IC卡的原理和应用.ppt

IC卡的原理和使用 石磊 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 IC卡芯片 1 AT24CXX系列芯片串行E2PROM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1AT24CXX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 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 SDASCL Rp Rp SDASCLWPA2A1A0 VDD Vss 图3AT24CXX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 图2IC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3SLE4442各引脚功能 三 IIC总线 1 IIC总线简介IIC总线 InterIntegratedCircuitBUS 是Philips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 SDASCL Rp Rp SDASCL 图4IIC总线外围扩展示意 Vcc SDASCL SDASCL SCLSDA SCLSDA SCLSDA 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SDA 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 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 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 D7D0 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1 8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 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data1 dataN 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 SLAR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 MOVSLA SLAW SLAR 寻址字节入从地址MOVNUMBYTE N 操作字节数LCALLIWRNBYTE 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MOVR0 MTDMOV R0 SUBAINCR0MOV R0 55H 用三个归一化指令写入MOVSLA SLAWMOVNUMBYTE 02HLCALLIWRNBYTE 将AT24C02内的数据读到单片机的70H中程序可写为 读出 发出子地址MOVMTD SUBAMOVSLA SLAWMOVNUMBYTE 01HLCALLIWRNBYTE 读出字节MOVSLA SLARMOVNUMBYTE 01HLCALLRDNBYTEMOV70H MRD 小结 在用IIC总线与单片机连接工作时 可以将单片机的