用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通用存貯器IC卡的讀寫

1 概述

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(diǎn)。而AT89C2051 雖是ATMEL公司89系列單片機(jī)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(qiáng)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(jìn)行讀寫。

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(shí)鐘。在該腳的上升沿時(shí)，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)輸入到每個(gè)EEPROM器件，在下降沿時(shí)輸出。

SDA：串行數(shù)據(jù)。該引腳為開漏極驅(qū)動(dòng)，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(diǎn)圖。對于AT24系列通用存貯器IC卡來說，通常只需使用四個(gè)觸點(diǎn)。AT24C01的內(nèi)部組態(tài)為128個(gè)8位字節(jié)，而對隨機(jī)字尋址則需要一個(gè)7位地址。
 
2.2 總線狀態(tài)及時(shí)序

A24C01的SCL及SDA兩總線可通過一個(gè)電阻上拉為高電平，SDA上的數(shù)據(jù)僅在SCL為低電平時(shí)周期才能改變。當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA的改變表示“開始”和“停止”狀態(tài)。此時(shí)，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(shí)，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(shí)，SDA由低電平轉(zhuǎn)入高電平。該命令可終止所有通訊。

確認(rèn)：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(jìn)行確認(rèn)。

2.3 器件尋址

AT24系列EEPROM在開始狀態(tài)后需緊接一個(gè)8位器件地址，以進(jìn)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(shí)可激發(fā)讀操作。

具體的格式如下：

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(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、一個(gè)五向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、一個(gè)全雙工串行口、一個(gè)精密模擬比較器以及片內(nèi)振蕩電路和時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，SDA由高轉(zhuǎn)為低。程序如下：
START_IC：CLR SCL；SCL低電平時(shí)才允許SDA更改
NOP ；加入空指令延時(shí)以確保信號(hào)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(shí)，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(rèn)信號(hào)（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(jìn)位位左移，A.8->C
MOV SDA，C ；SCL低電平時(shí)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(rèn)信號(hào)
CLR SCL
NOP
RET

此子程序的主要作用是按照定義的時(shí)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(rèn)信號(hào)。

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(jìn)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(hào)

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(rèn)狀態(tài)來應(yīng)答的，而是隨后產(chǎn)生一個(gè)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(hào)
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(rèn)信號(hào)，而傳送設(shè)備必須用停止?fàn)顟B(tài)來終止寫操作。這時(shí)，EEPROM將進(jìn)入一個(gè)內(nèi)時(shí)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(jìn)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(gè)字節(jié)送出后才以停止?fàn)顟B(tài)，不同在收到確認(rèn)信號(hào)后，再傳送7個(gè)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(rèn)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(gè)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(shí)，下次訪問才滾動(dòng)到該頁面的首地址。

3.9 隨機(jī)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(gè)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(rèn)后，將再產(chǎn)生另一個(gè)開始條件，并送出讀操作器件的地址，同時(shí)激發(fā)一個(gè)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(rèn)信號(hào)SJMP READ_BYTES2

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

4 總結(jié)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)具有很高的可靠性，同時(shí)具有一定的可擴(kuò)展性，并可通過單片機(jī)的串行口經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后直接與計(jì)算機(jī)相連，以進(jìn)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(diǎn)，如果適當(dāng)改進(jìn)電路和程序，還可讀寫加密卡和CPU卡等。