基于51單片機的硬件加密鎖的設(shè)計與實現(xiàn)

1、燕山大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(論文學(xué) 院 里仁學(xué)院年級專業(yè) 03電信 3班學(xué)生姓名 楊強強指導(dǎo)教師 李林專業(yè)負(fù)責(zé)人 練秋生答辯日期 6月 24日 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文任務(wù)書 學(xué)院:里仁學(xué)院 系級教學(xué)單位:電子與通信工程系 (輸入章及標(biāo)題 說明:如計算機輸入,表題黑體小三號字,內(nèi)容五號字。本任務(wù)書一式二份,教 師、學(xué)生各執(zhí)一份。摘要摘 要單片機是把主要計算機功能部件都集成在一塊芯片上的微型計算機。 單片機即單片微型計算機(Single-Chip Microcomputer ,是集CPU ,RAM ,ROM ,定時,計數(shù)和多種接口于一體的微控制器。其中 51單 片機是各種單片機中最為典型和最有代表性的一種

2、 , 廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。 本課題選擇 MCS-51單片機為核心控制元件,設(shè)計了一個日常生活中 用到的硬件加密鎖系統(tǒng)。 該系統(tǒng)是由單片機系統(tǒng)及 MAX232組成。 使用單 片機匯編語言進(jìn)行編程,實現(xiàn)了硬件加密鎖的功能本論文主要介紹了硬件 加密鎖的軟、硬件部分的設(shè)計,以及在設(shè)計、調(diào)試過程中遇到的問題及解 決方案。經(jīng)過實踐證明,本課題設(shè)計的該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,穩(wěn)定,造價成本 低,功能完全,具有很強的實用性。關(guān)鍵詞 8051單片機;硬件加密鎖系統(tǒng); MAX232燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文AbstractThe single slice machine is the microcomputer whic

3、h all integrates main calculator function partses on a piece of chip.Single slice machine namely single slice microcomputer(the Microcomputer of the Single-Chip, gather CPU, RAM, ROM, count to connect in the tiny controller of integral whole with variety in fixed time.Among them 51 single slice mach

4、ines is various single slice machine in is a typical model most and have representative 1 kind most , extensively applied in each realm.This topic choice MCS-51 single slice machine is a core control component, designed a daily life convenient arrive of the hardware encrypt lock system.That system c

5、onstitutes tofrom single slice machine system and MAX232.Using the single slice machine edits collected materials language to carry on weaving a distance, the function which carries out hardware to encrypt a lock originally the thesis mainly introduced hardware to encrypt to lock of soft, the design

6、 of hardware part, and meet in the design, adjust try the process of the problem and the solution.Pass by to practice a certificate, the systems structure ofwith this topic design simple, stabilize, build price cost low, function complete, have very strong function.Keywords Single Chip Computer 8051

7、51 The hardware encrypts lock system MAX232摘要目 錄摘 要 . . I Abstract . II第 1章緒論 . . 1 1.1課題背景 . . 1 1.1.1 課題的國內(nèi)外現(xiàn)狀 . . 1 1.1.2 課題的發(fā)展趨勢 . . 3 1.1.3 本文研究的主要內(nèi)容 . . 7 1.2 本章小結(jié) . . 7第 2章總體方案與論證 . . 5 2.18051單片機 . . 5 2.1.1 8051的介紹 . . 5 2.2本章小結(jié) . 11第 3章硬件電路設(shè)計 . . 11 3.1設(shè)計部分 . 11 3.1.1硬件部分 . . 11 3.4本章小結(jié) .

8、17第 4章軟件電路設(shè)計 . . 19 4.1程序框圖 . 19 4.1.1軟件系統(tǒng)中的主程序流程圖 . . 19 4.1.2軟件電路設(shè)計 . 20 4.2系統(tǒng)調(diào)試 . 20 4.3測試過程 . 21 4.4本章小結(jié) . 21燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文結(jié) 論 . . 23參考文獻(xiàn) . . 24附錄 1 . . 25附錄 2 . . 31附錄 3 . . 34附錄 4 . . 47致謝 . . 1第 1章緒論第 1章緒論1.1.1 課題的國內(nèi)外現(xiàn)狀隨著 PC 機的普及,各種不同功能的計算機軟件相繼產(chǎn)生,使 PC 機 的功能不斷增強,方便了人們的學(xué)習(xí),工作,和生活。但是在利益的驅(qū)使 下,軟件盜版

9、盜用的現(xiàn)象日益嚴(yán)重。如何保護(hù)軟件開發(fā)者的知識產(chǎn)權(quán)和經(jīng) 濟(jì)利益,保證正版軟件用戶的利益是一個急需解決的問題。單純的軟件加 密顯然是不夠的。因此我們需要一種更為有效的硬件加密方式。硬件加密 鎖,俗程“加密狗” 。它通過硬件設(shè)備實現(xiàn)防止軟件在使用過程中被非法復(fù) 制和盜版。 在當(dāng)今中國市場上最主要的加密鎖品牌有:1。 美國彩虹公司 (也 是最早做硬件加密的公司的國產(chǎn)品牌 “ 加密狗 ” 、美國品牌 “ 圣天諾軟件加 密鎖 ” ; 2。 阿拉丁的 “HASP” 系列加密鎖; 3。 德國威博公司的 “WBU -KEY” 加密鎖; 4。深思洛克的 “ 深思加密鎖 ” ; 5。藍(lán)宇風(fēng)公司的 “ 金盾加密鎖 ”

