CONCEPTION DU LECTEUR DE CARTE A PUCE

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Les cartes à mémoire simple

Comme son nom l’indique une carte à mémoire simple renferme seulement une certaine quantité de mémoire, sans aucune protection particulière. Cela signifie que n’importe qui peut y lire ou y écrire des informations à l’aide d’un équipement approprié.
La plupart des cartes à mémoire simple sont réalisées en technologie EEPROM, et sont recyclables (effaçables et réinscriptibles). Leurs capacités sont de l’ordre de quelques kilobits, voire quelques dizaines.
Ces cartes sont en principes utilisées pour des applications non sécurisées.

Les cartes à mémoire personnalisée.

En revanche, une carte est dite « carte à mémoire personnalisée » si elle contient au moins un des quatre systèmes de protection suivants :
 Zone protégée en écriture après destruction d’un fusible ;
 Zone protégée en lecture et écriture par « un code protecteur » (code confidentiel dit « PIN » ou l’acronyme anglais Personal Identifier Number), le porteur étant défini comme l’utilisateur final de la carte ;
 Blocage de la carte au bout d’un nombre donné de présentations d’un PIN erroné ;
 Protection par « un code émetteur » (l’émetteur étant l’organisme qui délivre les cartes et décide de leur contenu).

Les cartes à microprocesseur

La carte à microprocesseur (dite aussi microcalculateur) est sans doute la carte la plus sophistiquée en matière de cartes à puce : véritable micro-ordinateur, elle rassemble une unité centrale, des mémoires de programme et des mémoires de données spécialement agencées.
Produit informatique à part entière, elle contient plusieurs systèmes de protection :
 Zone protégée en écriture et lecture par un code secret émetteur, ceci après personnalisation par l’émetteur ;
 Zone protégée en lecture et écriture par un code secret PIN ;
 Blocage de la carte après présentation d’un nombre donné de codes secrets erronés, mais avec réhabilitation par l’organe émetteur ;
 Mises en œuvre d’algorithmes cryptographiques (par exemple DES ou RSA) pour assurer la sécurité des transferts de données.

LES NORMES DIMENSIONNELLES

Les cartes à puce normalisées épousent les dimensions des cartes à pistes magnétiques ou simplement « embossées » : environ 85 mm x 54mm, pour 0,76 mm d’épaisseur.
Cependant, les actuels connecteurs se révélant beaucoup trop encombrants pour tenir dans certains équipements à carte, il a été imaginé de créer une carte à puce miniature en éliminant l’essentiel de la surface utilisée autour du micromodule.
On arrive ainsi à une carte plus petite qu’un timbre-poste, dite SIMCARD, essentiellement utilisée dans les téléphones portables GSM.

POSITION DES CONTACTS ET BROCHAGES

Dans le but de standardiser autant que possible la connectique des cartes et des lecteurs, des normes ont été établies. Les développements les plus anciens (télécartes, cartes bancaires etc.) ont appliqué la norme « AFNOR », dite à contact excentrés que décrit la figure ci- dessous.
Puis sont apparues les normes internationales ISO 7816, définissant un positionnement « centré » des contacts du micromodule, avec, de surcroît, une rotation de 180°.
La norme définie aussi le brochage des micromodules, qui peuvent comporter jusqu’à huit contacts disposés selon la figure 1-2.
Deux de ces contacts étant « Réservés pour de Futurs Usages » (RFU), il n’est pas rare de rencontrer des micromodules à six contacts seulement.
Les six accès essentiels à la puce sont en effet les suivants :
 GND: masse électrique ;
 Vcc/ alimentation de la puce (en générale +5volts) ;
 Vpp : tension de programmation (pas toujours nécessaire) ;
 RST : remise à zéro de la carte (RESET) ;
 CLK : horloge ;
 I/O : ligne série d’entrée-sortie des données.

