用單片機實(shí)現通用存貯器IC卡的讀寫(xiě)

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：電子工程師   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年11月02日

本文對AT24系列存貯器和AT89系列單片機的特征及總線(xiàn)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對其進(jìn)行讀寫(xiě)操作的基本電路連接和軟件編程方法。

　　通用存貯器IC卡是由通用存貯器芯片封裝而成的，由于它的結構和功能簡(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(xiàn)串行連接協(xié)議（I2C）和三線(xiàn)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/標準電壓的操作，具有低功耗和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。而AT89C2051雖是ATMEL公司89系列單片機的低檔型，但它具有2k的FLASH
　　ROM（可重編閃速存貯器）、128×8位內部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(xiàn)作一介紹，該線(xiàn)路簡(jiǎn)單，使用靈活，能可靠地對通用存貯器IC卡進(jìn)行讀寫(xiě)。

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，內置有高壓泵，可在單電壓供電條件下工作。其標準封裝為8腳DIP封裝形式，各引腳的功能說(shuō)明如下：
　　SCL：串行時(shí)鐘。在該腳的上升沿時(shí)，系統將數據輸入到每個(gè)EEPROM器件，在下降沿時(shí)輸出。
　　SDA：串行數據。該引腳為開(kāi)漏極驅動(dòng)，可雙向傳送數據。
A0、A1、A2：器件/頁(yè)面尋址。為器件地址輸入端。在A(yíng)T24C01/02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標準的IC卡的觸點(diǎn)圖。對于A(yíng)T24系列通用存貯器IC卡來(lái)說(shuō)，通常只需使用四個(gè)觸點(diǎn)。AT24C01的內部組態(tài)為128個(gè)8位字節，而對隨機字尋址則需要一個(gè)7位地址。

2.2 總線(xiàn)狀態(tài)及時(shí)序
　　A24C01的SCL及SDA兩總線(xiàn)可通過(guò)一個(gè)電阻上拉為高電平，SDA上的數據僅在SCL為低電平時(shí)周期才能改變。當SCL為高電平時(shí)，SDA的改變表示“開(kāi)始”和“停止”狀態(tài)。此時(shí)，所有地址和數據字都以8位串行碼方式輸入輸出EEPROM。
　　開(kāi)始狀態(tài)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平轉入低電平。該命令必須在其它命令前執行。
　　停止狀態(tài)：SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平轉入高電平。該命令可終止所有通訊。
　　確認：相同總線(xiàn)上的設備在收到數據后，以置SDA為低電平的方式對其進(jìn)行確認。