10、 ; 6。 飛天公司的 “ROCKEY” 加密鎖等幾個主要品牌。以上加密鎖品牌的工作原 理都是大同小異:被保護(hù)的軟件-加密鎖之間形成一一對映的關(guān)系,被 保護(hù)的軟件在運行的過程當(dāng)中不斷通過其 API 函數(shù)向加密鎖發(fā)指令來判斷 加密鎖是否存在于,軟件離開保護(hù)鎖不能運行。第一代硬件保護(hù)鎖,只是 通過一個簡單查詢函數(shù)來驗證并口的硬件保護(hù)鎖是否存在,存在則程序繼 續(xù)運行,不再則軟件終止運行,來完成并保護(hù)軟件開發(fā)商的利益;第二代 的硬件加密鎖與第一代的產(chǎn)品相比較最大的改變在于加密鎖硬件里頭的運 算芯片由 RAINBOW 公司寫入了一個固定的 “ 加密算法 ” ,但這個算法是單 一的固定的。以上兩種產(chǎn)品對于

11、軟件開發(fā)商來說有一個相當(dāng)大的風(fēng)險。如 果 RAINBOW 把相同的產(chǎn)品出售給別人的話,別人拿到這個加密鎖就能使 用開發(fā)商的軟件;第三代的硬件加密產(chǎn)品,這種產(chǎn)品徹底解決了軟件開發(fā) 商的后顧之憂。這種產(chǎn)品其運算芯片中內(nèi)置了 28種算法,共分為 56個單 元,每兩個單元可以單獨保護(hù)一個應(yīng)用程序,故用 RAINBOW 公司的說法 其一把鎖可以保護(hù) 28個應(yīng)用程序; 且這種加密鎖的每個算法單元所采用的 算法因子是由軟件開發(fā)商自己設(shè)定的,當(dāng)其寫入加密鎖后對于外界來說就 相當(dāng)于一個暗箱,是任何人也讀不出來的。但隨著解密者的技術(shù)的不斷提 高, RAINBOW 中國公司研發(fā)出了第四代的產(chǎn)品-智能狗, 與現(xiàn)今的差

12、不多所燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文有品牌的加密鎖相比較,這種狗有了一個質(zhì)的飛躍:其通過在開發(fā)過程中 把一段代碼加密后寫入加密狗,當(dāng)程序運行時再把加密狗里的代碼在加密 狗里自行運行,程序調(diào)用其運算結(jié)果來完成軟件的加密,如此就從理論上 杜絕了軟件被破解的可能?，F(xiàn)在市面上的加密狗的工作原理不外乎 RAINBOW 的這兩種形式:1、程 序發(fā)命令查詢-加密狗運算后相應(yīng)程序; 2、把源代碼放入加密狗內(nèi)部執(zhí) 行。第 1章緒論盜版既是軟件行業(yè)的問題,也是一個社會問題。在軟件行業(yè) , 所有的軟件開發(fā)商、銷售商都為來自光盤、來 自 Internet 的全球范圍內(nèi)的軟件盜版而困擾。從軟件使用者的角 度來講,往往只看

13、到購買盜版 “ 所占到的便宜 ” ,而忽視了服務(wù)無 法保證、系統(tǒng)安全風(fēng)險等諸多問題的存在,也正是由于這種 “ 忽 視 ” , 在很大程度上限制了軟件產(chǎn)業(yè)特別是民族軟件產(chǎn)業(yè)的成長。 我們回想一下有多少軟件企業(yè)被盜版而扼殺在搖籃里?又有多 少企業(yè)倒在了反盜版的路上?軟件企業(yè)要生存,軟件行業(yè)要持 續(xù)、健康發(fā)展,因此軟件保護(hù)才應(yīng)運而生,大部分軟件商最初采 用的保護(hù)方式主要是軟加密,主要有密碼方式、 軟件自校驗方 式和鑰匙盤方式等純軟件的手段,但是隨著軟件保護(hù)行業(yè)的發(fā) 展, 解密技術(shù)也隨之出現(xiàn)并快速的發(fā)展起來, 軟加密的方式已經(jīng) “ 不堪一擊 ” ; 在這種情況下, 依賴于硬件的保護(hù)開始被廣泛應(yīng)用, 成

14、為最常用的保護(hù)手段。加密卡、加密狗(加密鎖等也成為了 軟件保護(hù)技術(shù)進(jìn)步下的產(chǎn)物。但是,加密與解密的斗爭是永無休止的;很快,普通的硬件 保護(hù)技術(shù)受到了挑戰(zhàn)!于是, 2001年以后,軟件保護(hù)行業(yè)形成 一輪新的技術(shù)升級浪潮,突破性地在金融、軍隊、網(wǎng)絡(luò)身份認(rèn)證燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文等對安全性、穩(wěn)定性要求極高的領(lǐng)域廣泛使用的智能卡(Smart Card 技術(shù)來對商業(yè)軟件的進(jìn)行保護(hù)。以智能卡技術(shù)為核心構(gòu)建 的新一代的軟件保護(hù)系統(tǒng), 對用戶的軟件代碼和重要數(shù)據(jù)提供了 全方位、高安全度的保護(hù),被稱為軟件盜版的 “ 終結(jié)者 ” 。在與盜 版的激烈斗爭中, 中國軟件保護(hù)行業(yè)市場逐步形成并在市場的強 烈激發(fā)和

