IC卡读/写器的设计分析

　　IC卡(Integrated Circuit Card)是将一个集成电路芯片嵌在塑料基片中，封装为卡片形式。IC卡最早是在20世纪70年代初提出来的，由法国布尔(BULL)公司于1976年首先创造出来，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、身份证及餐饮等多个行业。
　　
　　我国正在致力于经济信息化建设，其中以“金桥”、“金卡”及“金关”三金工程为代表。“金卡”工程（电子货币工程）是推进我国国民经济信息化的重要工程之一。它以磁卡或IC卡为媒介，利用邮电部和中国人民银行现有的网络资源，并通过“金桥”网构成经济信息系统，为银行、商贸和旅游等部门服务。由于IC卡相对磁卡而言，不但具有防水、防潮、防磁和极高的安全、保密、防伪能力，而且使用寿命长，因而是“金卡”工程的首选产品。
　　
　　一、IC卡简介
　　
　　IC卡芯片具有写入数据的存储数据的能力。根据嵌入卡中的集成电路的不同，可以分成以下三类。
　　
　　●存储器卡：卡中的集成电路为E2 PROM;
　　
　　●逻辑加密卡：卡中的集成电路具有加密逻辑和Ez PROM；
　　
　　●CPU卡：卡中r集成电路包括中央处理器CPU、E2 PROM、随机存储器RAM以及固
　　
　　化在只读存储器ROM中的片内操作系统COS(ChipOperating System)。
　　
　　IC卡按与外界数据传递的形式分为接触型IC卡和非接触型IC卡。当前广泛使用的是接触型IC卡。
　　
　　由于IC卡类型不同，因而有不同的读／写方式及硬件要求。我们在开发IC卡读／写器时，使用的是美国ATMEL公司生产的AT24COIA存储器型IC卡。AT24COIA的容量为1K位(128×8)，擦写次数为100 000周期，数据存储期为100年。这种IC卡使用的模块符合ISO/IEC7816协议，其触点的安排见表1- 38和图1- 123。

二、硬件电路设计

　　本节所设计的IC卡读／写器的硬件框图见图1- 124。

　　
　　IC卡读／写器电路是以8031单片机为主，辅以2764、6264、8279等芯片组成的。整个电路分为三部分：基本单片机系统、显示和键盘电路及IC卡接口电路。
　　
　　基本单片机系统电路由8031单片机、8KROM2764、8K RAM6264和用于地址锁存的74LS373等芯片组成；显示和键盘电路由8279芯片、LED显示器和驱动芯片组成。采用8279芯片可使编程简单，节省8031的硬件资源。
　　
　　IC卡接口电路由双向模拟开关和上拉电阻组成。由于IC卡有其独特的电气特性，所设计的硬件电路必须符合其电性能要求。
　　
　　根据IC卡的电气特性设计的硬件电路见图1- 125。

　　由于IC卡为存储器芯片，若接口硬件设计不当，轻则缩短IC卡使用寿命，重则会烧坏IC卡；而合理的设计会对卡有保护作用，因而增强IC卡的读／写可靠性和延长使用寿命。本节所设计的IC卡读／写器，从各方面采取了不同的措施，尽可能避免了对卡的损伤。
　　
　　在IC卡的使用过程中，由于接触式IC卡是由人工插拔来完成1次读／写的，而在插拔过程中，IC卡处于不稳定接触状态。如果在这种情况下IC卡的接口设备带电，则无疑会对卡造成损伤。因此，在插拔过程中，IC卡接口设备绝不允许带电。
　　
　　在IC卡的卡座上一般都有1个状态开关，卡座上有无卡可由开关信号反映出来。因此通过判断此开关信号可以知道卡的有无，从而控制lC卡接口设备的上、下电。判断此开关信号既可通过查询方式，也可通过中断方式。但查询方式的响应速度慢，尤其对于拔卡动作。由于人工拔卡带有很大的随机性，若在读／写过程中突然拔卡，则会导致读／写失败；又由于不能及时去掉接口设备电源，容易损坏lC卡。
　　
　　因此，在设计中采用中断方式。将开关信号分别通过“与”、“非”门，经过整形后加到8031的2个外部中断INTO和INT1上。这样，只要插拔IC卡通过中断方式及时响应，切断或接通接口设备电源，就可保护IC卡。
　　
　　但是，在插拔过程中，仅仅切断电源还是不能完全避免对卡的损害。为更进一步提高对卡的保护，在设计中将所有与卡直接接触的信号线和电源线都通过CD4066双向模拟开关与IC卡连接起来，并由图1 - 125中的Pl.1来控制CD4066的导通，实现信号和电源的通断。这样，在插拔卡时，利用中断及时响应。在没有卡时，迅速切断与卡有直接连接的信号线和电源线，在硬件上确保了对卡的保护。
　　
　　如果IC卡和单片机主机共用同一组电源，它们之间就会产生干扰，尤其是主机对IC卡的干扰。为了避免这种互扰，在设计上采用双电源独立供电法，即IC卡单独由LM317高稳定性电源供电，而主机由7805供电。这样，两组电源分别向1C卡和主机供电，减弱甚至消除了IC卡与主机之间的电源干扰，提高了IC卡的读／写可靠性，保护了IC卡。

三、软件设计

　　下面对AT 24COIA的读／写时序进行分析，并给出程序说明。写字节时序见图l- 126(a)。
　　
　　通过时序图可以看出，要写卡必须由开始状态启动，而开始状态一定是在时钟输入SCL的高有效期内；在I/O数据线SDA上有1个由低到高的跳变；紧接着送人器件地址，使卡进行读／写操作。对AT24COIA卡，器件地址高4位一定为1010，最低位为0写卡，为1读卡。信息高位先送出，见图1 - 126(b)。

　　I/O数据线SDA上的状态变化一定要发生在时钟输入SCL的低有效期间。在时钟的上升沿才把数据送入E2 PROM，而在读卡上数据时，在时钟SCL的下降沿将EZ PROM数据输出，即SDA数据变化也发生在SCL的低有效期。因而一定要在SCL高有效期内才能读取卡的数据。下面给出8031编程实例。

　　综上所述，写卡时，在时钟SCL低有效期向I/O数据线SDA送人数据；在时钟SCL上升沿将数据写入IC卡。读卡时，在时钟SCL下降沿，卡中数据送入I/O数据线SDA，在相应的时钟SCL高有效期读取这一数据。

　　写一字节时，由于是串行传送，只能按位进行，且各位必须保证连续性，因此时钟信号SCL频率的选择既要满足卡的动态特性，又要与程序指令执行时间相配合。
　　
　　以上原则同样适用于读字节程序。
　　
　　该读／写器已成功应用于IC卡全自动粮食收购系统，读／写稳定可靠，应用效果良好。