LES ECHANGES DE DONNEES

La transmission des données se fait en série, ceci s’explique par le fait que seul un contact est affecté aux données émises et reçues par la carte.
On peut distinguer deux familles de cartes respectivement baptisées synchrones et asynchrones.
1.4.1 Carte synchrone
La carte est dite synchrone si l’entrée et la sortie de bits sont directement cadencées par le signal d’horloge. Les cartes à mémoire simple ou sécurisée sont de type synchrone.
Chaque type de cartes synchrone dispose d’un jeu de « micro-instructions », séquences particulières de nivaux logiques à appliquer sur des contacts bien définis pour remettre à zéro la carte lire ou écrire un bit, présenté un bit confidentiel bit à bit…
En principe, ces cartes contiennent un certain nombre de bits auxquels on accède « séquentiellement », c’est-à-dire l’un après l’autre dans l’ordre croissant de leurs « adresses ».
Il n’est donc pas possible de reculer, sauf remise à zéro de la carte qui permet alors de repartir de la première adresse.

Carte asynchrone

Les cartes asynchrones sont, pour la plupart, des cartes à microprocesseur dont l’entrée et la sotie des données se font sous la forme d’octets (groupe de huit bits) circulant sur la ligne série selon un protocole voisin de celui des transmissions RS 232 ou similaires : bit de Start, bits de données, bit de parité, bit de stop, le tout à une cadence très inférieure à la fréquence d’horloge (souvent 9600 bauds).
Ces octets peuvent être des données, des adresses, ou des instructions selon le programme contenu dans la mémoire de la carte et exécuté par celle-ci.
La carte peut garder en permanence la maîtrise de ses communications avec l’extérieur, ce qui apporte un degré élevé de sureté.

DU MICROPROCESSEUR AU MICROCONTROLEUR

Les moins expérimentés en électronique pensent généralement que le microprocesseur et le microcontrôleur sont identiques, cette opinion n’est pas tout à fait exacte, en effet ces deux composants électroniques diffèrent l’un et l’autre à bien des égards.

Le microprocesseur

Le microprocesseur, est un processeur dont tous les composants ont étés miniaturisés afin de pouvoir les associés dans un unique boitier. Dans un ordinateur, ce dernier exécute les instructions et traite les données, dit plus simplement, il constitue le « cerveau » de l’ordinateur.
Depuis son invention, la puissance de calcul et l’intégration des transistors le constituant n’ont cessé d’évoluer. Désormais les microprocesseurs sont présents dans la plupart des applications.
Cependant, pour être intégrés dans une application, les microprocesseurs sont toujours associés avec des circuits périphériques. Un des avantages d’un montage à base de microprocesseur par rapport à un montage en logique câblée, est sa souplesse d’emploi, en effet le programme logé dans une mémoire peut être modifié pour changer les équations régissant l’application, sans toutefois entraîner de changement au niveau du câblage des entrées sorties. Les microprocesseurs possèdent un net avantage sur la logique câblée, en effet la modification du fonctionnement d’une application ne nécessite pas de refaire le câblage

Le microcontrôleur

Les microcontrôleurs quant à eux en plus d’être dotés de la puissance d’un microprocesseur ont un atout supplémentaire, en effet ils possèdent dans le même boîtier, les périphériques intégrés. Cela veut dire que le programme de l’application est en interne et non plus dans un circuit mémoire externe et que les périphériques d’entrées / sorties sont également intégrés, ce qui fait l’économie de nombreux circuits périphériques. Cette caractéristique fait que les montages deviennent encore plus simples et la programmation plus aisée (un système à base de microprocesseur, oblige le concepteur à réaliser un décodage d’adresse pour permettre au microprocesseur de ne dialoguer qu’avec un seul périphérique à la fois).
Un microcontrôleur seul peut donc gérer une application, sans faire appel forcément à d’autres circuits associés.
Le microcontrôleur possède en interne la mémoire programme contenant le programme de l’application ainsi que le port d’entrées – sorties qui va permettre au microcontrôleur de s’interfacer avec l’application.

STRUCTURE INTERNE D’UN MICROCONTROLEUR

Les éléments basiques d’un microcontrôleur sont les suivants :
 Une unité centrale
 Une mémoire (ROM, RAM, Registres, …)
 Un port d’entrées – sorties
 Des bus internes
Cette architecture simplifiée est représentée à la figure 2-1.

