關(guān)鍵詞：PIC單片機(jī) IC卡讀寫(xiě)器 SPI方式 USART方式
引言
本設(shè)計(jì)的主要目的是介紹IC卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)和IC卡的數(shù)據(jù)通信，因而使用存儲(chǔ)器卡。由于本設(shè)計(jì)中既可與IC卡進(jìn)行串行同步通信，又要與上位機(jī)進(jìn)行中行異步通信，因而需要選擇一種同時(shí)具有這兩種通信方式的單片機(jī)。因?yàn)镻IC16F877不僅具有本設(shè)計(jì)所需要的兩種通信方式，而且還具有運(yùn)行速度快、低功耗、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，所以選擇PIC16F877單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的單片機(jī)。
圖1是本設(shè)計(jì)的電路圖，圖中電源變換電路和發(fā)光二極管等指示電路沒(méi)有畫(huà)出。圖中的二極管電路是單片機(jī)與IC卡通信數(shù)據(jù)線(xiàn)的保護(hù)電路。當(dāng)數(shù)據(jù)線(xiàn)上的電壓為負(fù)電壓時(shí)，與地相連的二極管導(dǎo)通；當(dāng)數(shù)據(jù)線(xiàn)上的電壓大于 5V時(shí)，與 5V相連的二極管導(dǎo)通，從而保證數(shù)據(jù)線(xiàn)上的電壓在0V～ 5V之間，保護(hù)單片機(jī)和IC卡不受損壞。圖中單片機(jī)的15腳和23腳分別與IC卡的輸出引腳3和4相連。由于IC卡的輸出電壓為CMOS電平，而單片機(jī)能夠正確的識(shí)別IC卡的輸出信號(hào)，需要加上拉電阻。
1 SPI工作方式
串行外圍設(shè)備接口SPI（Serial Peripheral Interface）總線(xiàn)技術(shù)是Motrola公司推出的一種同步串行接口。SPI總線(xiàn)是一種三線(xiàn)同步總線(xiàn)，因其硬件能力很強(qiáng)，與SPI有關(guān)的軟件就相當(dāng)簡(jiǎn)單，使CPU有更多的時(shí)間處理其它事務(wù)，因此得到廣泛應(yīng)用。
SPI模式允許8位數(shù)據(jù)同步發(fā)送和接收，支持SPI的所有四種方式。SPI模式傳輸數(shù)據(jù)需要四根信號(hào)線(xiàn)：串行數(shù)據(jù)輸出（SDO）線(xiàn)、串行數(shù)據(jù)輸入（SDI）線(xiàn)、串行時(shí)鐘（SCK）和從選擇（SS）。其中，從選擇線(xiàn)只用于從屬模式。
1.1 SPI主模式
由于控制時(shí)鐘SCK的輸出，主模式可以在任何時(shí)候開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。主模式通過(guò)軟件協(xié)議控制從模式的數(shù)據(jù)輸出。
在主模式中，一旦SSPUF寄存器寫(xiě)入，數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)送或接收。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，SSPSR寄存器按照時(shí)鐘速率移位，一旦接收到一個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)就傳輸?shù)絊SPBUF，同時(shí)中斷標(biāo)志位和狀態(tài)標(biāo)志位置位。
時(shí)鐘的極性可以通過(guò)編程改變。在主模式中，時(shí)鐘SCK的頻率可以設(shè)置為：fosc/4(即Tcy)、fosc/16(即4Tcy)、fosc/64(即16Tcy)和定時(shí)器2（Timer2）輸出的二分頻等四種。在芯片時(shí)鐘為20MHz時(shí)，SCK的最大頻率為5.0MHz。
在本設(shè)計(jì)中，使用的就是SPI主模式，由單片機(jī)控制時(shí)鐘SCK的輸出。當(dāng)向IC卡中寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，隨時(shí)可以發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)讀IC卡內(nèi)的數(shù)據(jù)時(shí)，先要發(fā)送任意一個(gè)數(shù)據(jù)（此時(shí)IC卡不處于寫(xiě)入狀態(tài)，不會(huì)接收該數(shù)據(jù)）， 給IC卡提供輸出數(shù)據(jù)的時(shí)鐘，然后再接收IC卡發(fā)出的數(shù)據(jù)。其時(shí)序如圖2所示。（發(fā)送和接惦的數(shù)據(jù)均為6FH）
如果要連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么每次將數(shù)據(jù)送到SSPBUF寄存器后，都要判斷是否已經(jīng)發(fā)送完該數(shù)據(jù)，即判斷PIR1寄存器的SSPIF位是否為1。如果SSPIF位為1，則表明數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，可以繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。但此時(shí)還不能立即發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)，因?yàn)镾SPIF位必須在程序中由軟件清零，只有將SSPIF位軟件清零后，才能繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。
1.2 SPI從模式
在SPI從模式，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收領(lǐng)先SCK引腳上輸入的外時(shí)鐘脈沖，當(dāng)最后一位被鎖存后，中斷標(biāo)志位SSPIF（PIR1的D3）位。在休眠模式，從模式仍可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，一旦接收到數(shù)據(jù)，芯片就從休眠中喚醒。如果采用SS控制的從模式，當(dāng)SS引腳接到VDD時(shí)，SPI模式復(fù)位；如果 彩CKE=1控制的從模式，必須開(kāi)放SS引腳控制。
