引言
本设计的主要目的是介绍IC 卡的数据存储技术和IC 卡的数据通信，因而使用存储器卡。由于本设计
中既可与IC 卡进行串行同步通信，又要与上位机进行中行异步通信，因而需要选择一种同时具有这两种通
信方式的 单片机 。因为PIC16F877 不仅具有本设计所需要的两种通信方式，而且还具有运行速度快、低功
耗、价格低等优点，所以选择PIC16F877 单片机 作为本设计的单片机。
本设计的二极管电路是 单片机 与IC 卡通信数据线的保护电路。当数据线上的电压为负电压时，与地
相连的二极管导通；当数据线上的电压大于+5V 时，与+5V 相连的二极管导通，从而保证数据线上的电压在
0V～+5V 之间，保护 单片机 和IC 卡不受损坏。单片机的15 脚和23 脚分别与IC 卡的输出引脚3 和4 相连。
由于IC 卡的输出电压为CMOS 电平，而 单片机 能够正确的识别IC 卡的输出信号，需要加上拉电阻。
1 SPI 工作方式串行外围设备接口SPI（Serial Peripheral Interface）总线技术是Motrola 公司推出的一种同步
串行接口。SPI 总线是一种三线同步总线，因其硬件能力很强，与SPI 有关的软件就相当简单，使CPU 有
更多的时间处理其它事务，因此得到广泛应用。
SPI 模式允许8 位数据同步发送和接收，支持SPI 的所有四种方式。SPI 模式传输数据需要四根信号
线：串行数据输出（SDO）线、串行数据输入（SDI）线、串行时钟（SCK）和从选择（SS）。其中，从选择
线只用于从属模式。
1.1 SPI 主模式
由于控制时钟SCK 的输出，主模式可以在任何时候开始传输数据。主模式通过软件协议控制从模式的
数据输出。
在主模式中，一旦SSPUF 寄存器写入，数据就会发送或接收。在接收数据时，SSPSR 寄存器按照时钟
速率移位，一旦接收到一个字节，数据就传输到SSPBUF，同时中断标志位和状态标志位置位。
时钟的极性可以通过编程改变。在主模式中，时钟SCK 的频率可以设置为：fosc/4(即Tcy)、fosc/1
6(即4Tcy)、fosc/64(即16Tcy)和定时器2（Timer2）输出的二分频等四种。在芯片时钟为20MHz 时，SCK
的最大频率为5.0MHz。
在本设计中，使用的就是SPI 主模式，由 单片机 控制时钟SCK 的输出。当向IC 卡中写数据时，随时
可以发送数据；当读IC 卡内的数据时，先要发送任意一个数据（此时IC 卡不处于写入状态，不会接收该
数据）， 给IC 卡提供输出数据的时钟，然后再接收IC 卡发出的数据。其时序如图2 所示。（发送和接惦
的数据均为6FH）
如果要连续发送数据，那么每次将数据送到SSPBUF 寄存器后，都要判断是否已经发送完该数据，即
判断PIR1 寄存器的SSPIF 位是否为1。如果SSPIF 位为1，则表明数据已经发送完毕，可以继续发送下一
个数据。但此时还不能立即发送下一个数据，因为SSPIF 位必须在程序中由软件清零，只有将SSPIF 位软
件清零后，才能继续发送下一个数据。
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1.2 SPI 从模式
在SPI 从模式，数据的发送和接收领先SCK 引脚上输入的外时钟脉冲，当最后一位被锁存后，中断标
志位SSPIF（PIR1 的D3）位。在休眠模式，从模式仍可发送和接收数据，一旦接收到数据，芯片就从休眠
中唤醒。如果采用SS 控制的从模式，当SS 引脚接到VDD 时，SPI 模式复位；如果 彩CKE=1 控制的从模式，
必须开放SS 引脚控制。
在本设计中，由于IC 卡是存储器卡，不能提供时钟信号，因此不能采用从模式，只能采用主模式，
由 单片机 控制时钟信号。
单片机 的SPI 方式初始化程序如下：
MOVLW20H ；将20H 送到累加器
MOVWF SSPCON ；将累加器中的数送到SSPCON 寄存器
BSF STATUS，RP0 ；将定RAM 区的第1 页
BCF SSPSTAT，SMP ；将SSPSTAT 寄存器的SMP 位置0
BSF SSPSTAT，CKE ；将SSPSTAT 寄存器的CLK 位置1
BCF TRISC，3 ；将端口C 的第3 位设置为输出
BCF TRISC，5 ；将端口C 的第5 位设置为输出
其中，上述第1、2 行程序是配置控制寄存器，将SPI 方式配置为主控模式，时钟频率为 单片机 时钟频
率的1/4，并将时钟的高电平设置为空闲状态。第3 行程序为换页指令，将指针转到第1 页。因为PIC16F
877 单片机 的数据存储器是分页的，而所要操作的寄存器在第1 页，因此要用换页指令将指针到第1 页。
第4、5 行程序是配置状态寄存器，将SPI 方式设置为数据输出时钟的中间采样，时钟SCK 的上升沿触发。
第6、7 行程序则是将RC 口的RC3 和RC5 设置为输出。
2 USART 方式通用同步异步接收发送模块（USART）是两个串行通信接口之一，USART 又称为SCI（Serial Commun
ication Interface）。USART 可以设置为全双工异步串行通信系统，这种方式可以与个人计算机PC 或串
