【毕业学位论文】（Word原稿）一种基于ATmega32单片机的IC卡读写器的研究与设计-软件工程

硕士学位论文 （专业学位） 一种基于 的 研究与设计 研 究 生： 张刚 学号： 0921170135 所在学院：软件学院 学科门类： 电子商务 学科专业：软件工程 指导教师：杜庆峰 副指导教师： 二 一 三 年 六 月 A in 0921170135 2013 of 一种基于张刚 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 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 成为一体，具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。 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： ， 读写器 ， 嵌入式软件 I C a in is a C a of so it to as of of C of of as of on C A is as PU of of be to C is on is in to C as of IC 录 摘要 . I . 录 . 目录 . V 表目录 . 1 章 绪论 . 1 究背景 . 1 C 卡的基本规范 . 1 计方案 . 2 文的组织结构 . 2 第 2 章 系结构 . 4 本特性 . 4 核特征概述 . 5 断系统 . 7 字通用 I/O 端口 . 9 步定时 /计数器 . 10 用同步和异步串行收发器 . 13 口与片上调试系统 . 14 第 3 章 硬件电路的设计 . 17 能需求分析 . 17 源电压（ . 17 位（ . 17 钟（ . 17 程电压（ . 17 据输入 /输出（ I/O） . 17 统结构 . 19 理图的设计 . 19 源电路 . 19 目录 时钟电路 . 20 换电路 . 20 据通路开关 . 21 源开关电路 . 22 路 . 23 第 4 章 嵌入式软件的开发 . 26 于 程序编译与链接 . 26 介 . 26 件类型 . 26 程管理 . 27 于 程序开发与调试 . 29 件概述 . 29 序烧录与熔丝位设置 . 29 序的调试与仿真 . 34 件开发流程 . 35 C 卡的初始化 . 36 C 卡的上电复位 . 36 C 卡的热复位 . 37 C 卡的下电 . 38 位应答的接收 . 38 据包的发送与接收 . 40 据通信流程 . 42 第 5 章 总结与展望 . 45 结 . 45 望 . 45 参考文献 . 47 致谢 . 48 图目录 V 图目 录 图 C 卡的触点尺寸和位置 . 2 图 片内部结构框图 . 5 图 核体系结构框图 . 7 图 签页下对器件进行选择 . 30 图 签页下对器件存储器进行编程 . 31 图 签页下对熔丝位进行读写 和编程 . 32 图 “ 签页下对锁定位进行读取和擦写 . 34 图 序的加载 . 34 图 序 调试主界面 . 35 图 “ 悬浮观测窗口 . 35 图 C 卡上电时序 . 36 图 C 卡上电复位流程 . 37 图 C 卡热复位时序 . 38 图 C 卡下电时序 . 38 图 收流程 . 39 图 0 的编码格式 . 40 图 据接收流程图 . 41 图 据发送流程图 . 42 图目录 据通信流程图 . 44 表目录 表目录 表 C 卡触点的分配 . 2 表 位与中断向量表 . 8 表 口引脚配置 . 10 表 向约定和反向约定的特征描述（ H 代表高电平， L 代表低电平） 18 表 件类型 . 26 表 供的标准 C 头文件 . 29 表 丝高字节 . 31 表 丝低字节 . 31 表 定位保护模式 . 32 表 写器对过程字节的响应动作 . 42 表 写器对状态字节的响应动作 . 43 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 究背景 （ 即集成电路卡，是将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡的形式，外形与常用的覆盖磁条的磁卡相似。 芯片具有写入和存储数据的能力。 存储器中的内容根据需要可以有条件地供外部读取，或供内部信息处理和 判定。 根据 按与外界数据传送的形式来分，有接触式和非接触式两种。接触式 通过卡片上的 8 个触点与接口芯片交换信息 ， 而非接触式 通过无线电波来传递接口芯片与卡片间的交互信息 ； 根据卡中所镶嵌的集成电路的不同，可以分成 普通 存储卡、逻辑加密卡 和 三类 ， 其中 即为 俗称的 智能卡 ，它由中央处理单元 机存储器 及固化在只读存储器 的片内操作系统 所组成 1。 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。譬如 ， 国内的银行 ， 社保 ， 税务 ， 建筑都在开发推广智能 的应用 。经过十几年的发展，代表卡基数据媒介主流技术的 已在金融、电信、社会保障、税务、公安、交通、建设及公用事业等许多领域得到广泛应用，取得了较好的社会效益和经济效益 2。 相比于其它类型的 ，接触式 具有存储容量大、保密性强、抗电磁干扰能力强、网络要求低、易携带和寿命长等特点，给人们带来了极大的安全和便利，应而在目前的社会应用中最为广泛，因此本文选取接触式 的读卡设备作为主要的研究目标 34。 一款 读写器应具有高稳定性、高兼容性 和 低成本等方面特征 ，如果是手持式设备则还应具有小体积、低功耗的特征。 目前市面上的产品大多使用“处理器 接口芯片 ”的设计思路，以接口芯片作为数据传输中介，由处理器对接口芯片进行配置和控制，从而实现对 进行操作的目的。然而接口芯片的引入 将 使得系统的软硬件设计更为复杂，布线难度加大 ，成本增加 。事实上 以目前低端的处理器都已具备 符合 数据通信 的接口， 仅须软硬件方面做简单改进即可对 进行操作。综合考虑了速度、性能、面积以及价格等多方面的因素后，本文 选择以 司的 片机芯片作为中央处理单元，以“处理器 ”为主要思路来设计读写器。 C 卡的基本规范 第 1 章 绪论 2 的 8 个触点尺寸和位置由国际标准 进行了指定，如图 出了各触点所分配的信号 5。 图 C 卡的触点尺寸和位置 表 源电压（ （ 位信号（ 程电压（ 钟信号（ 据输入 /输出（ I/O） 使用） 使用） 计方案 该 读写器的设计主要包括电路板硬件设计和嵌入式软件设计两个部分。本文拟采用 具来进行系统电路的原理图和版图设计。电路的核心在于如何使用 来完成对 各触点信号的控制，包括电源电压的驱动，提供时钟和复位，以及完成数据发送和采集。拟采用 C 语言进行嵌入式软件的开发，使用 成环境进行编译链接，使用 试和程序烧录。 