15、需求下快步的蓬勃發(fā)展,深思洛克、阿拉丁、彩虹天地 (現(xiàn)為美國賽孚耐等都是其中的佼佼者。時至今日, 在以智能卡技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建的軟件保護(hù)技術(shù)已經(jīng) 非常完善, 以深思洛克的代表產(chǎn)品 -精銳 IV 加密鎖為例。 她所采 用的芯片是目前國際上唯一通過 EAL5+的安全芯片,以其優(yōu)秀 的防物理攻擊、電子探測功能為加密鎖提供了一個安全的 “ 芯 ” 。 利用她強大的處理能力, 軟件開發(fā)商可以將軟件中一段或幾段關(guān) 鍵的代碼移植到加密鎖中運行, 或?qū)④浖\行所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)保 存在鎖內(nèi),外部軟件通過接口函數(shù)訪問硬件中的關(guān)鍵代碼或數(shù) 據(jù),由于這些代碼和數(shù)據(jù)在 PC 端沒有副本存在,解密者根本無 從猜測算法或竊取數(shù)據(jù)

16、。 然而, 就在軟件保護(hù)行業(yè)正在為技術(shù)變 革帶來的高安全性而欣喜的時候,軟件開發(fā)商卻提出了新的需 求 要求加密鎖將軟件銷售渠道、 加密鎖生產(chǎn)、 發(fā)行管理起來。 目前,我國軟件開發(fā)商大多采用代理制、分銷制的發(fā)行方式,在第 1章緒論享受其帶來的諸多優(yōu)勢的同時, 也給軟件發(fā)行管理帶來了諸多問 題, 而這是傳統(tǒng)加密鎖根本無法解決的, 事實證明所謂的這類普 通加密鎖已經(jīng)在逐漸失去其存在的價值和意義。首先,如果軟件開發(fā)商是采用傳統(tǒng)加密鎖進(jìn)行軟件保護(hù)的, 那么在軟件升級及功能更新時候, 必須將加密鎖通過郵寄的方式 往返于軟件開發(fā)商和最終用戶, 這種方式大大增加了運輸和管理 成本; 其次傳統(tǒng)加密鎖采用的是普通

17、的單片機, 所以單純從硬件 來說很難抵御目前快速發(fā)展的解密技術(shù)攻擊, 硬克隆這種完全的 破解對于解密者來說也并非難事, 傳統(tǒng)的加密鎖存在極大的被解 密的風(fēng)險;另外,傳統(tǒng)的加密鎖由于天生的安全缺陷,無法幫助 軟件企業(yè)對發(fā)行渠道進(jìn)行有效地控制和管理, 所以對渠道過程中 “ 兼守自盜 ” 束手無策, 然而往往一些軟件的盜版壓力就來自發(fā)行 渠道?；谝陨县酱鉀Q的問題,深思洛克率先在 2002年推出基 于安全智能卡芯片的高強度加密鎖, 輔以及安全、 高效的加密解 決方案, 使數(shù)千套軟件得到安全無憂的保護(hù), 并利用智能卡所具 有的網(wǎng)絡(luò)安全特質(zhì), 將加密鎖的遠(yuǎn)程升級功能, 以及軟件授權(quán)管燕山大學(xué)本科生畢業(yè)

18、設(shè)計(論文理功能賦予了安全的智能卡加密鎖, 從而成功的解決了軟件企業(yè) 及軟件保護(hù)行業(yè)共同面臨的難題。如果說智能卡加密鎖的安全解決方案以及 “ 遠(yuǎn)程更新 ” 技術(shù) 是實現(xiàn)軟件銷售管理的基礎(chǔ), 那么授權(quán)管理技術(shù)則是這一應(yīng)用得 以實現(xiàn)的保障。 他不僅可以成功解決軟件企業(yè)眼前的難題, 更重 要的是基于軟件授權(quán)管理可以打造全新的軟件銷售模式, 為軟件 行業(yè)帶來革命性的進(jìn)步。 客戶可以根據(jù)自己的需求按使用時間或 使用次數(shù)定制軟件, 也可以按自己的要求定制使用的軟件種類與 模塊組合, 客戶只需要為自己必須的應(yīng)用功能或服務(wù)付款; 并通 過試用,確定符合自己的需求的基礎(chǔ)上,購買服務(wù),并通過遠(yuǎn)程 開通來使用這種服

19、務(wù) !可見,新的 “ 加密鎖整體保護(hù)方案 ” 與傳統(tǒng) “ 軟件加密 ” 有太大 不同。 首先, 軟件企業(yè)利用這種管理模式可以非常方便的管理自 己的銷售渠道和最終用戶; 其次, 消費者可以通過遠(yuǎn)程申請使用 滿足自己需求的軟件模塊, 并且不需要初期昂貴的投資, 而僅僅 需要按次或按時支付固定的費用。第 1章緒論可以預(yù)見, 軟件租賃服務(wù)一旦成為軟件銷售的主流形式, 對 軟件保護(hù)行業(yè)來說,則意味著許多商業(yè)機會,如財務(wù)、 CRM 、 HR 等需要較多服務(wù)的管理類軟件或建筑類、娛樂類對安全有較 高要求, 對客戶信息需要管理的軟件采用傳統(tǒng)的加密已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法 滿足需求! 大多數(shù)軟件企業(yè)將采用這種新的管理模式,

20、軟件企業(yè) 關(guān)心的將不僅僅是盜版問題, 而是在軟件安全的情況下如何提高 服務(wù)質(zhì)量、如何輕松實現(xiàn)渠道、客戶信息的可控管理、如何保證 授權(quán)管理的高安全性1.1.3 本課題研究的主要內(nèi)容本設(shè)計目的使學(xué)生熟練掌握 MCS-51本操作和調(diào)試程序的各種指令。熟悉編程及 調(diào)試程序的方法。掌握 8051的工作原理和應(yīng)用編程方法,練習(xí)編寫中斷程 序的方法。掌握 8051的工作原理、工作方式及其應(yīng)用編程。本設(shè)計的要求:1. 查閱與課題相關(guān)的文獻(xiàn),了解硬件“看門狗”的作用及工作原理2. 實現(xiàn)硬件電路3. 實現(xiàn)單片機軟件算法4. 編制一個簡單的 Demo1.2 本章小結(jié)本章簡單介紹了本次設(shè)計的課題國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢和

