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1、IC卡的原理和使用,e c o n y 仁科单片机开发有限公司,一、IC卡简介,IC卡是英文“集成电路卡”的缩写,是近年来传入中国的一项新技术。它是把具有存储、运算等功能的集成电路芯片压制在塑料片上,使其成为能存储、转载、传递、处理数据的载体。 在日常生活中,IC卡的使用越来越广泛,而且还有进一步扩大的趋势。因此有必要掌握这方面知识。,IC卡的种类,IC卡从其使用方式上分为两种: (1) 接触式IC卡:必须将IC卡插入主机卡口内,通过有线方式才能传输数据的一种IC卡。此卡易磨损、怕油污。 (2)非接触式IC卡(射频卡):主机无卡口,IC卡无须和主机接触,通过无线方式就能传输数据的一种IC卡。由
2、于其为整体封装,不怕油污和磨损,所以使用寿命长。,IC卡从其功能上分为三种: (1) 存储器卡。 (2) 带加密逻辑存储器卡:内有COS(卡操作系统)的一种存储器卡。 (3) CPU智能卡:内有CPU(中央处理单元)的一种存储器卡。这三种卡又都分为接触式和非接触式。 磁卡是一种贴有一条磁带的卡片。它在受磁场及外力作用下极易损坏,不能直接存储数据;而IC卡由封装好的集成电路组成,不受磁场影响,能够进行数据存储。,常用IC卡芯片的生产厂家及 主要芯片的型号,一、美国:爱特梅尔(ATMEL)公司生产的AT24CXX系列、93C46等; 二、德国:西门子公司生产的4414、4424、4442等。,二、
3、IC卡芯片,1、AT24CXX系列芯片 串行E2 PROM 芯片AT24C01/ 02/ 04/08/ 16 是美国爱特梅尔(ATMEL) 公司生产的二线式串行IC 卡芯片, 小巧, 可靠性高,具有保护性能,速度快,安全稳定,因此在设计IC 卡等领域中得到了广泛的应用。,图1 AT24CXX引脚图,芯片引脚和外形封装形式如图5所示,各管脚功能如表1 所示。 WP管脚操作功能见表2,AT24CXX 系列芯片主要有AT24C01 ,AT24C02 , AT24C04 , AT24C08 , AT24C16等型号,其区别主要是容量不同,分别为1k ,2k ,4k ,8k 和16k 比特。它采用低功耗
4、、高速度和高密度CMOS 工艺, 可擦写10 万次以上, 数据保存100 年有效, 为双线串行接口。存储在芯片中的数据, 可通过软件的方法利用各种加密算法进行处理, 从而确保其安全性。,时钟,复位,SDA SCL,Rp,Rp,SDA SCL WP A2 A1 A0,VDD,Vss,图3 AT24CXX系列外围扩展电路,图3为AT24CXX系列芯片的电路连接方式,其中,VDD接电源,Vss、A0、A1、A2、TEST均接地,SDA、SCL分别为数据线和时钟线,接单片机上的两个I/O口。使用SLE4442时的电路也是如此。因此,控制IC卡只需两个I/O口即可。,2、逻辑加密存储SLE4442 卡,
5、图2 IC卡的触点安排,SLE4442是德国西门子SIMENS 公司设计的逻辑加密存储卡,它具有2K位的存储容量和完全独立的可编程代码存储器(PSC)。较大的存储容量能够满足通常应用领域的各种需要,因此是目前国内应用较多,的一种IC卡芯片,芯片采用多存储器结构2线连接协议,NMOS工艺技术每字节的擦除/写入编程时间为2.5ms存储器具有至少10000次的擦写周期数据保持时间至少10年。,图2为SLE4442卡的触点安排情况,表3为各管脚功能。,表3 SLE4442各引脚功能,三、IIC总线,1、IIC总线简介 IIC总线(Inter Integrated Circuit BUS)是Philip
6、s公司推出的串行扩展总线,为二线制,总线上扩展的外围器件及外设接口通过总线寻址。图4为IIC总线外围扩展示意。外围器件可以是LED显示器、LCD显示器、I/O口键盘、码盘等。,外围 器件 3,外围 器件 2,外围 器件 1,外围 器件 4,外围 器件 5,时钟,复位,SDA SCL,Rp,Rp,SDA SCL,图4 IIC总线外围扩展示意,Vcc,SDA SCL,SDA SCL,SCL SDA,SCL SDA,SCL SDA,IIC总线由数据线SDA和时钟线SCL构成。SDA/SCL总线上挂接单片机、外围器件和外设接口。所有挂接在IIC总线上的器件和接口电路都应具有IIC总线接口,而且所有的S
7、DA/SCL同名端相连。 IIC总线接口电路均为漏极开路,故总线上必须有上拉电阻Rp。 所有挂接到总线上的器件及接口都通过总线寻址,故IIC总线具有最简单的电路扩展方式。 IIC总线的驱动能力为400pF,通过驱动扩展可达4000pF,原规范中传输速率为100kb/s,新规范的传输速率可达400kb/s。,2、总线节点的寻址方法,挂接到总线上的所有外围器件、外设接口都是总线上的节点。在任何时刻总线上只有一个主控器件(主节点)实现总线的控制操作,对总线上的其它节点寻址,分时实现点点的数据传送。因此,总线上每个节点都有一个固定的节点地址。 IIC总线上的单片机都可以成为主节点,其器件地址由软件给定
