使用單片機設(shè)計IC卡讀寫器的資料概述

本文對AT24系列存貯器和AT89系列單片機的特征及總線狀態(tài)作為介紹，并以AT24C01與AT89C2051為例詳細描述了通用存貯器IC卡的工作原理及用單片機進行ic卡讀寫器一系列操作的基本電路連接和軟件編程的設(shè)計方法。

概述

IC卡是集成電路卡（Integrated Circuit Card）的簡稱，有些國家和地區(qū)稱之為微芯片卡（Microchip Card）或微電路卡（Microcircuit Card）。IC卡的大小和磁卡相同，它把集成電路鑲在塑料卡片上，芯片一般是數(shù)據(jù)不易丟失的存儲器（ROM， EPROM.EPROM）， 保護邏輯電路，或者CPU。IC卡最初是為了解決金融交易中的安全性問題而設(shè)計的，它帶來全新的交易概念與巨大的優(yōu)勢。很快，這一優(yōu)勢也為其他應(yīng)用部門所看中，使之廣泛應(yīng)用于電話、醫(yī)療保健、路禁控制和門鎖控制等等系統(tǒng)中。隨著時間的推移，應(yīng)用范圍還在不斷擴大，使用IC卡的數(shù)量呈幾何級數(shù)增長。同時，為了不同應(yīng)用場合的需求，IC卡制造商們?nèi)栽诓粩嗟叵蚴袌鐾瞥鲂碌腎C卡，IC卡的價格將隨著使用量的增加而逐年下降，所有這些，無疑又會大大推進IC卡在各個領(lǐng)域的普及。無線SOC開發(fā)平臺499元 S3C44B0 ARM7開發(fā)板378元 S3C2410 ARM9開發(fā)板780元 AT91SAM7S64 ARM7

按照IC卡與讀寫器的數(shù)據(jù)交換方式，IC卡可分為接觸型IC卡和非接觸型IC卡。接觸型IC卡就是在使用時，通過有形的電極觸點將卡的集成電路與外部接口設(shè)備直接接觸連接來進行數(shù)據(jù)交換的IC卡。非接觸型IC卡是通過無線電波或電磁場感應(yīng)的方式，將卡中集成電路內(nèi)的數(shù)據(jù)與外部設(shè)備接口設(shè)備通信，卡片不用直接接觸接口設(shè)備的電極就可以進行數(shù)據(jù)讀寫。按照IC卡的功能和結(jié)構(gòu)又可以把IC卡分為存儲型IC卡和智能型IC卡。存儲型IC卡是屬于被動型，它只能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的各種輸入/輸出。這種類型IC卡內(nèi)部電路可分為兩大功能部分，數(shù)據(jù)存儲部分和數(shù)據(jù)加密操作控制部分。而且不是所有IC卡都必須具有這兩大功能。我們把只有數(shù)據(jù)存儲功能的IC卡稱為非加密型存儲卡 （Memory Card）。把具有數(shù)據(jù)存儲功能和數(shù)據(jù)加密操作控制的IC卡稱為加密型存儲卡（Memory Card with Security Logic）， 它們有暫時或永久的數(shù)據(jù)存儲能力，其內(nèi)容可供處理或判斷之用。智能型IC卡就是在IC卡的集成電路中帶有微處理器電路的IC卡。它是一種主動型IC卡，不僅能夠管理各種數(shù)據(jù)的I/O操作，校驗來自接口設(shè)備的個人密碼，而且能夠根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求主動識別與之連接的接口設(shè)備。因此，在智能型IC卡中能夠建立各種應(yīng)用系統(tǒng)的授權(quán)，存放多個應(yīng)用系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息存儲的高可靠性、高安全性控制，可以進行復(fù)雜的信息處理和計算通用存貯器IC卡是由通用存貯器芯片封裝而成的，由于它的結(jié)構(gòu)和功能簡單，生產(chǎn)成本低，使用方便，因此在各領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。目前用于IC卡的通用存貯器芯片多為E2PROM，其常用的協(xié)議主要有兩線串行連接協(xié)議（I2C）和三線串行鏈接協(xié)議，其中比較常用的是ATMEL公司生產(chǎn)的AT24系列芯片。以該系列中的AT24C01為例，它具有1k的存貯容量，適用于2V～5V的低電壓/標(biāo)準(zhǔn)電壓的操作，具有低功耗和高可靠性等優(yōu)點。而AT89C2051 雖是ATMEL公司89系列單片機的低檔型，但它具有2k的FLASH ROM（可重編閃速存貯器）、128×8位內(nèi)部RAM及全靜態(tài)操作方式，同樣也具有低功耗和較強的功能。下面以AT24C2051為例，對通用存貯器IC 卡的工作原理及基本電路連線作一介紹，該線路簡單，使用靈活，能可靠地對通用存貯器IC卡進行讀寫。由于IC卡使用具有流動性與全球性，建立相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)就顯得特別重要。在信息技術(shù)領(lǐng)域，ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）和IEC（國際電子技術(shù)委員會）共同建立了一個技術(shù)委員會ISO/IEC JTC1以制定相應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)。在IC卡應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計中，讀寫設(shè)備對IC卡的讀寫控制的每一個環(huán)節(jié)都應(yīng)當(dāng)遵照相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，才能保證數(shù)據(jù)的正確讀取。這是IC卡讀寫器終端設(shè)計的基礎(chǔ)。

