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1、第37章 单片机读写智能IC卡 智能IC（Intelligent Card）卡，是指一张集成了部分电路的卡片。其一般采用固定大小，其内部的电路主要用于存储和处理数据。智能IC卡一般简称为智能卡或者IC卡。ATM取款机、公交卡以及学校的饭卡均是智能IC卡。IC卡带来了灵活方便的身份识别和支付等功能，目前已广泛应用于交通、校园、金融、电信、医疗以及门禁系统等领域。 本章主要介绍智能IC的概述，常用的智能IC卡芯片及其读写方式。本章还通过一个实例，介绍了51系列单片机如何读写智能IC卡。37.1 智能IC卡概述 从本质上说，智能IC卡是部分集成电路的组合。IC卡制作成标准大小的卡片形式，是为了方便携
2、带以及便于读写操作。智能IC卡目前已经深入到我们生活的方方面面。这里主要介绍IC卡的分类，以及常见的接触式IC卡和非接触式IC卡。37.1.1 智能IC卡分类 智能IC卡按照用途来分，可以分为如下几类： 身份识别，例如门禁卡、居民身份证等。 支付工具，例如ATM取款机、公交卡、学校的饭卡等。 加密/解密，例如数据备份卡、加密IC卡等 信息，例如手机的SIM卡等。 智能IC卡按照使用的方式来分，可以分为接触式IC卡和非接触式IC卡： 接触式IC卡通过机械触点从IC卡读写设备获取能量和交换数据； 非接触式IC卡通过射频感应从读写设备获取能量和交换数据。非接触式IC卡又称为射频卡。37.1.2 接触
3、式IC卡接触式IC卡是在卡片上引出了机械触点的IC卡。接触式IC卡内部的芯片通过机械触点来进行数据读写操作。使用时，将IC卡插入读写器的插槽内，由读写器完成对芯片的读出和写入操作。接触式IC卡每次读写时，都必须把IC卡正确插入到读写器中才能完成数据的交换。因此，存在着操作不方便、触点易磨损、读写速度慢等缺点。但是接触式IC卡制作起来比较简单，成本也比较低，目前使用的非常广泛。本章就以接触式IC卡为主进行介绍。Atmel公司的IC卡芯片是目前市场上最常见的。其提供了存储器型、逻辑加密型等多种IC卡类型，可广泛应用于多种场合。37.1.3 非接触式IC卡非接触式IC卡没有明显的触点，其内部除了存储
4、单元、控制逻辑外，还集成有感应线圈。非接触式IC卡通过线圈射频感应从读写设备获取能量和交换数据。在使用时，将非接触式IC卡放在读写器附近一定的距离之内，读写器通过射频为IC卡内部的电路提供能量，并通过一定的协议完成数据的交换。非接触式IC卡由于不存在机械触点，因此使用方便快捷、不易损坏。非接触式IC卡制作比较复杂，成本也比较高，其常用于使用频繁、可靠性要求高的场合。目前，很多应用领域的智能IC卡都开始使用非接触式IC卡。Philips公司的Mifare技术是当今非接触式智能IC射频卡的主流技术，目前已经被指定为非接触式IC卡的国际标准（ISO/IEC 14443A标准）。现在一些大型的IC卡制
5、造商、IC卡读写器制造商以及相关软件设计公司等都以Philips公司的Mifare技术作为标准。37.2 智能IC卡芯片 本章以接触式智能IC为例进行介绍。最常见的接触式智能IC卡，其内部芯片采用Atmel公司的AT45DB041。这里便以该芯片为例，介绍IC卡的操作。37.2.1 IC卡芯片AT45DB041简介AT45DB041是Atmel公司生产的4M位串行数据Flash，支持ISP在系统重编程（擦写和编程），可用于语音、图像和数据的存储，特别适合于存储器型IC的设计。AT45DB041D是最新的型号，其主要功能特性如下：单2.5V供电或2.7V3.6V单电源供电。串行接口结构，兼容SP