8、,存放在IIC总线的地址寄存器中,称为主器件的从地址。在IIC总线的多主系统中,单片机作为从节点时,其从地址才有意义。 IIC总线上所有的外围器件都有规范的器件地址。器件地址由7位组成,它和1位方向位构成了IIC总线器件的寻址字节SLA。寻址字节格式如下:,SLA,DA3,DA2,DA1,DA0,A0,A1,A2,R/W,器件地址(DA3、DA2、DA1、DA0):是IIC总线外围接口器件固有的地址编码,器件出厂时,就已给定。例如:IIC总线AT24CXX的器件地址为1010,4位LED驱动器SAA1064的器件地址为0111。 引脚地址(A2、A1、A0):是由IIC总线外围器件地址端口A2
9、、A1、A0在电路中接电源或接地的不同,形成地址数据。 数据方向(R/W):数据方向位规定了总线上主节点对从节点的数据传送方向,R接收,W发送。 例如:AT24C04在系统中的寻址字节SLAW=A0H,SLAR=A1H。,D7 D0,3、IIC总线时序 IIC总线上传送的每一帧数据为一个字节,但启动IIC总线后,传送的字节数没有限制,只要求每传送一个字节后,对方回应一个应答位(图5)。在发送时,首先发送的是数据的最高位。每次传送开始有起始信号,结束有停止信号(图6)。 (1)起始信号(S)。在时钟SCL为高电平时,数据线SDA出现由高电平向低电平变化,启动IIC总线。 (2)终止信号(P)。在
10、时钟SCL为高电平时,数据线出现由低到高的电平变化,将停止IIC总线数据传送。 (3)应答信号(A)。IIC总线上“确认”对应于应答位。相应数据线上低电平时为“应答”信号(A),高电平时为“非应答”信号(!A)。 (4)数据位传送。在IIC总线启动后或应答信号后的第18个时钟脉冲对应于一个字节的8位数据传送。脉冲高电平期间,数据串行转送,低电平期间为数据准备,允许总线上数据电平变换。,图6 总线的开始与停止,图5 输出确认,4、数据操作格式,IIC总线上一次完整的数据传送操作包括起始、发送寻址字节、发送器件子地址字节、应答、发送数据、应答、发下一个数据、应答直到终止。如图7,S,SLAW/R,
11、A,A,A,A,A/!A,P,SUBA,data1,dataN-1,dataN,其中:S :开始 SLAW/R :寻址字节 SUBA : 器件子地址 data1dataN :N个数据 A :应答 !A : 非应答 P :停止,图7 数据操作格式,5、主方式下的虚拟IIC总线软件包,1、虚拟IIC总线软件包的内容 设计IIC总线软件包,是为了在使用虚拟IIC总线时,有一个通用的傻瓜界面,从而使操作简单方便,只须使用三条归一化操作命令。 IIC总线软件包主要包括以下几个子程序:启动(START)、停止(STOP)、发送应答位(MACK)、发送非应答信号(MNACK)、检查应答位(CACK)、发送一
12、个字节(WRBYTE)、读取一个字节(RDBYTE)、发送N个字节(IWRNBYTE)、读取N个字节(IRDNBYTE)等。,2、虚拟IIC总线软件包的应用 (1)虚拟IIC总线软件包只适用于主方式下IIC总线的外围扩展,即单主系统。 (2)在使用时,应先将软件包嵌入到程序内,作为IIC总线应用程序设计的软件支持平台。 (3)软件包内有许多符号,要根据系统的资源分配,在程序设计中通过赋值语句赋值。这些标记符号有: SLA 器件从地址、SUBA器件子地址、NUMBYTE读写的字节数、位变量ACK、SDA、SCL总线位、MTD发送数据缓冲区首址、MRD接收数据缓冲区首址、SLAW寻址字节写、SLA
13、R寻址字节写 还要注意此软件包占用内部资源:R0,R1,R2,R3,ACC,Cy。 (4)使用归一化操作命令: MOV SLA,#SLAW/#SLAR ;寻址字节入从地址 MOV NUMBYTE,#N ;操作字节数 LCALL IWRNBYTE/IRDNBYTE ;调用软件包,例如:将数据55H写入AT24C02中 ;写入 ;将子地址和数据放入发送缓冲区 MOV R0,#MTD MOV R0,#SUBA INC R0 MOV R0,#55H ;用三个归一化指令写入 MOV SLA,#SLAW MOV NUMBYTE,#02H LCALL IWRNBYTE,将AT24C02内的数据读到单片机的7
14、0H中 程序可写为: ;读出 ;发出子地址 MOV MTD,#SUBA MOV SLA,#SLAW MOV NUMBYTE,#01H LCALL IWRNBYTE ;读出字节 MOV SLA,#SLAR MOV NUMBYTE,#01H LCALL RDNBYTE MOV 70H,MRD,小结,在用IIC总线与单片机连接工作时,可以将单片机的任意两个I/O口虚拟为IIC总线的SDA和SCL,不影响其它外围设备,从而可以很方便的与其它外围设备相联系,再通过软件编程,便可以广泛的应用在很多领域。 该总线电路结构简单,在实际运行时具有很高的可靠性,同时具有一定的可扩展性,并可通过单片机的串行口经电平转换后直接与计算机相连,以进行数据通讯。另外,也可根据需要连接到其它引脚或卡座触点,如果适当改进程序,还可以加密,因此安全性等也很好。,结 束 谢 谢 大 家,