行接口CRT 等外围设备进行串行通信：也可以设置为半双工异步串行通信系统，与串行接口的A/D 或D/A
集成电路、串行EEPROM 等器件连接。USART 是二线制串行通信接口，它可以被定义如下三种工作方式：全
双工异步方式、半双工同步主控方式、半双工同步从动方式。
为了把RC6 和RC7 分别设置成串行通信接口的发送/时钟（TX/CK）线和接收/数据（TX/DT）线，必须
首先把SPEN 位（TCSTAT 的RD7）和方向寄存器TRISC 的D7：D6 置1。
USART 功能模块含有两个8 位可读/写的状态/控制寄存器，它们是发送状态/控制寄存器TXSTA 和接
收状态/控制寄存器TCSTA。
USART 带有一个8 位波特率发生器BRG（Baud Rato Generator），这个BRG 支持USART 的同步和异步
工作方式。用SPBRG 寄存器控制一个独立的8 位定时器的周期。在异步方式下，发送状态/控制寄存器TXS
TA 的BRGH 位（即D2）也被用来控制波特率（在同步方式下忽略BRGH 位）。
向波特率寄存器SPBRG 写入一个新的初值时，都会使BRG 定时器复位清零，由此可以保证BRG 不需要
等到定时器溢出后就可以输出新的波特率。
对USART 方式进行初始化的程序如下：
BSF STATUS，RP0 ；将指针指向数据存储器的第1 页
MOVLW 0x19
MOVWF SPBRG ；设置波特率为9600
BCF STATUS，RP0 ；将指针指向数据存储器的第0 页
CLRF RCSTA ；将接收控制和状态寄存器清零
BSF RCSTA，SPEN ；串口允许
CLRF PIR1 ；清除中断标志
BSF STATUS，RP0 ；将指针指向数据存储器的第1 页
CLRF TXSTA ；将发送控制和状态寄存器清零
BSF TXSTA，BRGH ；设置为异步、高速波特率
BSF TXSTA，TXEN ；允许发送
BCF STATUS，RP0 ；将指针指向数据存储器的第0 页
BSF RCSTA，CREN ；允许接收
初始化完成后，即可发送或接收数据。在发送或接收数据时，通过查询发送/接收中断标志位即可判
断是否发送完一个数据/接收到一个数据。发送/接收中断标地不需要也不有用软件复位。
在异步串行发送的过程中，只要TXREG 寄存器为空，中断标志TXIF 就置位。因此，TXIF 为1 并不是
发送完毕的标志，但仍可以用TXIF 标志来判断。因此当TXREG 为空时，将数据送入后，数据会保留在TXR
EG 寄存器中，直到前一个数据从发送移位寄存器中移出，即前一个数据发送完。
3 IC 卡IC 卡是集成电路卡（Integrated Circuit Card）的简称，有些国家和地址称其为智能卡（Smart Ca
rd）、芯片卡（Chip Card）。国际标准化组织（ISO）在ISO7816 标准中规定，IC 卡是指在由聚氯乙烯（P
VC）或聚氯乙烯酸脂（PVCA）材料制成的塑料卡内嵌入式处理器和存储器等IC 芯片的数据卡。近年来，由
于导半体技术的进步，集成化程度和存储器容量有了很大提高，并使CPU 和存储器集成在一个芯片上，从
而提高了数据的安全性。
在本设计中，IC 卡采用的是AT45DB041B-SC 芯片，该芯片的特点如一下：
*单一的2.7V～3.6V 电源；
*串行接口结构；
*页面编程操作，单一的循环重复编程（擦除和编程，2048 页（每页264 字节）主存；
*两个264 字节的SRAM 数据缓存，允许在重编程非易失性存储器时接收数据；
*内置的编程和控制定时器；
*低功耗，4mA 有源读取电流，2μA CMOS 备用电流；
*15MHz 的最大时钟频率；
*串行外围接口方式（SPI）——模式0 和3；
*CMOS 的TTL 兼容的输入和输出；
*5.0V 可承受的输入，SI、SCK、CS（低电平有效）、RESET（低电平有效）。
在本设计的调试过程中，曾测试过IC 卡的输入输出电平，结果证明这种IC 卡的输入电平与TTL 兼容，
而输出电平与TTL 不兼容。
4 IC 卡的电源提供电路在本设计中，由于IC 卡的电源电压范围为+2.7～+3.6V，而PIC 单片机 需要的电源为+5V，而且稳压
源提供的电压也是+5V，因此，要设计一个稳压模块，给IC 卡提供+3V 左右的电压。设计电路如图3 所示。
该电路的主要元件为LM317 芯片，它是三端可调集成稳压器，输出电压为1.25～37V 范围内可调。当
其Vin 端的输入电压在2～40V 范围内变化时，电路均能正常工作，输出端Vout 和调整端ADJ 间的电压等
于基准电压1.25V。该芯片内的基电路的工作电流IREF 很小，约为50μA，由一个恒流性很好的恒流源提
供，所以它的大小不受供电电压的影响，非常稳定。在图3 中，B 点为电压输出端，为IC 卡提供电压。A
点为控制端，与 单片机 的一个端口引脚相连，当该引脚为低电平时，三极管Q1 不工作，B 点输出电压约为
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