6、I串行外设接口。支持页编程操作，可在单周期完成编程，2048页（264字节/页）主内存。可进行页擦除或块擦除。具有2个SRAM数据缓冲器，可以允许在系统重编程时接收数据。可以连续进行读操作。具有内部程序和控制定时器。具有硬件数据保护功能。低功耗，输入输出兼容CMOS和TTL电平。最大66MHz的工作频率。100000次擦写次数。数据可以保存20年以上。37.2.2 AT45DB041D的内存空间及其读写AT45DB041D共有4MB的内存空间，其结构按照页面、块和扇区来组织，分别介绍如下：以页面为单元，AT45DB041D内存中共分为2046页，每页共264个字节。以块为单元，AT45DB04
7、1D内存中共分为256块，每块共2112个字节，8页构成一块。以扇区为单元，AT45DB041D内存中共分为6个扇区，扇区0由8页构成，相当于第0块；扇区1由248页构成，对应第1块到第31块；扇区2由256页构成，对应第32块到第63块；扇区3、4、5均为512页构成，每个扇区对应64块的空间。在对AT45DB041D的内存空间进行操作时，所有编程写操作都以页面为基本单位，而擦除操作可以选择页面操作或者块操作。37.2.3 AT45DB041D的指令 对IC卡芯片AT45DB041D的读写操作由主控制器发送指令来实现。由于AT45DB041D采用串行接口，指令执行时，首先CS为低电平，然后启
8、动SCK时钟控制SI输入脚，并装载指令代码和操作对象的地址，完成一条指令的输入。 其中，操作对象的寻址主要包括4M的主内存寻址和BUFFER寻址。BUFFER寻址通过BFA8BFA0共9位地址来实现，可以定位BUFFER内具体字节的地址。AT45DB041D的4M主内存区寻址通过PA10PA0和BA8BA0来实现的。其中，PA10PA0共11位地址，用于确定页面的位置；BA8BA0共9位地址，用于确定页面内具体字节的位置。37.3 单片机读写智能IC卡实例 采用AT45DB041D芯片的IC卡本质上属于存储器件，可以通过其SPI串行接口来对其进行读写操作。在实际使用时，一般都规定好信息的特殊存
9、储格式，以满足不同场合的需要。这里为了方便，只介绍如何使用单片机读写IC卡芯片AT45DB041D，用户可以根据需要自行定义数据信息的格式。 由于IC卡芯片AT45DB041D采用串行SPI接口，因此需要选择带有SPI总线接口的单片机。标准的8051单片机没有集成SPI总线控制器，这里选择Atmel公司带有SPI接口的AT89S8253单片机。37.3.1 电路图 采用Atmel公司的AT89S8253单片机来读写IC卡的电路原理图，电路图中，所使用的元器件列表，如表所示。37.3.2 SPI接口单片机AT89S8253简介 AT89S8253是Atmel公司生产的8位微处理器，它与51单片机
10、完全兼容，但在P1端口（P1.4 P1.7）上扩展了SPI接口。其主要功能特性如下： 2.7V5.5V工作电压。 12KB的在系统重编程可下载Flash和256B的内部RAM。 2KB的EEPROM存储器。 32位和8051兼容的可编程I/O线。 3个16位定时/计数器和9个中断源。 SPI串行接口。 可编程看门狗定时器。37.3.3 建立项目 这里采用Keil C51软件，进行程序设计。具体操作步骤如下：37.3.4 IC卡芯片AT45DB041D读写子函数 对IC卡芯片AT45DB041D的读写需要使用相关的指令，并满足一定的时序。这里将用到的函数封装成子函数的形式，方便调用。37.3.5
11、 主程序 这里使用AT89S8253单片机来读写IC卡芯片AT45DB041D。主函数中首先初始化串行口为模式1，波特率为4800bit/s。接着通过while循环语句来扫描串口输入，根据输入数据来调用函数执行不同的功能。37.4 小结 本章主要介绍了智能IC卡的相关知识。其中对目前市场上广泛使用的AT45DB041D接触式IC卡芯片进行了详细介绍，包括芯片的功能、内存空间和指令。本章还通过一个具体的实例，介绍了如何使用单片机对IC卡芯片进行读写操作。由于IC卡芯片采用SPI串行数据接口，这里使用了带有SPI接口的AT89S8253单片机进行读写操作。智能IC卡目前得到广泛的使用，读者应该熟练掌握本章内容。