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

而在這些標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，對芯片和電氣特征的定義和操作時序的要求又顯得尤為重要。此處以同步卡的電氣特征和時序為例進行介紹。使用這種卡時，接口設(shè)備將所有線置于狀態(tài)L，然后VCC加電，Vpp處于空閑狀態(tài)，CLK、RST和FCB處于狀態(tài)L，接口設(shè)備的I/O置于接收模式。時鐘脈沖在VCC上升沿之后相隔t20后提供，時鐘脈沖的持續(xù)時間為t25。在時鐘脈沖上升沿之后至少相隔t22時間FCB仍維持狀態(tài)L。在I/O線上得到的第1位數(shù)據(jù)可視為應(yīng)答，此時CLK處于狀態(tài)L，并在CLK下降沿t27之后有效。當(dāng)FCB置于狀態(tài)H時，每一個時鐘脈沖用于讀出I/O線上的下個數(shù)據(jù)位。在復(fù)位應(yīng)答時，第一個時鐘脈沖在FCB上升沿之后t24時間給出。時鐘脈沖狀態(tài)H的持續(xù)時間為t25，狀態(tài)L的持續(xù)時間為1us（t26）。第二個及其隨后的數(shù)據(jù)位在時鐘為低和CLK下降沿之后t27時間給出。數(shù)據(jù)位依次用時鐘脈沖的上升沿采樣。

2 硬件特性

2.1 AT24系列存貯器的特性

AT24系列存貯器芯片采用CMOS工藝制造，內(nèi)置有高壓泵，可在單電壓供電條件下工作。其標(biāo)準(zhǔn)封裝為8腳DIP封裝形式，各引腳的功能說明如下：

SCL：串行時鐘。在該腳的上升沿時，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)輸入到每個EEPROM器件，在下降沿時輸出。

SDA：串行數(shù)據(jù)。該引腳為開漏極驅(qū)動，可雙向傳送數(shù)據(jù)。

A0、A1、A2：器件/頁面尋址。為器件地址輸入端。在AT24C01/02中，該引腳被硬連接。

Vcc：一般輸入+5V的工作電壓。

圖1是符合ISO7816-2標(biāo)準(zhǔn)的IC卡的觸點圖。對于AT24系列通用存貯器IC卡來說，通常只需使用四個觸點。AT24C01的內(nèi)部組態(tài)為128個8位字節(jié)，而對隨機字尋址則需要一個7位地址。

2.2 總線狀態(tài)及時序

A24C01的SCL及SDA兩總線可通過一個電阻上拉為高電平，SDA上的數(shù)據(jù)僅在SCL為低電平時周期才能改變。當(dāng)SCL為高電平時，SDA的改變表示“開始”和“停止”狀態(tài)。此時，所有地址和數(shù)據(jù)字都以8位串行碼方式輸入輸出EEPROM。

開始狀態(tài)：SCL為高電平時，SDA由高電平轉(zhuǎn)入低電平。該命令必須在其它命令前執(zhí)行。

停止?fàn)顟B(tài)：SCL為高電平時，SDA由低電平轉(zhuǎn)入高電平。該命令可終止所有通訊。

確認：相同總線上的設(shè)備在收到數(shù)據(jù)后，以置SDA為低電平的方式對其進行確認。

2.3 器件尋址

AT24系列EEPROM在開始狀態(tài)后需緊接一個8位器件地址，以進行應(yīng)讀寫操作。設(shè)備尋址碼的高4位為1、0、1、0，對于AT24C01/02，尋址碼高4位后面的三位是器件尋址碼，與它們的硬連線管腳相對應(yīng)。最低應(yīng)是讀寫選擇位，置0時可激發(fā)讀操作。

