体。在当今社会，作为包括微电子技术的一种成熟的高科技产品，IC卡提高了人们生活和工作的现代化程度，已成为一个国家科技发展水平的标志之一。国际上不少国家由于受到当时历史条件和技术发展的限制，都是先发展磁卡，其中大多数国家磁卡已经发展得相当普遍，拥有数量庞大的磁卡应用设备，若要将其完全改造成IC卡读写设备将是相当困难的。IC卡可以最有效地杜绝恶性透支便于正常用款、存款，其内部有各种安全措施，可免除伪造，它无须计算机网络的实时支持，可脱机作业，还可以实现一卡多用。近年来，由于计算机技术、微电子技术、信息化网络技术的飞速发展，促使IC卡向着多品种高层次方向发展，应用领域也不断扩展，IC卡市场不断拓宽，市场竞争更加激烈。纵观IC卡市场，规模不断扩大，销售量大幅度增加。由于采用了当今最先进的半导体制造技术和信息安全技术，IC卡相对于其它种类的卡具有以下四大特点(1)存储容量大，内部有RAM、ROM、EEPROM等存储器，使得卡上可存储文字、声音、 图形、图像等各种信息。(2)体积小、重量轻、抗干扰能力强、便于携带、易于使用。(3)安全性高，IC卡从硬件和软件等几个方面实施其安全策略，可控制卡内不同区域的存取特性。(4)对网络要求不高，IC卡的安全可靠性使其在应用中对计算机网络的实时性、敏感性要求降低。综合上述考虑，本系统选用AVR单片机AT90S8535为控制智能卡的核心，详细电路设计见硬件设计部分4。2.2.2 根据IC卡的读写特点分类a. 接触型IC卡接触型IC卡的表面有6个或8个金属触点，IC卡插入读写器内后，在微处理器的控制下完成可是的读写操作。b. 射频卡射频卡没有金属触点，而是在卡内置有天线和射频卡处在读写卡器一定距离内时，读写卡器通过发射射频信号对卡进行读写操作。2.2.3 根据IC卡的内部结构分类a. 存储卡 存储卡的存储单元一般为电可擦除的存储器EEPROM。存储卡的容量从几十字节到几干字节不等。这类卡具有操作简单、读写速度快、信息存储时间长等优点。如Atmel公司AT24C01卡，具有128B(1Kbit)，典型擦写寿命10万次，数据保存时间100年。这类卡不具备加密功能，存储的数据可以很容易地被读出，因而卡内信息的安全性较差，常常用于对安全性能不高的场合，如门禁卡、身份识别卡等。b. 逻辑加密卡逻辑加密卡内设有硬件逻辑加密电路，只有在输入密码正确后才能进行数据的改写，否则数据只能被读出。而且输入的错误密码达到规定的次数后，IC卡自动死锁报废，因而这种卡的安全性能很高。常见的如两门子的SLE4442卡，如果连续三次输入密码错误，卡微就报废。这种卡常常用于对信息保密性较高的领域，非常适合于涉及到金融等方面的应用。c. CPU卡CPU卡内集成了中央处理器、程序存储器ROM数据存储器RAM，有的CPU卡的ROM中还潜入了操作系统COS(Chip Operation System)。由于集成了中央处理器，这种卡具有强大的数据处理能力，能够根据外界的指令对数据进行处理，而且通过内置的程序可以对数据按照一定的算法进行高度的加密，故而信息非常的保密。这才是真正的所谓“智能卡”。这种卡常用作证件卡和信用卡。根据IC卡的特点和实际的使用环境，这里所选择IC卡应该满足如下的条件：(1) IC卡工作温度在-2060之间(2) IC卡工作电压在5V12V(3) IC卡内的存储器适合本设计所设计的数据存储(4) IC卡内有一定的保密性以防非法复制(5) IC卡成本应该控制在一定范围内综合上述考虑，本系统选用西门子SLE4442逻辑加密型IC卡进行数据的存储和身份识别。详细电路设计见硬件设计部分5。2.3 键盘选型2.3.1 独立型按键独立型按键的一脚通过电阻接电源端或者地，而另一脚接单片机的I/O口，其结构如图2.1所示。在按键被按下和没有按下时，I/O口电平刚好相反。这样通过检测I/O口的电平状态即可判断哪个按键被按下了。图2.1 独立型按键的结构原理此类键盘的特点是按键电路配置灵活、按键的状态识别简单，但是每一个按键需要占用一个I/O口，资源占用率较高，当按键的数量不是很多或者系统有较多的I/O口剩余时，可以采用此类设计6。 2.3.2 矩阵扫描键盘矩阵扫描键盘有行线和列线组成。按键位于行列线的交叉点上，结构图如图2.2所示。图2.2 矩阵扫描键盘的结构原理一个3*3的矩阵结构就可以构成一个含有9个按键的键盘。按键设置在行列线的交叉点上，行列线分别接到按键开关的两端。行列通过上拉电阻接到+VCC上。时当没有按键按下时，列线处于高电平的状态；当有键按下时，行列线导通，因此列线的电平状态将由此相连接，各个按键按下与否否影响该键所在的行列线的电平。