21、研究的主要 內(nèi)容,為以后的設(shè)計的設(shè)計作好準(zhǔn)備。第 2章總體方案與論證第 2章總體方案與論證2.1 8051單片機2.1.1 8051簡介8051系列單片機是 8051是 MCS-51系列單片機的典型產(chǎn)品,美國 ATMEL 公司前些年推出的一種新型高性能低價位、低電壓低功耗的 8位 CMOS 微型計算機。 8051單片機包含中央處理器、程序存儲器 (ROM、 數(shù)據(jù)存儲器 (RAM、定時 /計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大 單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線,現(xiàn)在我們分別加以說 明:下圖是 MCS-51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文 中央處理器:中央

22、處理器 (CPU是整個單片機的核心部件, 是 8位數(shù)據(jù)寬度的處理器, 能處理 8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼, CPU 負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng) 協(xié)調(diào)的工作,完成運算和控制輸入輸出功能等操作。存儲器:單片機的結(jié)構(gòu)有兩種類型,一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形 式,即哈佛 (Harvard結(jié)構(gòu),另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲 器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu),即普林斯頓 (Princeton結(jié)構(gòu)。 INTEL 的 MCS-51系列單片機采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式, 而后續(xù)產(chǎn)品 16位的 MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。8051單片機的存儲器在物理結(jié)構(gòu)上分為程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器第

23、 2章總體方案與論證空間,共有 4個存儲空間:片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器以及片內(nèi)數(shù) 據(jù)存儲器、片外數(shù)據(jù)存儲器空間。這種程序存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的結(jié)構(gòu)形 式被稱為哈佛結(jié)構(gòu)。但從用戶的角度, 8051存儲器地址空間可分為 3類:片內(nèi)、片外統(tǒng)一編址 0000HFFFFH的 64KB 程序存儲器地址空間 (用 16位 地址 ; 64KB 片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間,地址也從 0000HFFFFH(用 16位 地址 編址; 256B 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器地址空間 (用 8位地址 。 上述 4個存儲 空間地址是重疊的,如圖所示。 8051的指令系統(tǒng)設(shè)計了不同的數(shù)據(jù)傳送指 令以區(qū)別這 4個不同的邏輯空間:CPU 訪

24、問片內(nèi)、 片外 ROM 指令用 MOVC , 訪問片外 RAM 指令用 MOVX ,訪問片內(nèi) RAM 指令用 MOV 。 數(shù)據(jù)存儲器 (RAM:8051內(nèi)部有 128個 8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和 128個專用寄存器單元, 它們是統(tǒng)一編址的,專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù),用戶只能訪 問,而不能用于存放用戶數(shù)據(jù),所以,用戶能使用的的 RAM 只有 128個, 可存放讀寫的數(shù)據(jù),運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 程序存儲器 (ROM:8051共有 4096個 8位掩膜 ROM ,用于存放用戶程序,原始數(shù) 據(jù)或表格。程序存儲器用于存放編好的程序和表格常數(shù)。程序通過 16位程 序計數(shù)器尋址,尋址能

25、力為 64KB 。這使得指令能在 64KB 的地址空間內(nèi)任 意跳轉(zhuǎn),但不能使程序從程序存儲器空間轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)存儲器空間。實際上,燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文當(dāng)引腳 EA 接高電平時, 8051的程序計數(shù)器 PC 執(zhí)行片內(nèi) ROM 中的程序, 當(dāng)指令地址超過片內(nèi) ROM 地址時, 就自動轉(zhuǎn)向片外 ROM 中去取指令。 當(dāng) 引腳 EA 接低電平 (接地 時, 8051片內(nèi) ROM 不起作用, CPU 只能從片外 ROM 中取指令,地址可以從 0000H 開始編址。 8051從片內(nèi)程序存儲器和 片外程序存儲器取指時的執(zhí)行速度相同。定時 /計數(shù)器 (ROM:8051不僅有豐富的可用端口,其還內(nèi)含有兩個

26、16位的計時器 /定時 器, 稱為計數(shù)器 TO 及計數(shù)器 T1, 以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序 轉(zhuǎn)向。其主要作用有兩點 :第一,做一段特定時間長短的計時。第二,可以 計算由 TO 或 Tl 引腳的輸入脈沖數(shù)。前者在應(yīng)用上可以產(chǎn)生正確的時間延 遲及定時去執(zhí)行中斷服務(wù)程序,這是 MCU 在軟件控制程序上常用到的技 巧, 而后者的應(yīng)用則是計數(shù)器或是頻率計的設(shè)計。 這兩個計數(shù)器本身都有 4種工作模式可以選用 :模式 0:13位計時工作模式模式 1:16位計時工作模式模式 2:具有從新載入計數(shù)值的 8位計時模式模式 3:計數(shù)器 Tl 停止計時工作,而計數(shù)器 0分為兩個獨立的 8位計數(shù)器由 TLO

27、 和 THO 來負(fù)責(zé)計時工作。計數(shù)器的初值設(shè)定是由下面的公式來計算的, 設(shè) C 為要計數(shù)的次數(shù)則 :并行輸入輸出 (I/O口:8051共有 4組 8位 I/O口 (P0、 P1、 P2或 P3 ,用于對外部數(shù)據(jù)的 傳輸。P0口有三個功能:1、 外部擴展存儲器時 , 當(dāng)做數(shù)據(jù)總線 (如圖 1中的 D0D7為數(shù)據(jù)總線接口2、 外部擴展存儲器時 , 當(dāng)作地址總線 (如圖 1中的 A0A7為地址總線接口3、不擴展時 , 可做一般的 I/O使用 , 但內(nèi)部無上拉電阻 , 作為輸入或輸出時應(yīng) 在外部接上拉電阻。P1口只做 I/O口使用:其內(nèi)部有上拉電阻。P2口有兩個功能:1、擴展外部存儲器時 , 當(dāng)作地址

