加密IC卡保险柜控制器的设计
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关键词：IC卡 单片机 保险柜
随着社会的进步和为民生活水平的提高，
为们出差、旅游和度假的机会日益增加。在宾馆、饭店等居住场所都需要一保险柜来保存贵重物品和易失物品，即便在家里，也往往需要有一个地方来保存一些单据等物品。传统的手段已不能满足人们对其安全性和灵活性要求，把应用愈来愈广泛的IC卡技术应用到保险柜上，可以充分满足这方面的需求。例如，根据客户要求，可以给每个房间配备一个带有IC卡电子门锁的保险柜供他们存放物品；待客人走后，可以灵活地对保险柜的密码进行重新设置，更换IC卡。下面对我们自行设计的加密型IC卡保险柜的核心部件--控制器件一详细的介绍。
一、控制器的硬件设计
本系统的主要任务是完成对IC卡的识别和控制，因此，首先介绍一下所选用的IC卡。
1.SLE4442加密IC卡简介
目前市场上的IC卡种类较多，比较有代表性的有ATMEL公司的AT系列和SIEMENS公司的SLE系列。我们根据用户的要求和市场的供给情况选用了SIEMENS公司设计的SLE4442卡。此卡的特点是：
（1）卡内有2K位的存储容量和完全独立的可编程逻辑代码存储器（PSC）；
（2）多存储器结构，其中包括256×8位EEPROM，32×1位PROM的4×8位EEPROM型加密存储器；
（3）串行口满足ISO7816同步传递协议；
（4）每一字节的擦除/写入时间为2.5ms；
（5）存储器可擦除1000次以上，数据可保存10年以上。
SLE4442型IC卡的触点排列及功能如图1所示。
SLE4442芯片的传送协议包括4种模式。
（1）复位和复位响应
复位可在操作期间任何时候进行。在复位响应期间，任何开始和停止条件均被禁止。复位与复位响应时序如图2所示。
（2）命令方式
每个命令由起始条件、1个3字节长的命令和停止条件构成。命令方式时序如图3所示。
起始条件：CLK处于高状态H期间，I/O的下降沿。
停止条件：CLK处于高状态H期间，I/O的上升沿。
（3）输出数据方式
在这种试上，IC卡发送数据至接口设备IFD。在CLK上第一个下降沿后，I/O上第一位有辩效，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卡接收新的命令。在这种方式下，任何开始和停止条件均被禁止。输出数据方式时序如图4所示。
（4）处理方式
在第一个CLK的下降沿，将I/O线从高状态H切换至低状态L并开始处理，直到低状态L的I/O被设置成高状态H结束。在这种方式下，任何开始和停止条件均被禁止。处理方式时序如图5所示。
SLE4442卡共有7个命令，每个命令包括3个字节，其命令格式及功能如表1所列。
表1 SLE4442命令
| 字节1控制字节 | 字节2地址字节 | 字节3数据字节 | 操 作 |
| B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 | A7A0 | D7D0 | |
| 0 0 1 1 0 0 0 0 | 地址 | 无 效 | 读/从给定的字节地址至用户存储器结束 |
| 0 0 1 1 1 0 0 0 | 地址 | 输入数据 | 编程输入地址对应的用户存储区 |
| 0 0 1 1 0 1 0 0 | 无效 | 无 效 | 读保护存储器 |
| 0 0 1 1 1 1 0 0 | 地址 | 无 效 | 写保护存储器中的保护位 |
| 0 0 1 1 0 0 0 1 | 地址 | 无 效 | 读保密存储器 |
| 0 0 1 1 1 0 0 1 | 地址 | 输入数据 | 写/编程输入址对应的保密存储器 |
| 0 0 1 1 0 0 1 1 | 地址 | 输入数据 | 比较可编程密码PSC字节 |
这里只介绍比较可编程密码PSC命令的使用。比较过程由4个步骤组成：
①写错误计数器EC（至少1位）。地址0。密码比较结果将在错误计数器中反馈，3次密码出错IC卡被阻塞。
②比较PSC字节1，地址1。写完错误计数器之后，以不同的命令格式送入3个密码字节。密码比较成功，将通过刷新错误计数器来识别，然后施加上操作电压，就可以对所有存储器进行读写操作了。
③比较PSC字节2，地址2。
④比较PSC字节3，地址3。
芯片在出厂时可根据用户的专门要求将可编程加密代码（PSC）存储器中编入一个专用代码。这样在使用时，就必须合法地得到这个代码，从而防止非法窃用或伪造卡片。
2.系统组成及工作原理
本系统的硬件主要由单片机、串行EEPROM、电磁阀和IC卡读/写插座组成。具体电路如图6所示。