这样行列线配合起来进行适当的处理，即可确定按键的位置7。此类键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口，适用于按键数量较多的场合。2.3.3 PS/2接口键盘PS/2接口是由IBM公司开发的一种计算机接口。计算机上的鼠标和键盘使用的就是这种接口，现在在计算机上更多的是使用USB接口。PS/2键盘为每一个按键分配唯一的编码。键盘内的处理器对矩阵键盘进行扫描，当发现有案件拔按下或者释放时，处理器就对发送“扫描码”到计算机。扫描码分为两种不同的类型，通码和断码。当键被按下是，发送的是通码；当键盘被释放是，发送的是断码。这样通过查找扫描码表就可以确定是哪一个按键，PS/2的扫描码共有三套，现在广泛使用的是第二套扫描码。PS/2接口采用双向串行数据传输协议。每个字节为一桢，包含11位(一位起始位、8位数据位、一位奇偶校验位和一位停止位)。此类键盘的特点是集成度高，使用灵活。在使用串行数据传输技术时，仅需要使用两个I/O端口即可(由于程序设计的原因，其中一个端口通常用；还要占用一个外部中断端口)，但成本较高，而且不易集成在系统内部。IC卡售饭机系统选用的AVR单片机AT90S8515的I/O端口较多，在实际使用中，键盘最好集成在售饭机内以防止由于键盘的滑轮造成售饭员的误操作。综合考虑实际的使用情况和价格，本设计采用矩阵扫描键盘进行数据输入8。详见硬件设计部分。2.4 显示器选型LED数码管以发光二极管作为发光单元，颜色有单红，黄，蓝，绿，白，黄绿等效果。单色，分段全彩管可用大楼，道路，河堤轮廓亮化，LED数码管可均匀排布形成大面积显示区域，可显示图案及文字，并可播放不同格式的视频文件。通过电脑下flash、动画、文字等文件，或使用动画设计软件设计个性化动画，播放各种动感变色的图文效果；可放在PCB电路板上按红绿兰顺序呈直线排列，以专用驱动芯片控制，构成变化无穷的色彩和图形。外壳采用阻燃PC塑料制作，强度高，抗冲击，抗老化，防紫外线、防尘、防潮。LED数码管具有功耗小、无热量、耐冲击、长寿命等优点，配合控制器，即可实现流水、渐变、跳变、追逐等效果。如果应用于大面积工程中，连接电脑同步控制器，还可显示图案，动画视频等效果。LED数码全彩灯管可以组成一个模拟LED显示屏，模拟显示屏可以提供各种全彩效果及动态显示图像字符，可以采用脱机控制或计算机连接实行同步控制，可以显示各式各样的全彩动态效果。控制系统采用三泰VISS专用灯光编程软件编辑，数码管控制花样更改方便，只需将编辑生成的花样格式文件复制进CF卡即可码管控制器可以单独控制，也可多台联机控制，适合各种复杂工程需求。数码管、控制器以及电源等以标准公母插头连接，方便快捷，并具有独特的外形设计，全新的户外防水结构9。123 硬件设计3 硬件设计IC卡售饭机的硬件电路如图3.1所示，下面对各单元电路分别予以说明。图3.1 硬件电路图3.1 I C卡接口设计本设计采用西门子SLE4442逻辑加密型IC卡，它与AT90s8535的连接如图3.2所示。由于SLE4442是开漏结构，在I/O口必须接上拉电阻以提供高电。SLE4442是西门子公司的一款具有可编程安全代码(PSC)和写保护功能的智能型存、储芯片。它有2568EEPROM主存储器，不可逆的4个写保护存储器，lB的错误计数器具有3B密码保护功能。SLE4442采用两线数据传输方式，符合IS07816-3标准。每个字节的写入/擦除时间为2.5毫秒，数据保存时间10年以上。SLE4442具有一个安全逻辑，用以控制存储器的读写操作。在密码成功之前，除3B密码(可编程安全代码)外，数据都可以读出，只有在校验密码成功之后才可以执行数据的写入动作。在校验密码之前，可以将错误计数器的某一位写“0”。错误计数器的初始值为0X03，每校验密码错误一次则将其中一位写“0”，如果连续三次密码校验错误，错误计数器的值变为0X03，IC卡报废10。13西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）图3.2 IC卡连接电路3.1.1 SLE4442 IC卡的引脚配置SLE4442IC卡采用两线数据传输方式，其引脚配置如图3.3所示。图3.3 SLE4442 IC卡引脚表3.1是SLE4442 IC卡的管脚功能说明。 表3.1 SLE4442IC卡的引脚功能引脚号标记符号功能C1VCC+5V电压输入C2RST复位C3CLK串行时钟输入C4NC空C5GND地C6NC空C7I/O串行数据输入/输出（开漏）C8NC空3.1.2 SLE4442的存储器编址SLE4442的存储器采用独立编址，其地址分配始表3.2所示。