文的 组织 结构 论文的第一章概述了 系统，并对本文的研究背景和意义进行了简要介绍。在此基础上对 读写器的设计方案进行了描述。 论文的第二章对所选择的处理器芯片 体系结构进行了概述；详细介绍了与本设计相关的一些功能模块，包括通用 口、定时 /计数器、 章 绪论 3 和 。 论文的第三章对该 读写器的硬件电路设计进行阐述。首先进行了功能需求分析，明确所需实现的功能；然后对处理器的工作方式进行分析，明确他能够直接实现哪些功能，哪些功能需要转 换电路作为中介；最后，在此基础上，从电源模块、控制器模块以及接口模块等方面对该系统进行了电路原理图的设计。 论文的第四章主要描述了该 读写器的嵌入式软件的设计流程。首先简述了所选择的编译链接器环境 主要功能和使用方法；然后对所使用的仿真器软件 相关信息进行了简要介绍；最后，从 冷、热复位和 信两方面阐述了该读写器的嵌入式软件的设计方法和相关流程。 论文的第五章对本文进行了总结和展望。 第 2 章 系结构 4 第 2 章 系结构 本特性 基于 增强的 构的低功耗 8 位 控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， 数据吞吐率高达1 而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻辑 单元 (相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 控制器最高至 10 倍的数据吞吐率。 如下特点 ： 32K 字节的系统内可编程 具有同时读写的能力，即 ， 1024 字节 2K 字节 32 个通用 I/O 口线， 32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的 口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器 /计数器 （ T/C） ， 片内 /外中断，可编程串行 向字节的两线串行接口， 8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益的 有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时 线接口、 A/D 转换器、 T/C、 口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； 声抑制模式时终止 除了异步定时器与 外所有 I/O 模块的工作，以降低 换时的开关噪声；式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。 该 芯片是以 密 度非易失性存储器技术生产的。片内 许程序存储器通过 行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 储区 （ 。在更新应用 储区时引导 （ 的程序继续运行，实现了 作。通过将 8 位 系统内可编程的 成在一个芯片内， 为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式 控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。 有一整套的编程与系统开发工具，包括： C 语言编译器、宏汇第 2 章 系结构 5 编、程序调试器 /软件仿真器、仿真器及评估板， 非常便于 对于用户 的 开发 和使用 。 如图 示为 片的内部结构图。 图 片内部结构框图 核特征概述 为了获得最高的性能以及并行性， 用了 构，具有独立的数据和程序总线，其体系结构如图 示。 程序存储器里的指令通过一级流水线运行。 执行一条指令的同时读取下一条指令。这个概念实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的 速访问寄存器文件包括32 个 8 位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。从而实现了单时钟周期的 作。在典型的 作中，两个位于寄存器文件中的操作数同时被访第 2 章 系结构 6 问，然后执行运算，结果再被送回到寄存器文件。整个过程仅需一个时钟周期。寄存器文件里有 6 个寄存器可以用作 3 个 16 位的间接寻址寄存器指针以寻址数据空间，实现高效的地址运算。其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。这些附加 的功能寄存器即为 16 位的 X、 Y、 Z 寄存器。 持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。 可以执行单寄存器操作。运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反映操作结果。程序流程通过有/无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址空间。大多数指令长度为 16 位，亦即每个程序存储器地址都包含一条 16 位或 32 位的指令。程序存储器空间分为两个区：引导程序区 （ ） 和应用程序区。这两个区都有专门的锁定位以实现读和读 /写保护。用于写应用程序区的 令必须位于引导程序区。在中断和调用子 程序时返回地址的程序计数器 （ 保存于堆栈之中。堆栈位于通用数据 此其深度仅受限于 大小。在复位例程里 必须 要初始化堆栈指针 个指针位于 I/O 空间，可以进行读写访问。数据 以通过 5 种不同的寻址模式进行访问。 储器空间为线性的平面结构。 一个灵活的中断模块。控制寄存器位于 I/O 空间。状态寄存器里有全局中断使能位。每个中断在中断向量表里都有独立的中断向量。各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关，中断向量地址越低，优先级越高。 I/O 存储器空间包含 64 个可以 直接寻址的地址，作为 设的控制寄存器、 及其他 I/O 功能。映射到数据空间即为寄存器文件之后的地址0 第 2 章 系结构 7 图 核体系结构框图 断系统 不同的中断源。每个中断和复位在程序空间都有独立的中断向量。所有的中断事件都有自己的使能位。当使能位置位，且状态寄存器的全局中断使能位 I 也置位时，中断可以发生。根据程序计数器 不同，在引导锁定位 编程的情况下，中断可能被自动禁止。这个特性提高了 软件的安全性。 程序存储区的最低地址缺省为复位向量和中断向量。完整的向量列表 示 。列表也决定了不同中断的优先级。向量所在的地址越低，优先级越高。有最高的优先级，第二个为 部中断请求 0。通过置位通用中断控制寄存器 （ 的 断向量可以移至引导 起始处。编程