ARCHITECTURE INTERNE DES MICROCONTROLEURS

Tous les microcontrôleurs améliorés utilisent l’un des deux modèles de conception de base appelés architecture Harvard et Von Neumann. Ils représentent deux manières différentes d’échanger des données entre le CPU et la mémoire.

Architecture de Von Neumann

Les microcontrôleurs d’architecture Von Neumann ont un seul bloc de mémoire et un bus de données de largeur 8-bit (figure 2-2). Comme toutes les données sont échangées à travers ces 8 lignes, le bus est surchargé et la communication est très lente et inefficace. Le CPU peut soit lire / écrire une instruction ou des données de / dans la mémoire. Les deux opérations ne peuvent pas se produire en même temps, car les instructions et les données utilisent le même bus. Le même bus de données est utilisé pour l’ensemble des opérations intermédiaires.

Architecture HARVARD

Les microcontrôleurs utilisant une architecture Harvard (figure 2-3) ont deux différents bus de  données. Un de 8 bits de large et se connecte à la CPU RAM. L’autre consiste en 12, 14 ou 16 lignes et relie la CPU à la ROM. En conséquence, le processeur peut lire une instruction et accéder aux données dans la mémoire en même temps. Puisque tous les registres de mémoire RAM ont 8 bits de large, l’ensemble des données échangées sont de même largeur. Pendant le processus d’écriture d’un programme, seuls les 8 bits de données sont pris en considération.

LES INSTRUCTIONS

L’ensemble des instructions compréhensibles par le microcontrôleur constitue le jeu d’instructions du microcontrôleur. Lorsque qu’on écrit un programme en langage d’assemblage, on spécifie implicitement l’ordre dans lequel les instructions doivent être exécutées. La restriction principale est ici un certain nombre d’instructions disponibles. Les fabricants adoptent généralement deux approches décrites ci-dessous.

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

Dans ce cas, le microcontrôleur reconnaît et exécute uniquement les opérations de base (addition, soustraction, la copie, etc.) D’autres opérations plus complexes sont réalisées en les combinant. Par exemple, la multiplication est effectuée en effectuant une addition successive. Le microcontrôleur est très rapide, de sorte qu’il n’est pas possible de voir toute  »l’acrobatie arithmétique » qu’elle réalise. L’utilisateur ne peut voir que le résultat final.

CISC (Complex Instruction Set Computer)

A l’opposé du RISC dans l’approche CISC les microcontrôleurs sont conçus pour identifier plus de 200 instructions différentes et peuvent ainsi faire beaucoup de choses avec une grande vitesse. Cependant, on doit maitriser toutes ces centaines de commandes, ce qui n’est pas du tout facile ! Avant d’en venir au microcontrôleur PIC, on peut dire en simplifiant qu’un microcontrôleur est un microprocesseur auquel on a intégré divers périphériques, dont en particulier la mémoire contenant le programme à exécuter, ainsi qu’un circuit spécialisé qui permet au microcontrôleur de « dialoguer  » avec l’extérieur, que ce soit pour  » mesurer  » ou bien pour  » actionner « … Il existe de nombreux types de microcontrôleurs qui sont spécifiques pour une fonction donnée ou bien banalisés et configurables pour de nombreuses applications.

LES MICROCONTROLEURS PIC

De nos jours, le marché des microcontrôleurs est alimenté par de nombreux fabricants. La société Américaine  » Microchip® Technologie  » a mis au point un microcontrôleur CMOS (Complémentary Métal Oxyde Semi-conducteur) : le PIC. Les raisons d’une telle utilisation accrue de ce microcontrôleur résident dans sa simplicité d’emploi et son prix de revient. En effet, ce dernier appartient à la famille des circuits RICS déjà étudiée dans le chapitre précédent. Dans un souci de bien comprendre la structure et le fonctionnement des microcontrôleurs PIC ce chapitre étudiera particulièrement le circuit 16F84.