2.3 器件尋址
　　AT24系列EEPROM在開(kāi)始狀態(tài)后需緊接一個(gè)8位器件地址，以進(jìn)行應讀寫(xiě)操作。設備尋址碼的高4位為1、0、1、0，對于A(yíng)T24C01/02，尋址碼高4位后面的三位是器件尋址碼，與它們的硬連線(xiàn)管腳相對應。最低應是讀寫(xiě)選擇位，置0時(shí)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ROM，15根I/O引線(xiàn)、兩個(gè)16位定時(shí)/計數器、一個(gè)五向量?jì)杉壷袛嘟Y構、一個(gè)全雙工串行口、一個(gè)精密模擬比較器以及片內振蕩電路和時(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帶有內部上拉電阻。在A(yíng)T89C2051用作輸入端時(shí)，將首先向引腳寫(xiě)“1”而使內部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(xiě)操作軟件
　　當系統采用6MHz晶體振蕩器時(shí)所定義的I/O口線(xiàn)及器件地址如下：
SCL BIT P1.7
SDA BIT P1.6
DEVICEAD_W DATA 10100000B ；寫(xiě)卡器件地址
DEVICEAD_R DATA 10100001B ；讀卡器件地址
3.1 開(kāi)始條件（START_IC）
在開(kāi)始條件下，當SCL為高電平時(shí)，SDA由高轉為低。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SCL為高電平時(shí)，SDA由低轉為高。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）
在接收方應答下，每收到一字節后便將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(xiě)一字節數據到IC卡（WR_BYTE）
在下列程序中，參數A表示源數據，R5表示字節位數。
WR_BYTE：MOV R5，#08 ；一字節8位數據
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上的數據
NOP
SETB SCL ；拉高SCL把數據發(fā)送出去
NOP
NOP
CLR SCL
NOP
NOP
DJNZ R5，WR_BYTE1；依次發(fā)送A中的8位數據
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(shí)序，順序左移A中一字節8位數據，并通過(guò)引腳傳送出去。當一字節發(fā)完后，等待IC卡發(fā)回的確認信號。
3.5 從IC卡讀一字節（RD+BYTE）
從IC卡中讀一字節的源程序如下：
RD_BYTE：MOV R5，#08
SETB SDA ；設備SDA為讀狀態(tài)
CLR A ；清空A寄存器
RD_BTYE1：MOV C，SDA ；讀一位數據到進(jìn)位位
RLC A ；左移數據到A.0
SETB SCL
NOP
NOP
CLR SCL
NOP
NOP
DJNZ R5，RD_BYTE1；依次讀出8位數據到A中
RET ；無(wú)應答信號
利用該程序可將讀出的數據存放在A(yíng)中。需要注意的是：讀數據的器件不是通過(guò)確認狀態(tài)來(lái)應答的，而是隨后產(chǎn)生一個(gè)停止狀態(tài)。
3.6 字節寫(xiě)入模式寫(xiě)數據（WRITE_BYTE）
下列程序中的參數為：R6= =目的地址，A= =數據；數據如下：
WRITE_BYTE：PUSH ACC ；保存A中的數據
LCALL START_IC ；發(fā)開(kāi)始信號
MOV A，#DEVICEAD_W；寫(xiě)入器件地址
LCAL WR_BYTE
MOV A，R6 ；寫(xiě)入字節地址
LCALL WR_BYTE
POP ACC ；恢復A中數據
LCALL WR_BYTE ；寫(xiě)入數據
LCALL STOP_IC
RET
在收到8位數據后，EEPROM將通過(guò)SDA來(lái)回送確認信號，而傳送設備必須用停止狀態(tài)來(lái)終止寫(xiě)操作。這時(shí)，EEPROM將進(jìn)入一個(gè)內時(shí)固定存貯器的寫(xiě)入周期并且禁止在此其間的所有輸入，直到寫(xiě)操作完成后才對通訊應答。其寫(xiě)入周期可自定義，最大為10ms。
3.7 頁(yè)面寫(xiě)入模式寫(xiě)數據（WRITE_PAGE）
以下程序中的參數為P0= =源指針，R6= =目的地址，R7= =頁(yè)面長(cháng)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字節的頁(yè)面寫(xiě)入，它的操作類(lèi)似于寫(xiě)字節。不同的是，它無(wú)需在第一個(gè)字節送出后才以停止狀態(tài)，不同在收到確認信號后，再傳送7個(gè)字節的數據碼，最后以停止狀態(tài)來(lái)終止頁(yè)面寫(xiě)序列。AT24C04/08/16的頁(yè)面為16字節。
3.8 立即地址讀模式（READ_BYTEC）
立即地址讀模式讀一字節數據的程序如下：READ_BYTEC：LCALL START_IC
MOV A，#DEVICEAD_R
LCALL WR_BYTE
LCALL RD_BYTE ；讀出默認地址數據
LCALL STOP_IC ；發(fā)停止狀態(tài)應答
RET
該程序執行后，其內部數據字地址指針將保持在上次讀寫(xiě)操作訪(fǎng)問(wèn)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。只有當地址為頁(yè)面的最末時(shí)，下次訪(fǎng)問(wèn)才滾動(dòng)到該頁(yè)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 ；執行空字節寫(xiě)序列
LCALL WR_BYTE ；載入數據地址
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)字節寫(xiě)序列載入數據地址。在器件和數據地址寫(xiě)入并得到確認后，將再產(chǎn)生另一個(gè)開(kāi)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= =數據長(cháng)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 ；存放數據到目的地址
INC R0
DJNZ R7，READ_BYTES1
LCALL STOP_IC ；讀寫(xiě)指定長(cháng)度后停止
RET
READ_BYTES1：LCALL ACK_IC ；收到數據后發(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)，并在收到一字節數據后發(fā)確認信號應答。當讀數器件以停止狀態(tài)應答時(shí)，操作被終止。

4 總結
該系統結構簡(jiǎn)單，在實(shí)際運行時(shí)具有很高的可靠性，同時(shí)具有一定的可擴展性，并可通過(guò)單片機的串行口經(jīng)電平轉換后直接與計算機相連，以進(jìn)行數據通訊。另外，也可根據需要連接到其它引腳或卡座觸點(diǎn)，如果適當改進(jìn)電路和程序，還可讀寫(xiě)加密卡和CPU卡等。