具體的格式如下：

1010A2A1A0R/W

2.4 AT89C2051芯片

AT89C2051 是MCS-51產(chǎn)品的兼容型，它具有2k的FLASH ROM、128字節(jié)ROM，15根I/O引線、兩個16位定時/計數(shù)器、一個五向量兩級中斷結(jié)構(gòu)、一個全雙工串行口、一個精密模擬比較器以及片內(nèi)振蕩電路和時鐘電路。它的P1口和P3口是雙向I/O口，其中P1.2～P1.7、P3.0～P3.5和P3.7帶有內(nèi)部上拉電阻。在AT89C2051用作輸入端時，將首先向引腳寫“1”而使內(nèi)部MOS管截止以便引腳處于懸浮狀態(tài)，從而可獲得高阻抗輸入。

圖2為通用存貯器IC卡的基本電路連接圖。

3 讀寫操作軟件

當(dāng)系統(tǒng)采用6MHz晶體振蕩器時所定義的I/O口線及器件地址如下：

SCL BIT P1.7

SDA BIT P1.6

DEVICEAD_W DATA 10100000B ；寫卡器件地址

DEVICEAD_R DATA 10100001B ；讀卡器件地址

3.1 開始條件（START_IC）

在開始條件下，當(dāng)SCL為高電平時，SDA由高轉(zhuǎn)為低。程序如下：

START_IC：CLR SCL；SCL低電平時才允許SDA更改

NOP ；加入空指令延時以確保信號可靠

NOP

SETB SDA

NOP

NOP

SETB SCL

NOP

NOP

CLR SDA

NOP

NOP

CLR SCL

NOP

RET

3.2 停止條件（STOP_C）

在停止條件下，當(dāng)SCL為高電平時，SDA由低轉(zhuǎn)為高。程序如下：

STOP_IC：CLR SCL

NOP

NOP

CLR SDA

NOP

NOP

SETB SCL

NOP

NOP

SETB SDA

NOP

NOP

CLR SCL

NOP

NOP

CLR SDA

RET

3.3 確認信號（ACK_IC）

在接收方應(yīng)答下，每收到一字節(jié)后便將SDA電平拉低，程序如下：

ACK_IC：CLR SCL

NOP

NOP

CLR SDA

NOP

NOP

SEIB SCL

NOP

NOP

CLR SCL

NOP

SETB SDA

NOP

RET

3.4 寫一字節(jié)數(shù)據(jù)到IC卡（WR_BYTE）

在下列程序中，參數(shù)A表示源數(shù)據(jù)，R5表示字節(jié)位數(shù)。

WR_BYTE：MOV R5，#08 ；一字節(jié)8位數(shù)據(jù)

CLR SCL

NOP

NOP

WR_BYTE1：RLC A ；帶進位位左移，A.8-》C

MOV SDA，C ；SCL低電平時改變SDA上的數(shù)據(jù)

NOP

SETB SCL ；拉高SCL把數(shù)據(jù)發(fā)送出去

NOP

NOP

CLR SCL

NOP

NOP

DJNZ R5，WR_BYTE1；依次發(fā)送A中的8位數(shù)據(jù)

SETB SDA

SETB SCL

JB SDA，$ ；等待IC卡確認信號

CLR SCL

NOP

RET

此子程序的主要作用是按照定義的時序，順序左移A中一字節(jié)8位數(shù)據(jù)，并通過引腳傳送出去。當(dāng)一字節(jié)發(fā)完后，等待IC卡發(fā)回的確認信號。

3.5 從IC卡讀一字節(jié)（RD+BYTE）

從IC卡中讀一字節(jié)的源程序如下：

RD_BYTE：MOV R5，#08

SETB SDA ；設(shè)備SDA為讀狀態(tài)

CLR A ；清空A寄存器

RD_BTYE1：MOV C，SDA ；讀一位數(shù)據(jù)到進位位

RLC A ；左移數(shù)據(jù)到A.0

SETB SCL

NOP

NOP

CLR SCL

NOP

NOP

DJNZ R5，RD_BYTE1；依次讀出8位數(shù)據(jù)到A中

RET ；無應(yīng)答信號

利用該程序可將讀出的數(shù)據(jù)存放在A中。需要注意的是：讀數(shù)據(jù)的器件不是通過確認狀態(tài)來應(yīng)答的，而是隨后產(chǎn)生一個停止?fàn)顟B(tài)。

3.6 字節(jié)寫入模式寫數(shù)據(jù)（WRITE_BYTE）

下列程序中的參數(shù)為：R6= =目的地址，A= =數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)如下：

WRITE_BYTE：PUSH ACC ；保存A中的數(shù)據(jù)

