基于單片機的IC卡讀卡器的設計

摘 要：非接觸式IC卡又稱為射頻卡，由IC芯片、感應天線組成，封裝在一個標準的PVC卡片內，芯片及天線無任何外露部分。本文首先研究了基本的理論，然后基于這些理論，給出了非接觸式IC卡讀卡器的設計方案。系統由單片機、電源電路、蜂鳴器電路及天線電路構成。通過對軟硬件的調試實現了非接觸式IC卡讀卡器的硬件與軟件平臺的構建。

關鍵詞：IC卡；讀卡器；單片機

中圖分類號：TN409 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 04-0000-01

IC卡，一個正蓬勃發展的產業，一個與我們的生活正越來越密切的產業。在因特網、分布式和普及計算大潮涌來時，IC卡扮演著越來越重要的角色。本課題的背景是校園一卡系統收費終端的應用，隨著科學技術的迅猛發展，社會的日益信息化，技術的不斷革新以及要求的不斷提高，需要設計出一個功能豐富，性能更加穩定的，并且具有友好人機界面的嵌入式智能終端，來取代現在市場上的基于單片機的收費終端，該讀卡器必須簡單，方便快捷。

一、基于單片機的IC卡讀卡器的工作原理

其工作原理是通過射頻讀卡器向IC卡發一組固定頻率的電磁波，卡片內有一個IC串聯諧振電路，其頻率與讀卡器發射的頻率相同，這樣在電磁波激勵下，LC諧振電路產生共振，從而使電容內有了電荷；在這個電荷的另一端，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內存儲，當所積累的電荷達到2V時，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或接受讀卡器的數據。其發射原理是非接觸性IC卡與讀卡器之間通過無線電波來完成操作。二者之間的通訊頻率為13.56MHZ。非接觸性IC卡本身是無源卡，當讀卡器對卡進行操作時，讀卡器發出的信號由兩部分疊加組成：一部分是電源信號，該信號由卡接收后，與本身的L/C產生一個瞬間能量來供給芯片工作。另一部分則是指令和數據信號，指揮芯片完成數據的讀取、修改、儲存等，并返回信號給讀卡器，完成一次操作。讀卡器則一般由單片機，射頻模塊和天線組成，并配有與PC的通訊接口，打印口，I/O口等，以便應用于不同的領域。

二、系統設計的整體規劃

（一）系統設計思路。IC卡的應用領域非常廣泛。在IC卡的觸點和讀卡器的觸點良好接觸之前，讀卡器不應對IC卡施加有關信號，以免造成不可預料的損壞。IC卡讀卡器作為系統和用戶交換的接口，必將面對各種各樣復雜的應用環境。因此，在設計階段應注意IC卡讀卡器的環境。作為操作系統，管理IC卡的硬件資源和數據資源是其基本任務。IC卡上的硬件資源包括CPU、ROM、EEPROM和RAM及通訊接口，這些都由IC卡上操作系統統一管理，使外部不能直接控制這些資源，使IC卡對外表現為一個“黑匣子”，從而加強了系統的保密性能。智能卡通訊管理主要功能是執行智能IC卡的信息傳送協議，接收讀卡器發出的指令，并對指令傳遞是否正確進行判斷。

（二）系統論證方案。IC卡是一種集成電路卡，它的讀/寫設備是每個IC卡應用系統必不可缺的周邊設備。該設備通過IC卡的8個觸點向IC卡提供電源并與IC卡相互交換信息。雖然IC卡是從磁卡發展而來的。本IC卡讀卡器的功能為：當IC卡中的射頻模塊產生晶振頻率，通過天線發射出去，且將天線接收到的IC卡讀卡器的卡號數據返回給單片機，最終通過RS232接口將卡號數據在電腦上顯示。

（三）系統的整體結構。對于本論文的基于單片機的IC卡讀卡器系統來說，整個系統由電源模塊、時鐘電路模塊、蜂鳴器模塊和天線電路幾個部分組成。整個系統由單片機控制，能夠通過接口把數據從PC上顯示出來，電源模塊負責提供電力，當讀卡器讀取成功后，通過蜂鳴器響兩聲來表示。

三、讀卡器硬件設計

（一）單片機的簡介。本系統采用STC12LE5A16S2單片機作為主控芯片。STC12LE5A16S2是16K Flash的宏晶STC12C5A60S2系列單片機，采用宏晶第六代加密技術，STC12C5A60S2系列單片機器件是1個時鐘/機器周期8051單片機，低功耗、高速、高可靠、強抗靜電、強抗干擾。

（二）電源電路。電源電路是指提供給用電設備電力供應的電源部分的電路設計。本系統的電源電路工作狀況為：VCC（5V）和VDD通過電容接地，且VCC（5V）通過SPX1117M3-3.3穩壓電源芯片將電壓穩定在3.3V為系統提供電源，本系統所用的電源電路電路。

（三）蜂鳴器電路。蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中作發聲器件。

本系統中的蜂鳴器系統由三極管及喇叭構成，其工作狀況為：當三極管的發射極為高電平，基極為低電平時，三極管導通，蜂鳴器發出響聲，而當發射極和基極為高電平時，蜂鳴器不發出聲響。電路中采用單片機P1.6腳控制三極管導通和截止。

（四）天線電路。本次設計的系統，系統數據存儲在無源Mifare卡中。讀取模塊的主要任務是將能量傳輸給Mifare卡，并與之建立通信。天線是非接觸式IC卡讀寫模塊的一個重要組成部分，在讀寫模塊和非接觸式IC卡通信過程中，天線用于產生能發射和接收射頻信號的磁通量，而磁通量用于向卡提供電源并在讀寫模塊和卡片之間傳送信息。因此，在設計中要求天線線圈的電流最大，以用于產生最大的磁通量，并要確保有足夠的帶寬。

四、結束語

本次課題研究的是基于單片機的IC卡讀卡器設計，它的作用就是讀取IC卡的卡號，最終在電腦上顯示。首先，選定相應的單片機，了解其各個引腳的功能，然后查閱相關的單片機的資料和IC卡書籍。然后設定對應的方案，最終確定以STC12LE5A16S2單片機為控制核心，用FM1702射頻模塊，用來產生晶振頻率通過天線發射出去，且將天線接收到的數據反饋給單片機，最終通過RS232接口將接收到的數據顯示在PC上，且還要完成當IC卡讀卡器讀取、成功后，通過蜂鳴器響兩聲來表示。

參考文獻：

[1]羅亞非，凌陽.16位單片機應用基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[2]劉篤仁，韓保君.傳感器原理及應用技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[作者簡介]葛懷敏（1990.07-），女，山東濰坊人，曲阜師范大學本科在讀，研究方向：電子信息。