單片機(jī)IC卡讀寫器設(shè)計(jì)

1 概述

C卡是集成電路卡(Integrated Circuit Card)的簡(jiǎn)稱，有些國(guó)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(chǔ)器(ROM, EPROM.EPROM), 保護(hù)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(jì)的，它帶來全新的交易概念與巨大的優(yōu)勢(shì)。很快，這一優(yōu)勢(shì)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(shí)間的推移，應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，使用IC卡的數(shù)量呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。同時(shí)，為了不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求，IC卡制造商們?nèi)栽诓粩嗟叵蚴袌?chǎng)推出新的IC卡，IC卡的價(jià)格將隨著使用量的增加而逐年下降，所有這些，無疑又會(huì)大大推進(jìn)IC卡在各個(gè)領(lǐng)域的普及。無線SOC開發(fā)平臺(tái)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(shí)，通過有形的電極觸點(diǎn)將卡的集成電路與外部接口設(shè)備直接接觸連接來進(jìn)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(chǎng)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(jìn)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(chǔ)型IC卡和智能型IC卡。存儲(chǔ)型IC卡是屬于被動(dòng)型，它只能實(shí)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(chǔ)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(chǔ)功能的IC卡稱為非加密型存儲(chǔ)卡 (Memory Card)。把具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能和數(shù)據(jù)加密操作控制的IC卡稱為加密型存儲(chǔ)卡（Memory Card with Security Logic）， 它們有暫時(shí)或永久的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dòng)型IC卡，不僅能夠管理各種數(shù)據(jù)的I/O操作，校驗(yàn)來自接口設(shè)備的個(gè)人密碼，而且能夠根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求主動(dòng)識(shí)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(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)的高可靠性、高安全性控制，可以進(jìn)行復(fù)雜的信息處理和計(jì)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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)單，使用靈活，能可靠地對(duì)通用存貯器IC卡進(jìn)行讀寫。由于IC卡使用具有流動(dòng)性與全球性，建立相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)就顯得特別重要。在信息技術(shù)領(lǐng)域，ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）和IEC（國(guó)際電子技術(shù)委員會(huì)）共同建立了一個(gè)技術(shù)委員會(huì)ISO/IEC JTC1以制定相應(yīng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在IC卡應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，讀寫設(shè)備對(duì)IC卡的讀寫控制的每一個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)當(dāng)遵照相應(yīng)的國(guó)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(jì)的基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
而在這些標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，對(duì)芯片和電氣特征的定義和操作時(shí)序的要求又顯得尤為重要。此處以同步卡的電氣特征和時(shí)序?yàn)槔M(jìn)行介紹。使用這種卡時(shí)，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(shí)鐘脈沖在VCC上升沿之后相隔t20后提供，時(shí)鐘脈沖的持續(xù)時(shí)間為t25。在時(shí)鐘脈沖上升沿之后至少相隔t22時(shí)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(shí)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(shí)，每一個(gè)時(shí)鐘脈沖用于讀出I/O線上的下個(gè)數(shù)據(jù)位。在復(fù)位應(yīng)答時(shí)，第一個(gè)時(shí)鐘脈沖在FCB上升沿之后t24時(shí)間給出。時(shí)鐘脈沖狀態(tài)H的持續(xù)時(shí)間為t25，狀態(tài)L的持續(xù)時(shí)間為1us(t26)。第二個(gè)及其隨后的數(shù)據(jù)位在時(shí)鐘為低和CLK下降沿之后t27時(shí)間給出。數(shù)據(jù)位依次用時(shí)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(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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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?jī)杉?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