LCALL START_IC ；發(fā)開始信號

MOV A，#DEVICEAD_W；寫入器件地址

LCAL WR_BYTE

MOV A，R6 ；寫入字節(jié)地址

LCALL WR_BYTE

POP ACC ；恢復(fù)A中數(shù)據(jù)

LCALL WR_BYTE ；寫入數(shù)據(jù)

LCALL STOP_IC

RET

在收到8位數(shù)據(jù)后，EEPROM將通過SDA來回送確認信號，而傳送設(shè)備必須用停止?fàn)顟B(tài)來終止寫操作。這時，EEPROM將進入一個內(nèi)時固定存貯器的寫入周期并且禁止在此其間的所有輸入，直到寫操作完成后才對通訊應(yīng)答。其寫入周期可自定義，最大為10ms。

3.7 頁面寫入模式寫數(shù)據(jù)（WRITE_PAGE）

以下程序中的參數(shù)為P0= =源指針，R6= =目的地址，R7= =頁面長度。

WRITE_PAGE：LCALL START_IC

MOV A，#DEVICEAD_W

LCALL WR_BYTE

MOV A，R6

LCALL WR_BYTE

WRITE_PAGE1：MOV A，@R0

LCALL WR_BYTE

INC R0

DJNZ R7，WRITE_PAGE1

LCALL STOP_IC

RET

AT24C01/02可利用上述程序進行8字節(jié)的頁面寫入，它的操作類似于寫字節(jié)。不同的是，它無需在第一個字節(jié)送出后才以停止?fàn)顟B(tài)，不同在收到確認信號后，再傳送7個字節(jié)的數(shù)據(jù)碼，最后以停止?fàn)顟B(tài)來終止頁面寫序列。AT24C04/08/16的頁面為16字節(jié)。

3.8 立即地址讀模式（READ_BYTEC）

立即地址讀模式讀一字節(jié)數(shù)據(jù)的程序如下：READ_BYTEC：LCALL START_IC

MOV A，#DEVICEAD_R

LCALL WR_BYTE

LCALL RD_BYTE ；讀出默認地址數(shù)據(jù)

LCALL STOP_IC ；發(fā)停止?fàn)顟B(tài)應(yīng)答

RET

該程序執(zhí)行后，其內(nèi)部數(shù)據(jù)字地址指針將保持在上次讀寫操作訪問的最后一個地址，并按1遞增且在芯片上電期間一直有效。只有當(dāng)?shù)刂窞轫撁娴淖钅r，下次訪問才滾動到該頁面的首地址。

3.9 隨機地址讀模式（READ_BYTER）

在下列程序中，R6= =源地址，程序如下：

READ_BYTER：LCALL START_IC

MOV A，#DEVICEAD_W ；執(zhí)行空字節(jié)寫序列

LCALL WR_BYTE ；載入數(shù)據(jù)地址

MOV A，R6

LCALL WR_BYTE

LCALL START_IC

MOV A，#DEVICEAD_R ；立即地址讀取

LCALL WR_BYTE

LCALL DR_BYTE

LCALL STOP_IC

RET

讀操作模式需要一個字節(jié)寫序列載入數(shù)據(jù)地址。在器件和數(shù)據(jù)地址寫入并得到確認后，將再產(chǎn)生另一個開始條件，并送出讀操作器件的地址，同時激發(fā)一個立即地址讀取。

3.10 順序地址讀?。≧EAD_BYTES）

在下列程序中：R0= =目的指針；R7= =數(shù)據(jù)長度，程序如下：

READ+BYTES：LCALL START_IC

MOV A，#DEVICEAD_R

LCALL WR_BYTE

READ_BYTES2：LCALL RD_BYTE

MOV @R0，A ；存放數(shù)據(jù)到目的地址

INC R0

DJNZ R7，READ_BYTES1

LCALL STOP_IC ；讀寫指定長度后停止

RET

READ_BYTES1：LCALL ACK_IC ；收到數(shù)據(jù)后發(fā)確認信號SJMP READ_BYTES2

其中順序讀取由立即尋址讀或隨機地址讀激發(fā)，并在收到一字節(jié)數(shù)據(jù)后發(fā)確認信號應(yīng)答。當(dāng)讀數(shù)器件以停止?fàn)顟B(tài)應(yīng)答時，操作被終止。

4 總結(jié)

該單片機IC卡讀寫器設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在實際運行時具有很高的可靠性，同時具有一定的可擴展性，并可通過單片機的串行口經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后直接與計算機相連，以進行數(shù)據(jù)通訊。另外，也可根據(jù)需要連接到其它引腳或卡座觸點，如果適當(dāng)改進電路和程序，還可讀寫加密卡和CPU卡等。