28、總線使用第 2章總體方案與論證2、做一般 I/O口使用 , 其內(nèi)部有上拉電阻 ;P3口有兩個功能:除了作為 I/O使用外(其內(nèi)部有上拉電阻 , 還有一些特殊功能 , 由特殊寄存 器來設(shè)置。全雙工串行口:8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口,用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳 送,該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器,也可以當(dāng)同步移位器使用。 8051單片機的串行端口有 4種基本工作方式 , 通過編程設(shè)置,可 以使其工作在任一方式,以滿足不同應(yīng)用場合的需要。其中,方式 0主要 用于外接移位寄存器,以擴展單片機的 I /O 電路;方式 1多用于雙機之間 或與外設(shè)電路的通信; 方式 2、 3除有方式 1的功能外,

29、 還可用作多機通信, 以構(gòu)成分布式多微機系統(tǒng)。串行端口有兩個控制寄存器 , 用來設(shè)置工作方式、發(fā)送或接收的狀態(tài)、 特征位、 數(shù)據(jù)傳送的波特率 (每秒傳送的位數(shù) 以及作為中斷標(biāo)志等。 串行端 口有一個數(shù)據(jù)寄存器 SBUF(在特殊功能寄存器中的字節(jié)地址為 99H , 該寄 存器為發(fā)送和接收所共同。發(fā)送時,只寫不讀;接收時,只讀不寫。 在一 定條件下, 向陽 UF 寫入數(shù)據(jù)就啟動了發(fā)送過程; 讀 SBUf 就啟動了接收過 程。串行通信的波特率可以程控設(shè)定。在不同工作方式中,由時鐘振蕩頻 率的分頻值或由定時器 Tl 的定時溢出時間確定,使用十分方便靈活。 8051的串行 I/O有 4中工作模式可供選擇

30、:模式 0:此模式是做串行傳送 1/0控制, 而非真正的串行通信應(yīng)用。 工 作于此模式時由 TXD 引腳發(fā)送出同步移位脈沖,由 RXD 引腳送出或接收串 行數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)形式是 8位數(shù)據(jù),同步脈沖的寬度也是固定的,為系統(tǒng)工作 震蕩的 1/12, 等于 8051的一個工作周期。模式 1:此模式為經(jīng)常使用的串行工作模式,串行數(shù)據(jù)位由 TXD 引腳傳送出去,由 RXD 引腳將對方發(fā)來的串行數(shù)據(jù)位接收進(jìn)來。至于傳輸 的波特率是由計時器 T1來規(guī)劃的, 只要將不同的計數(shù)器初值載入計時器中, 可以做不同的波特:燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文 而在模式 1和模式 3下的波特率由內(nèi)部計數(shù)器 T1來控制, 此時應(yīng)

31、使用 計數(shù)器工作模式 2, 自動重新載入計時模式。 在模式 2下, 使用的計數(shù)寄存 器為 TL 1, 而 TH 1則是在做自動載入計時值的設(shè)定。 波特率的計算公式為 :將上式整理得:中斷系統(tǒng):8051具備較完善的中斷功能,有兩個外中斷、兩個定時 /計數(shù)器中斷 和一個串行中斷,可滿足不同的控制要求,并具有 2級的優(yōu)先級別選擇。 8051單片機的中斷系統(tǒng)簡單實用,其基本特點是:有 5個固定的可屏蔽中 斷源, 3個在片內(nèi), 2個在片外,它們在程序存儲器中各有固定的中斷入口 地址, 由此進(jìn)入中斷服務(wù)程序; 5個中斷源有兩級中斷優(yōu)先級, 可形成中斷 嵌套; 2個特殊功能寄存器用于中斷控制和條件設(shè)置的編程

32、。 5個中斷源的 符號、名稱及產(chǎn)生的條件如下:INT0:外部中斷 0,由 P3. 2端口線引入,低電平或下跳沿引起。 INT1:外部中斷 1,由 P3. 3端口線引入,低電平或下跳沿引起。 T0:定時器/計數(shù)器 0中斷,由 T0計滿回零引起。T1:定時器/計數(shù)器 l 中斷,由 T1計滿回零引起。TI /RI :串行 I /O 中斷,串行端口完成一幀字符發(fā)送/接收后引起。 整個中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見下圖一所示。第 2章總體方案與論證由圖一可見,外部中斷有下跳沿引起和低電平引起的選擇;串行中斷 有發(fā)送 (TI相接收 (R1的區(qū)別;各個中斷源打開與否,受中斷自身的允許位 和全局允許位的控制,并具有高優(yōu)

33、先級和低優(yōu)先級的選擇。中斷系統(tǒng)的控制寄存器:中斷系統(tǒng)有兩個控制寄存器 IE 和 IP , 它們分 別用來設(shè)定各個中斷源的打開/關(guān)閉和中斷優(yōu)先級。此外,在 TCON 中另 有 4位用于選擇引起外部中斷的條件并作為標(biāo)志位。時鐘電路:8051內(nèi)置最高頻率達(dá) 12MHz 的時鐘電路,用于產(chǎn)生整個單片機運行 的脈沖時序,但 8051單片機需外置振蕩電容。后面章節(jié)詳細(xì)介紹。2. 本章小結(jié)本章介紹了 8051單片機的結(jié)構(gòu)及工作原理,為以后的設(shè)計做準(zhǔn)備。 第 3章硬件電路設(shè)計第 3章硬件電路設(shè)計3.1 設(shè)計部分3.1.1 硬件部分1 8051單片機的引腳介紹目前制造工藝為 HMOS 的 MCS-51的單片機都