Qu’est-ce qu’un pic ?

La dénomination PIC® est sous copyright de Microchip®. Un PIC est un microcontrôleur, ou plus simplement une unité de traitement de l’information de type microprocesseur intégrant des périphériques internes permettant de réaliser des montages sans nécessiter l’ajout de composants externes.
Comme vu dans le chapitre précédent, les microcontrôleurs RICS ont un jeu d’instructions réduit. En effet, plus le nombre d’instructions diminue, le décodage devient plus facile et plus rapide, et le composant fonctionne plus vite.
Contrairement aux RISC, les microcontrôleurs de types CISC disposent de moins de vitesse de traitement, mais les instructions sont plus complexes, plus puissantes, et donc plus nombreuses.

Les différentes familles de PIC

La famille des PIC® est subdivisée en 3 grandes familles illustrées par le tableau 3-1. Ainsi on distingue :
 La famille « Base-Line », qui utilise des mots d’instructions de 12 bits pour certains PIC (12C508), et de 14 bits pour d’autres (12F675)
 La famille « Mid-Range », qui utilise des mots de 14 bits (et dont font partie les 16F84 et 16F876)
 La famille « High-End », qui utilise des mots de 16 bits.
 Dernièrement, sont apparues d’autres familles, comme l’Enhanced family, et les choses continuent d’évoluer (PIC 24, PIC 32, DSPIC, …).
Etant donné que le PIC 16F84 appartient à la famille la « Mid-Range », alors dans ce document nous nous limiterons à cette famille.

Comment identifier un PIC ?

Un PIC est identifié par son numéro. Les 2 premiers chiffres indiquent la catégorie du PIC, par exemple « 16 » indique un PIC de la famille  » Mid-Range « . Ensuite vient parfois une lettre :
• L : Celle-ci indique que le PIC peut fonctionner avec une plage de tension beaucoup plus tolérante.
• C : indique que la mémoire programme est une EPROM ou plus rarement une EEPROM
• CR : pour indiquer une mémoire de type ROM
• F pour indiquer une mémoire de type FLASH.
Puis les derniers chiffres identifient précisément le PIC (par exemple « 84 » dans 16F84) Finalement on remarque sur les boîtiers le suffixe « XX » représente la fréquence d’horloge maximale que le PIC peut recevoir (par exemple –04 pour un 4MHz).
Ainsi, un 16F84-04 est un PIC « Mid-Range » (16), la mémoire programme est de type FLASH (F) donc réinscriptible de type 84 et capable d’accepter une fréquence d’horloge de 4MHz en théorie. En parlant de la fréquence d’horloge, il faut remarquer que les PIC sont des composants statiques, c’est à dire que la fréquence d’horloge peut être abaissée jusqu’à l’arrêt complet sans perte de données et sans dysfonctionnement. Ce qui ne sera pas le cas pour les microprocesseurs qui sont des composants dynamiques, leur fréquence d’horloge est contrainte de rester dans des limites précises.

Le « datasheet »

Le « datasheet » est une petite partie de la documentation du circuit. La documentation complète, est disponible chez le fabricant Microchip. Cependant, la documentation (les « datasheet » pour la gamme Mid-Range) est exorbitante (plus de 800 pages) ! Donc ce chapitre abordera de manière succincte la base suffisante pour manipuler les PIC « Mid-Range «et en particulier le PIC 16F84.

STRUCTURE D’UN PIC

Les PIC, au même titre que les microprocesseurs, sont composés essentiellement de registres ayant chacun une fonction bien définie. En outre ils possèdent également des périphériques intégrés, tels qu’une mémoire E2PROM, un « timer », des ports d’entrées/sorties ou bien encore un convertisseur analogique/ numérique.

Les éléments basiques d’un PIC

Selon le type de PIC utilisé, on retrouvera en interne un certain nombre de registres et périphériques possédant des caractéristiques différentes.
Les différentes caractéristiques selon le PIC utilisé sont :
• La taille de la RAM interne ;
• La mémoire E2PROM intégrée ;
• Le type de mémoire programme : FLASH, EPROM ou OPT et la taille de celle-ci ;
• Le timer intégré ;
• Les convertisseurs analogique/numérique intégrés.
Les  » datasheet  » des fabricants renseignent l’utilisateur sur les points cités ci-dessus.

