摘要：本文對(duì)AT24系列存貯器和AT89系列單片機(jī)的特征及總線狀態(tài)作為介紹，并以AT24C01與AT89C2051為例詳細(xì)描述了通用存貯器IC卡的工作原理及用單片機(jī)進(jìn)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(jì)方法。
關(guān)鍵詞：E2PROM I2C總線 FLASH ROM IC卡 AT24C01 AT89C2051
1 概述
C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(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。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(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：
| 1 | 0 | 1 | 0 | A2 | A1 | A0 | R/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(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(duì)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 順序地址讀取（READ_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)
該單片機(jī)IC卡讀寫器設(shè)計(jì)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。