34、采用 40只引腳的雙 列直插封裝方式, 40只引腳按其功能分,可分為三個部分:圖 1-11. 電源及時鐘引腳:Vcc,Vss ; XTAL1.XTAL2.2. 控制引腳:PSEN 、 ALE 、 EA 、 RESET3. I/O口引腳:P0、 P1、 P2、 P3, 為 4個 8位 I/O口的外部引腳。 電源及時鐘引腳( 1 電源引腳接入單片機的工作電源。 Vcc (40腳 :接 +5V電源; Vss(20腳 :接地。( 2 時鐘引腳 XTAL1、 XTAL2。時鐘引腳接外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成了一個振蕩器,它 提供單片機的時鐘控制信號。時鐘引腳也可外接晶體振蕩器。( 3 控制引腳 燕山

35、大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文此類引腳提供控制信號,有的還具有復(fù)制功能。( 4 RST/VPD(9腳 :當(dāng)振蕩器運行時,在此引腳外加上兩個機器周期 的高電平將使單片復(fù)位(RST 。掉電期間,此引腳可接上備用電源(VPD , 以保持內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù),當(dāng) Vcc 下掉到低于規(guī)定的值, 而 VPD 在其規(guī)定的 電壓范圍內(nèi)(50.5V 時, VPD 就向內(nèi)部 RAM 提供備用電源。(5 ALE/PROG(30腳 :當(dāng)訪問單片機外部存儲器時, ALE 輸出脈沖 的負(fù)跳沿用于 16位地址的低 8位的鎖存信號。 即使不訪問外部存儲器, ALE 端仍有正脈沖信號輸出, 此頻率為時鐘頻率的 1/6。 但是, 每當(dāng)

36、訪問外部數(shù) 據(jù)存儲器時,在兩個機器周期中 ALE 只出現(xiàn)一次,即丟失一個 ALE 脈沖。 因此,嚴(yán)格來說,用戶不能用 ALE 做時鐘愿或定時。 ALE 端可以驅(qū)動 8個 TTL 負(fù)載(6 PSEN (29腳 :此角的輸出是單片機訪問外部程序存儲器的讀選 通信號。 在由外部程序存儲器取指令期間, 每個機器周期 PSEN 有兩次有效。 但在此期間, 每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時, 這兩次有效的 PSEN 信號不出現(xiàn)。 PSEN 可以驅(qū)動 8個 TTL 負(fù)載。(7 EA/VPP(31腳 :當(dāng) EA 端保持高電平時,單片機訪問內(nèi)部程序存 儲器, 但在 PC 只超過 0FFFH 時, 將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序

37、存儲器內(nèi)的程序。 當(dāng) EA 保持低電平時,則只訪問外部程序存儲器,不管是否有內(nèi)部程序存儲 器。2MAX232的介紹MAX232 第 3章硬件電路設(shè)計一般說明:MAX232是雙路驅(qū)動 /接收器, 內(nèi)部包括電容型的電壓生成器, 可以將單 5V 電源轉(zhuǎn)換成符合 EIA/TIA-232-E的電壓等級。接收器將EIA/TIA-232-E標(biāo)準(zhǔn)的輸入電平轉(zhuǎn)換成 5VTTL/CMOS電平。接收器的典型 臨界值是 1.3V , 典型磁滯是 0.5V , 可以接收 30V 的輸入信號。 驅(qū)動器 (發(fā) 送器將 TTL/CMOS輸入電平轉(zhuǎn)換成 EIA/TIA-232-E電平。特性:單 5V 電源 , LinBiCMO

38、S 工藝 ,兩個驅(qū)動器和兩個接收器 , 30V 的輸入電平 ,低工作電流:8mA 典型值 ,滿足和超過 ANSI EIA/TIA-232-E和 ITU 推薦標(biāo)準(zhǔn) V.28 , 可以和 MAXIM 的 MAX232互換應(yīng) 用, EIA/TIA-232-E標(biāo)準(zhǔn),電池供電系統(tǒng) ,終端 MODEM 計算機, ESD 保 護(hù)超過 2000V (MIL-STD-883, METHOD 3015。3RS232的介紹RS232 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文RS232接口就是串口, 電腦機箱后方的 9芯插座, 旁邊一般有 |O|O| 樣標(biāo)識。一般機箱有兩個,新機箱有可能只有一個。筆記本電腦有可能沒有。 有很 多

39、工業(yè)儀器將它作為標(biāo)準(zhǔn)通信端口。通信的內(nèi)容與格式一般附在儀器的用 戶說明書中。計算機與計算機或計算機與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊 和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低,特別 是在遠(yuǎn)程傳輸時,避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。 在串行通 訊時,要求通訊雙方都采用一個標(biāo)準(zhǔn)接口,使不同 的設(shè)備可以方便地連接 起來進(jìn)行通訊。 RS-232-C 接口(又稱 EIA RS-232-C是目前最常用的 一種串行通訊接口。它是在 1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA 聯(lián)合貝爾 系統(tǒng)、 調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的 標(biāo) 準(zhǔn)。 它的全名是 “ 數(shù)據(jù)終端