在本設(shè)計(jì)中，由于IC卡是存儲(chǔ)器卡，不能提供時(shí)鐘信號(hào)，因此不能采用從模式，只能采用主模式，由單片機(jī)控制時(shí)鐘信號(hào)。
單片機(jī)的SPI方式初始化程序如下：
MOVLW20H ；將20H送到累加器
MOVWF SSPCON ；將累加器中的數(shù)送到SSPCON寄存器
BSF STATUS，RP0 ；將定RAM區(qū)的第1頁(yè)
BCF SSPSTAT，SMP ；將SSPSTAT寄存器的SMP位置0
BSF SSPSTAT，CKE ；將SSPSTAT寄存器的CLK位置1
BCF TRISC，3 ；將端口C的第3位設(shè)置為輸出
BCF TRISC，5 ；將端口C的第5位設(shè)置為輸出
其中，上述第1、2行程序是配置控制寄存器，將SPI方式配置為主控模式，時(shí)鐘頻率為單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/4，并將時(shí)鐘的高電平設(shè)置為空閑狀態(tài)。第3行程序?yàn)閾Q頁(yè)指令，將指針轉(zhuǎn)到第1頁(yè)。因?yàn)镻IC16F877單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是分頁(yè)的，而所要操作的寄存器在第1頁(yè)，因此要用換頁(yè)指令將指針到第1頁(yè)。第4、5行程序是配置狀態(tài)寄存器，將SPI方式設(shè)置為數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘的中間采樣，時(shí)鐘SCK的上升沿觸發(fā)。第6、7行程序則是將RC口的RC3和RC5設(shè)置為輸出。
2 USART方式
通用同步異步接收發(fā)送模塊（USART）是兩個(gè)串行通信接口之一，USART又稱(chēng)為SCI（Serial Communication Interface）。USART可以設(shè)置為全雙工異步串行通信系統(tǒng)，這種方式可以與個(gè)人計(jì)算機(jī)PC或串行接口CRT等外圍設(shè)備進(jìn)行串行通信：也可以設(shè)置為半雙工異步串行通信系統(tǒng)，與串行接口的A/D或D/A集成電路、串行EEPROM等器件連接。USART是二線(xiàn)制串行通信接口，它可以被定義如下三種工作方式：全雙工異步方式、半雙工同步主控方式、半雙工同步從動(dòng)方式。
為了把RC6和RC7分別設(shè)置成串行通信接口的發(fā)送/時(shí)鐘（TX/CK）線(xiàn)和接收/數(shù)據(jù)（TX/DT）線(xiàn)，必須首先把SPEN位（TCSTAT的RD7）和方向寄存器TRISC的D7：D6置1。
USART功能模塊含有兩個(gè)8位可讀/寫(xiě)的狀態(tài)/控制寄存器，它們是發(fā)送狀態(tài)/控制寄存器TXSTA和接收狀態(tài)/控制寄存器TCSTA。
USART帶有一個(gè)8位波特率發(fā)生器BRG（Baud Rato Generator），這個(gè)BRG支持USART的同步和異步工作方式。用SPBRG寄存器控制一個(gè)獨(dú)立的8位定時(shí)器的周期。在異步方式下，發(fā)送狀態(tài)/控制寄存器TXSTA的BRGH位（即D2）也被用來(lái)控制波特率（在同步方式下忽略BRGH位）。
向波特率寄存器SPBRG寫(xiě)入一個(gè)新的初值時(shí)，都會(huì)使BRG定時(shí)器復(fù)位清零，由此可以保證BRG不需要等到定時(shí)器溢出后就可以輸出新的波特率。
對(duì)USART方式進(jìn)行初始化的程序如下：
BSF STATUS，RP0 ；將指針指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的第1頁(yè)
MOVLW 0x19
MOVWF SPBRG ；設(shè)置波特率為9600
BCF STATUS，RP0 ；將指針指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的第0頁(yè)
CLRF RCSTA ；將接收控制和狀態(tài)寄存器清零
BSF RCSTA，SPEN ；串口允許
CLRF PIR1 ；清除中斷標(biāo)志
BSF STATUS，RP0 ；將指針指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的第1頁(yè)
CLRF TXSTA ；將發(fā)送控制和狀態(tài)寄存器清零
BSF TXSTA，BRGH ；設(shè)置為異步、高速波特率
BSF TXSTA，TXEN ；允許發(fā)送
BCF STATUS，RP0 ；將指針指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的第0頁(yè)
BSF RCSTA，CREN ；允許接收
初始化完成后，即可發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)查詢(xún)發(fā)送/接收中斷標(biāo)志位即可判斷是否發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)/接收到一個(gè)數(shù)據(jù)。發(fā)送/接收中斷標(biāo)地不需要也不有用軟件復(fù)位。
在異步串行發(fā)送的過(guò)程中，只要TXREG寄存器為空，中斷標(biāo)志TXIF就置位。因此，TXIF為1并不是發(fā)送完畢的標(biāo)志，但仍可以用TXIF標(biāo)志來(lái)判斷。因此當(dāng)TXREG為空時(shí)，將數(shù)據(jù)送入后，數(shù)據(jù)會(huì)保留在TXREG寄存器中，直到前一個(gè)數(shù)據(jù)從發(fā)送移位寄存器中移出，即前一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送完。