表3.2 SLE4442的地址分配地址主存储器保护存储器加密存储器255数据字节255-.-31数据字节31保护位31-3数据字节3保护位3密码字节32数据字节2保护位2密码字节21数据字节1保护位1密码字节10数据字节0保护位0错误计数器3.1.3 SLE4442的数据传输协议SLE4442采用两线数据传输协议，与其他设备构成完整的IC电路，所有I/O口的数据变化都是在时钟的下降沿开始。SLE4442的I/O脚是开漏型的，需要外接上拉电阻以提供高电平。此协议包含4种模式：复位与复位应答模式、命令模式、数据传输模式、内部处理模式。a. 复位与复位应答(ATR)SLE4442的应答复位符合IS07816-3标准，可以在操作的任何时候复位。开始时会给I/O脚低电平并在RST信号由高到低期间提供一个时钟脉冲，此时I/O脚输出可有效数据的第一位(LSB)，此后的连续31个时钟脉冲使得I/O脚变为高阻态完成可ATR过程。一般在IC卡出厂时，应答复位读出的前4个字节为0XA013109111。复位与应答复位期间的数据传输如表3.3所示。 表3.3应答复位数据传输字节1字节2字节3字节4D7D0D15D8D23D16D31D24b. 命令模式在应答复位之后，SLE4442等待指令输入。每个指令始于Start信号，包含一个38长的命令字和紧跟其后的时钟脉冲，然后结束于Stop信号。Start信号：在CLK线为高电平是送I/O口一个下降沿。Stop信号，在CLK线为高电平是送I/O口一个上升沿。Start信号和Stop信号的时序如图3.4所示。 图3.4 Start信号和Stop信号的时序在命令被接受之后，可能会出现两种模式，数据输出或者内部处理模式。c. 数据输出模式在这种模式下，时钟脉冲的第一个下降沿之后I/O口输出有效数据的第一位，在最后一位数据后的一个额外的时钟脉冲使I/O口变为高阻态并等待接受新的指令。在此模式期间，任何一个Start信号或者Stop信号都将视为无效。在数据输出模式下，RST信号必须保持低电平，在时钟线为低电平时，RST被置为高电平，否则所有的操作都将失败12。数据输出模式的时序如图3.5所示。 图3.5 数据输出模式时序图d. 数据处理模式这种模式是SLE4442的内部处理，在第一个时钟的下降沿之后，I/O口由高阻状态转换为低电平。RST信号必须保持低电平，在时钟为低电平时，RST被置为高电平，否则所有的操作都将失败。数据处理模式的时序如图3.6所示。图3.6 数据处理模式时序图3.1.4 SLE4442的指令SLE4442具有7种指令，包括读、写主存储器，读、写保护存储器，读、写安全存储器和读、写安全存储器(密码存储器)和密码校验指令。每个指令都有三字节组成，其格式如表3.4所示。 表3.4 SLE4442 IC卡指令格式控制字地址数据B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0指令的传输总是从字节的最低位开始。在最后一位传送完之后需要附加一个时钟将I/O线置为高阻态。SLE4442的7种指令如表3.5所示。表3.5 SLE4442的指令表控制字（Byte1）地址（Byte2）数据（Byte3）操作模式B7B6B5B4B3B2B1B0A7-A0D7-D000110000地址无效读主存储器输出00111000地址输入数据写保护存储器处理00110100无效无效读保护存储器输出00111100地址输入数据写保护存储器处理00110001无效无效读保护存储器输出00111001地址输入数据写保护存储器处理00110011地址输入数据校验密码处理a. 读存储器此指令读取存储器从指定地址N(N=0-255)开始知道主存储器最后地址的存储区的内容，每个字节的最低位最先被读出。此指令需要提供足够的脉冲，脉冲数m-(256-N)*8+l。主存储器的读取始终是允许的13。读存储器的指令格式如表3.6所示。表3.6 读主存储器的指令格式B7B6B5B4B3B2B1B0A7-A0D7-D0Binary00110000AddressNo effectHexadecimal0X300x00-0xFFNo effect图3.7是读主存储器的时序图。 图3.7 读主存储器时序b. 写主存储器此指令按地址对EEPROM主存储器写入数据。根据所写数据的新老程度，其间将发生如下几种内部处理模式(即在指令发出之后需要延迟时间，以供芯片进行内部处理)。1) 擦除和写入(5毫秒)相当于255个时钟脉冲2) 只写不擦(2.5毫秒)相当于124个时钟脉冲3) 只擦不写(2.5毫秒)相当于124个时钟