40、設(shè)備 (DTE 和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備 (DCE 之間 串 行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) ” 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個 25個腳的 DB25連 接器,對連接器的每個引腳的信號內(nèi)容加以規(guī)定,還對各種信 號的電平加 以規(guī)定。(1接口的信號內(nèi)容 實際上 RS-232-C 的 25條引線中有許多是很少 使用的, 在計算機與終端通訊中一般只使用 3-9條引線。 RS-232-C 最常用 的 9條引線的信號內(nèi)容見附表 1所示(2 接口的電氣特性 在 RS-232-C 中任何一條信號線的電壓均為負(fù)邏 輯關(guān)系。即:邏 輯 “1” , -5 -15V;邏輯 “0” +5 +15V 。噪聲容限為 2V 。 即 要求接收器能識別

41、低至 +3V的信號作為邏輯 “0” ,高到 -3V 的信號 作為 邏輯 “1”(3 接口的物理結(jié)構(gòu) RS-232-C 接口連接器一般使用型號為 DB-25的 25芯插頭座 , 通常插頭在 DCE 端 , 插座在 DTE 端 . 一些設(shè)備與 PC 機連接的 RS-232-C 接口 , 因為不使用對方的傳送控制信號 , 只需三條接口線 , 即 “ 發(fā)送 數(shù)據(jù) ” 、 “ 接收數(shù)據(jù) ” 和 “ 信號地 ” 。所以采用 DB-9的 9芯插頭座,傳輸線采用 屏蔽雙絞線。(4傳輸電纜長度 由 RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在碼元畸變小于 4%的情況 下,傳輸電纜長度應(yīng)為 50英尺,其實這個 4%的碼元畸變是很保

42、守的,在 實際應(yīng)用中,約有 99%的用戶是按碼元畸變 10-20%的范圍工作的,所以 實際使用中最大距離會遠(yuǎn)超過 50英尺,美國 DEC 公司曾規(guī)定允許碼元畸第 3章硬件電路設(shè)計變?yōu)?10%而得出附表 2 的實驗結(jié)果。其中 1號電纜為屏蔽電纜,型號為 DECP.NO.9107723 內(nèi)有三對雙絞線,每對由 22# AWG 組成,其外覆以 屏蔽網(wǎng)。 2號電纜為不帶屏蔽的電纜。型號為 DECP.NO.9105856-04是 22#AWG的四芯電纜。1.RS-232-C 是美國電子工業(yè)協(xié)會 EIA (Electronic Industry Association 制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。 RS

43、是英文 “ 推薦標(biāo)準(zhǔn) ” 的縮寫, 232為標(biāo)識號, C 表示修改次數(shù)。 RS-232-C 總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有 25條信號線, 包括一個主通道和一個輔助通道,在多數(shù)情況下主要使用主通道,對于一 般雙工通信,僅需幾條信號線就可實現(xiàn),如一條發(fā)送線、一條接收線及一 條地線。 RS-232-C 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒 50、 75、 100、 150、 300、 600、 1200、 2400、 4800、 9600、 19200波特。 RS-232-C 標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 定,驅(qū)動器允許有 2500pF 的電容負(fù)載,通信距離將受此電容限制,例如, 采用 150pF/m的通信電纜時, 最大通信距離為 15m ;

44、若每米電纜的電容量 減小,通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是 RS-232屬單端信號 傳送,存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題,因此一般用于 20m 以內(nèi) 的通信。2.RS-485總線 , 在要求通信距離為幾十米到上千米時,廣泛采用 RS-485 串行總線標(biāo)準(zhǔn)。 RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收,因此具有抑制 共模干擾的能力。 加上總線收發(fā)器具有高靈敏度, 能檢測低至 200mV 的電 壓,故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。 RS-485采用半雙工工作方式, 任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài),因此,發(fā)送電路須由使能信號加以控 制。 RS-485用于多點互連時非常方便, 可以省掉許多信號線

45、。 應(yīng)用 RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng),其允許最多并聯(lián) 32臺驅(qū)動器和 32臺接收器。 以往, PC 與智能設(shè)備通訊多借助 RS232、 RS485、以太網(wǎng)等方式, 主要取決于設(shè)備的接口規(guī)范。 但 RS232、 RS485只能代表通訊的物理介質(zhì) 層和鏈路層,如果要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向訪問,就必須自己編寫通訊應(yīng)用程序, 但這種程序多數(shù)都不能符合 ISO/OSI的規(guī)范,只能實現(xiàn)較單一的功能,適 用于單一設(shè)備類型,程序不具備通用性。在 RS232或 RS485設(shè)備聯(lián)成的 設(shè)備網(wǎng)中, 如果設(shè)備數(shù)量超過 2臺, 就必須使用 RS485做通訊介質(zhì), RS485網(wǎng)的設(shè)備間要想互通信息只有通過 “ 主(Ma

46、ster ” 設(shè)備中轉(zhuǎn)才能實現(xiàn), 這個 主設(shè)備通常是 PC , 而這種設(shè)備網(wǎng)中只允許存在一個主設(shè)備, 其余全部是從 (Slave 設(shè)備。而現(xiàn)場總線技術(shù)是以 ISO/OSI模型為基礎(chǔ)的, 具有完整的燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文軟件支持系統(tǒng),能夠解決總線控制、沖突檢測、鏈路維護(hù)等問題。 . 4 電路圖的設(shè)計 第 3章硬件電路設(shè)計連接電路:連接從計算機串口取電電路,實現(xiàn)系統(tǒng)供電 ; 連接 MAX232接口電平轉(zhuǎn)換電路,實現(xiàn)邏輯電平與 RS232的電平的相互轉(zhuǎn)換。 51單片機 有一個全雙工的串行通訊口,所以單片機和電腦之間可以方便地進(jìn)行串口 通訊。進(jìn)行串行通訊時要滿足一定的條件,比如電腦的串口是 RS