CARACTERISTIQUES DU PIC 16F84

Nous allons maintenant explorer de plus près au PIC que nous avons choisi comme modèle d’étude dans ce document : le PIC 16F84.

Architecture interne du PIC 16F84

Le PIC 16F84 dispose de 13 lignes d’entrées/sorties configurables soit en entrée, soit en sortie. Ces lignes sont issues de deux portes internes nommés Port A et Port B. les lignes du port A sont représentées de RA0 à RA4 ; sur le port B les lignes se nomment RB0 à RB7.
Ce PIC dispose de 35 instructions de base et de 4 sources d’interruption. Ses caractéristiques sont les suivantes : boitier 18 broches, mémoire de programme de 1024x 14 bits, E2PROM 64 octets, RAM 68 octets, fréquence maximale de 20 MHz.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : LES CARTES A PUCE
Introduction
1.1 Qu’est-ce qu’une carte à puce ?
1.1.1 Les familles de cartes à puce
1.1.1.1 Les cartes à mémoire simple
1.1.1.2 Les cartes à mémoire personnalisée.
1.1.1.3 Les cartes à microprocesseur
1.2 Les normes dimensionnelles
1.3 Position des contacts et brochages
1.4 Les échanges de données
1.4.1 Carte synchrone
1.4.2 Carte asynchrone
Conclusion
CHAPITRE 2 : LES MICROCONTROLEURS : CAS DU PIC16F84
Introduction
2.1 Du microprocesseur au microcontrôleur
2.1.1 Le microprocesseur
2.1.1.1 Le microcontrôleur
2.2 Structure interne d’un microcontrôleur
2.3 Architecture interne des microcontrôleurs
2.3.1 Architecture de Von Neumann
2.3.2 Architecture HARVARD
2.4 Les instructions
2.4.1 RISC (Reduced Instruction Set Computer)
2.4.2 CISC (Complex Instruction Set Computer)
2.5 LES MICROCONTROLEURS PIC
2.5.1 Qu’est-ce qu’un pic ?
2.5.2 Les différentes familles de PIC
2.5.3 Comment identifier un PIC ?
2.5.4 Le « datasheet »
2.6 Structure d’un pic
2.6.1 Les éléments basiques d’un PIC
2.7 Caractéristiques du PIC 16f84
2.7.1 Architecture interne du PIC 16F84
2.7.2 Brochage du pic 16F84
2.7.3 L’horloge système
2.7.4 Les Entrées/Sorties
2.7.5 Le Reset du circuit
2.8 Programmation d’un microcontrôleur PIC
2.8.1 Création du programme
2.8.1.1 Le logigramme
2.8.1.2 Calcul du temps d’exécution d’une instruction
2.8.2 Le programmateur de PIC
2.8.2.1 Principe de programmation d’un PIC
Conclusion
CHAPITRE 3 : CONCEPTION DU LECTEUR DE CARTE A PUCE
Introduction
3.1 Description des étapes de la conception du dispositif
3.1.1 Réalisation et description du schéma du montage
3.1.1.1 L’alimentation
3.1.1.2 L’horloge externe
3.1.1.3 Le PIC16F84
3.1.1.4 L’afficheur LCD.
3.2 Réalisation du circuit imprimé.
3.2.1 Routage du schéma du circuit.
3.2.1.1 Visualisation du schéma du circuit
3.2.2 Insolation de la Plaque de cuivre
3.2.3 La révélation de la plaque insolée
3.2.4 Gravure et perçage
3.2.5 Etamage à froid
3.2.6 Assemblage et soudage
3.2.7 La programmation du PIC16F84
3.2.7.1 L’algorithme du programme embarqué
3.2.7.2 Transfert du programme dans le microcontrôleur
Conclusion
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE

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