用單片機(jī)實現(xiàn)通用存貯器IC卡的讀寫

文章出處：http://bookmouse.cn 作者：電子工程師   人氣： 發(fā)表時間：2011年11月02日

本文對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)對其進(jìn)行讀寫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(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(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(jī)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(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(rèn)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(jìn)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(rèn)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(rèn)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(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
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(rèn)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(jìn)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(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，它無需在第一個字節(jié)送出后才以停止?fàn)顟B(tài)，不同在收到確認(rèn)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(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(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(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，如果適當(dāng)改進(jìn)電路和程序，還可讀寫加密卡和CPU卡等。