47、232電平 的,而單片機的串口是 TTL 電平的,兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路, 我們采用了專用芯片 MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 雖然也可以用幾個三極管進(jìn)行模擬 轉(zhuǎn)換,但是還是用專用芯片更簡單可靠。我們采用了三線制連接串口,也 就是說和電腦的 9針串口只連接其中的 3根線:第 5腳的 GND 、第 2腳的 RXD 、第 3腳的 TXD 。這是最簡單的連接方法,但是對我們來說已經(jīng)足夠使 用了,電路如上圖所示, MAX232的第 10腳和單片機的 11腳連接,第 9腳 和單片機的 10腳連接,第 15腳和單片機的 20腳連接。本章介紹了硬件電路的總電路圖,以及各個模塊的理論原理。比較細(xì) 致的學(xué)習(xí)各個

48、模塊的工作原理。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文第 4章軟件電路設(shè)計 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文大多控制系統(tǒng)都把 PC 作為上位機,單片機系統(tǒng)作為下位機。單片 機系統(tǒng)必需把采集的數(shù)據(jù)傳輸給 PC 機,以便進(jìn)行存儲和處理。 PC 機幾乎 都具有 RS232接口,因此,單片機通過 RS232口與 PC 機通信最方便,也 是嘴常用的方法。但是單片機并沒有 RS232電氣接口,要進(jìn)行通信,必需 要進(jìn)行接口擴展。本設(shè)計采用了接口擴展的方案,并根據(jù)自行設(shè)計的通訊 協(xié)議,編寫了通信軟件。編寫程序:編寫單片機單片機端串口結(jié)束電和發(fā) 送程序;編寫上位機端串口發(fā)送和接受程序。以上是串口通信的一般流程。 對于本設(shè)計的

49、硬件加密鎖的設(shè)計。要求在下位機中設(shè)計一個算法。上位機 發(fā)送數(shù)據(jù)。下位機接受數(shù)據(jù),并根據(jù)算法計算出結(jié)果,然后比較數(shù)據(jù)如果 一致就進(jìn)行串口通信。不一致就停止通信。程序見附錄4.2 系統(tǒng)調(diào)試本次設(shè)計的最后一項任務(wù)是對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,并測試程序和硬件是否 能按照要求工作。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的程序存儲器必須放入調(diào)試好的應(yīng)用程 序,系統(tǒng)才能運行。如果研制人員對單片機的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、指令 系統(tǒng)十分熟悉,能確保所編制的程序不會出錯時,可不需要開發(fā)工具,只 要把所開發(fā)的軟件固化到系統(tǒng)的 EPROM 中即可。一般來說,都需要借助 開發(fā)工具來調(diào)試應(yīng)用軟件。開發(fā)工具的主要作用是:(1系統(tǒng)硬件電路的 診斷與檢查; (2

50、程序的輸入與修改; (3程序的運行、調(diào)試,具有單步 運行、狀態(tài)查詢等功能; (4能將程序固化到 EPROM 芯片上去。本次測 試的工具主要是:面包板一個(用來進(jìn)行硬件連接 ,導(dǎo)線若干,偉幅仿真 器一個 (用來對便好的程序進(jìn)行調(diào)試, 以及看最終結(jié)果是否符合設(shè)計要求 , 電源一臺(供給仿真器及單片機電源 ,萬用表一個。第 4章軟件電路設(shè)計4.3 測試過程測試過程的第一項任務(wù)是建立自己的項目文件,首先選擇菜單 文件 /新建文件功能 在彈出的文件中輸入所編寫的程序。然后選擇菜單 文件 /保 存文件 或 文件 /令存為 功能,給出文件所要保存的位置以及文件名,單擊 保存。接下來的任務(wù)是建立新的項目選擇菜

51、單 文件 /新建項目 功能。此不 工作要分三步完成。 (A 加入模塊文件,在加入模塊文件的對話框中選擇 剛才所保存的文件,按打開鍵。 (B 加入包含文件,在加入包含文件的對 話框中,選擇所要加入的包含文件。 (C 保存項目,在保存項目的對話框中 輸入醒目的名稱,無需加后綴,軟件會自動將后綴設(shè)成“ .asm “ . 按保存鍵 將項目保存在源程序相同的文件加下。項目保存好后,如果項目是打開的, 可看到項目中的“模塊文件“已有一個模塊,并且就是你所保存的文件名, 如果項目窗口沒有打開,可以選擇菜單 窗口 /項目窗口 功能來打開。 以上是編譯程序的初步階段,然后就是編譯程序了。選擇菜單 項目 /編譯

52、功能或按編譯快捷圖標(biāo),編譯項目。在編譯過程中,如果有錯誤可以 在信息窗口中顯示出來,雙擊錯誤信息,可以在源程序定位所在的行。糾 正錯誤后,再次編譯直到?jīng)]有錯誤后,就可調(diào)試程序了。下一步工作是單步調(diào)試程序,選擇 執(zhí)行 /跟蹤 功能或按跟蹤快捷圖標(biāo) 或按 F7鍵進(jìn)行單步跟蹤調(diào)試程序, 單步跟蹤調(diào)試程序就一條指令一條指令 地執(zhí)行程序,若有子程序調(diào)用,也會跟蹤到子程序中去。在這個過程中, 可以觀察程序每步執(zhí)行的結(jié)果。連接硬件仿真時,按照說明書,將仿真器通過串行電纜連接計算機上, 將仿真頭連接到仿真器,檢查連線無誤后,接上電源,打開仿真器的電源 開關(guān),如果仿真器和仿真頭設(shè)置正確,并且硬件連接正確,就會出現(xiàn)“硬 件仿真