电路中的单片机AT89C2051是89C51的简化体。20引脚为DIP封装。片内有2K字节闪烁存储器，128字节RAM，15条I/O线，全双工串行口。P1.0、P1.1分别作为片内精确模拟电压比较器的正、负输入端；P1.2作为IC卡的复位端；P1.3、P1.4分别作为IC卡的时钟线与数据线；P3.7作为IC卡工作指示灯的控制端；P1.5作为非法操作的声音报警控制；P3.4作为电磁阀门SW1的控制端。图中的U5是串行EEPROM--AT24C01，它的作用是用来随机存储每个IC卡的密码等；U4为电压比较器，用来监测电源电压：如果电源电压下降至4.5V左右就会产生报警信号。为了使系统更可靠地工作，采用CD4060设计了单片机"看门狗"电路，由4060定时产生一个复位脉冲，对单片机进行复位操作。整个电路设计中，充分考虑了能源的节约问题，所以在IC卡插入前整个电路的大部分芯片没有供电，只有门电路U1工作；当IC卡插入后，由于IC卡座的开关接通，促使门电路U1触发翻转，由T1导通使其他芯片得到供电。如果在使用过程中客人忘记拔出IC卡，电路除了要产生报警信号外，还会在30s（秒）后自动停止供电。
二、控制器的软件设计
该软件包括三部分：
（1）IC卡信息的读取及AT24C01数据的读取；
（2）比较校验数据，修改存储器数据；
（3）各种控制功能的实现，包括门锁开启，声、光报警等操作。
限于篇幅，这里只给出了利用51汇编语言编写的加密IC卡SLE4442的读/写程序，并给出了主程序的流程图，如图7所示。
读子程序
READ：MOV R0，#30H ；设置存放IC卡读入数据的首地址为30H
LCALL RESET ；调IC卡复位子程序
MOV R2，#10H ；读IC卡数据的个数送R2
LCALL START ；调起始条件子程序
MOV R5，#00110000B ；发送读的命令码
LCALL SPOUT ；调发送一个字节子程序
MOV R5，#20H ；发送IC卡的起始地址
LCALL SPOUT
MOV R5，#00H ；将数据00H发送出去
LCALL SPUT
LCALL STOP ；调停止条件子程序
READ1：LCALL SPINC ；调数据采集子程序
MOV A，R6
MOV @R0，A
INC R0
DJNZ R2，READ1
LCALL PLUSE ；调发送脉冲子程序
RET ；读IC卡数据子程序结束
写子程序
WRT：LCALL RESET ；写IC卡数据子程序开始，调IC卡复位子程序
MOV R2，#10H ；写入IC卡的字节个数送R2
MOV R1，#40H ；将40H为首地址的内容写入IC卡
MOV R4，#30H ；R4中放的是写到IC卡起始地址30H
WRT1：LCALL START ；调起始条件子程序
MOV R5，#00111000B ；发送写的命令码
LCALL SPOUT
MOV A，R4 ；发出要写入的IC卡地址
MOV R5，A
LCALL SPOUT
MOV A，@R1 ；写入IC卡数据
MOV R5，A
LCALL SPOUT
LCALL STOP ；调停止条件子程序
LCALL PROCE ；调一个编程过程子程序
INC R1 ；数据指针加1，直到数据写完
INC R4
DJNZ R2，WRT1
RET ；写子程序结束
PROCE：MOV R3，#0FFH ；一个编程过程子程序
PROC1：SETB P1.2
NOP
CLR P1.2
DJNZ E3，PROC1
RET
SPINC：MOV R3，#08H ；数据采集子程序
SPIN1：CLR P1.2
MOV C，P1.4
MOV A，R6
RLC A
MOV R6，A ；读出的一字节内容送R6
SETB P1.2
DJNZ R3，SPIN1
RET
SPOUT：MOV R3，#08H ；一字节发送子程序
MOV A，R5
SPTC1：CLR P1.2
RLC A
MOV P1.4，C
NOP
SETB P1.2
DJNZ R3，SPTC1
RET
START：SETB P1.2 ；起始条件子程序
NOP
CLR P1.4
NOP
RET
STOP：CLR P1.2 ；停止条件子程序
NOP
CLR P1.4
NOP
SETB P1.2
CLR C
NOP
SETB P1.2
NOP
CLR P1.2
RET
RESET：SETB P1.3 ；复位IC卡子程序
NOP
CLR P1.3
NOP
RET
END
保险柜的安全性能是本控制器系统设计的出发点之一，为此，在软件上，将IC卡分为母卡和子卡，母卡由管理人员掌握，子卡由客人掌握。在每次客人走后，将母卡插入保险柜，那么原来的开机子卡宣布作废，这时可以插入一个新的卡形成一个新的子卡。母卡的功能是负责生成新的子卡，而不负责开门，从而确保了保险柜的安全性能。
结束语
该IC卡保险柜控制器具有结构简单、功耗低、体积小、成本低等特点，完全达到了用户的要求，目前已投入了小批量的生产。如果将现有的产品稍作改动和扩展，就能实现其他的功能。例如，给它扩展上一个语音芯片，即可进行语音提示或报警；如果将本控制器应用于防盗门就可制成IC卡防盗门，从而实现对传统防盗门的更新换代，具有广阔的市场前景。
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