摘 要： 介紹了以單片機AT89C51為核心的IC卡系統的設計。設計了單片機控制IC卡數據讀寫的軟/硬件、LCD顯示以及與PC機之間的串口通信。
關鍵詞： AT24C08；AT89C51；I2C；LCD；串口通信
IC卡(Integrated Circuit Card)是將一個集成電路芯片鑲在塑料基片中，封裝為卡片形式，具有讀寫數據和存儲數據的能力。接觸式IC卡是現代智能卡中的一種，它是繼條碼卡、磁卡等之后出現的一種高性能標識卡，是微電子、計算機及電子信息等高新技術綜合發展的產物。IC卡比磁卡存儲容量大，可靠性和安全性高，在應用上除了覆蓋磁卡的全部應用范圍以外，還提供了許多磁卡所不具備的應用特性。正是這些特性，使IC卡在脫機業務處理和聯網數據一致性等方面表現出前所未有的優勢。現已廣泛應用在金融、交通、通信、保安、娛樂等諸多領域。
1 AT24C08卡
存儲卡是IC卡的一種，它是一種用可電擦寫的可編程內存(E2PROM)為核心的IC卡，能夠多次重復使用。AT24C08是ATMEL公司出品的I2C接口、高集成度串行E2PROM內存IC卡。AT24C08具有以下特點：與400 kHz I2C總線兼容、低功耗CMOS技術、1 000 000次編程/擦除周期及可保存數據100年以上。
AT24C08芯片的觸點位置與功能符合ISO7816-2標準，觸點位置如圖1所示，觸點功能如表1所示。
2 電路設計與讀寫控制
2.1 接口電路的設計
本設計采用的單片機是AT89C51[1]。AT24C08卡座與AT89C51的電路連接如圖2所示[2]。SLC為串行時鐘，在時鐘的上升沿，數據寫入E2PROM；在時鐘的下降沿，數據從E2PROM被讀出。SDA為雙向數據端口，是一個漏極開路的引腳，滿足“線與”的條件，在使用過程中需要加上拉電阻。SW1、SW2為IC卡卡座的1對常開觸點，SW1與Vcc連接，SW2與AT89C51的引腳P1.0連接，平時P1.0通過1個電阻連接到地，當有卡插入時，SW1和SW2短接，Vcc將P1.0上拉到高電平，通過對P1.0上的電平查詢就可以知道是否有卡插入。
2.2 AT24C08內存讀寫操作
AT24C08的數據接口完全符合I2C的標準。I2C總線是由數據線SDA和時鐘線SCL構成的串行總線，可發送和接收數據。I2C總線協議規定：只有在總線空閑時才允許啟動數據傳送。在數據傳送過程中，當時鐘線為高電平時，數據線必須保持穩定狀態，不允許有跳變；且數據線的任何電平變化都將被看作總線的啟動或停止信號。I2C總線在傳送數據過程中共有以下3種類型信號：
(1)起始信號：當SCL處于高電平時，SDA從高到低地跳變作為I2C總線的啟動信號，啟動狀態應該在操作命令(讀/寫)之前進行建立。
(2)停止信號：當SCL處于高電平時，SDA從低到高的跳變作為I2C總線的停止信號，表示一種操作的結束，馬上即將結束所有的相關通信。
(3)應答信號：AT24C08在接收到8 bit數據后，在第9個脈沖向AT89C51發出1個低電平，表示已收到數據。如圖3(a)所示。
通過時序圖可看出，要寫卡必須由起始信號啟動，緊接著送入器件地址，使卡進行讀/寫操作。對AT24C08卡，器件地址高4位一定為1010，最低位作為讀寫控制位，“0”表示對IC卡進行寫操作，“1”表示對IC卡進行讀操作。信息高位先送出，如圖3(b)所示。
由圖2的接口電路可以看出，AT24C08的時鐘、上/下電及讀寫操作均由單片機控制，因此單片機編程時應符合AT24C08的傳輸協議和操作命令。本設計首先按照要求編寫對AT24C08進行操作的子程序，再編寫主程序組成完整的IC卡讀寫系統[3]。幾個主要子程序和IC卡讀卡器對AT24C08的操作流程圖如圖4所示。
3 LCD顯示
字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，目前常用16×1、20×2、40×2行等模塊。本文用1602字符型液晶顯示器顯示讀卡器讀出的信息。1602的引腳說明如表2所示、與單片機AT89C51的接口電路如圖5所示。
單片機讀出IC卡的數據通過P0口送到液晶顯示器顯示，可分2行共顯示32個字符，也就是16個字節的十六進制數據，通過上位機控制讀數據起始地址可移動顯示數據。1602可直接顯示字符型數據，IC卡讀出的十六進制數據需轉換成字符型數據再送到液晶屏顯示。
4 單片機與計算機的串口通信
4.1 單片機與計算機的硬件接口
PC機串口通常采用RS-232電平，而單片機串口是TTL電平，二者不兼容。所以，接口必須做電平轉換處理。在此，采用MAXIM公司的MAX232芯片進行電平轉換。AT89C51單片機TXD端連接到MAX232的T1IN端，用于發送數據；PC機的RD端連接到MAX232的T1OUT端，用于接收數據；AT89C51單片機RXD端連接到MAX232的R1OUT端，用于接收數據；PC機的TD端連接到MAX232的R1IN端，用于發送數據。
4.2 用MSComm控件實現串口通信
MSComm控件是Microsoft公司為簡化Windows下串行通信編程而提供的ActiveX控件[4]。它提供了一系列標準通信命令的使用接口，可建立起與串口的連接，并可通過串口連接到其他通信設備(如Modem)，從而實現發出命令、交換數據以及監視和響應串行連接中發生的事件和錯誤等功能。MSComm控件也可用于創建電話撥號程序、串行口通信程序和功能完備的終端程序。MSComm控件提供了事件驅動法和查詢法2種處理通信的方式。在使用事件驅動法設計程序時，每當有新字符到達、端口狀態改變或發生錯誤時，MSComm控件都將觸發事件，應用程序在捕獲該事件后通過檢查MSComm控件的CommEvent屬性可獲知所發生的事件或錯誤，從而采取相應的操作。這種方法的優點是程序響應及時，可靠性高。雖然查詢方式實質上還是屬于事件驅動，但在有些情況下這種方式顯得更為便捷。它適合于較小的應用程序，每當應用程序執行完某一串行口操作后，將不斷檢查MSComm控件的CommEvent屬性以檢查執行結果或某一事件是否發生。
本文設計的基于MSC-51單片機的IC卡系統硬件電路，用單片機模擬I2C的時序，使用了C語言編寫源程序[5]。通過對單片機和LCD的進一步開發，可以使IC卡的使用能夠脫離讀卡器終端設備的限制，設計成為手持式的IC卡系統。
參考文獻
[1] 羅興垅，黃隆勝.基于AT89C51控制的0.01℃數顯溫度計的設計[J].微計算機信息，2006(5-2)：70-72.
[2] 余永權.ATMAEL89系列單片機應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.
[3] 李軍.系列單片機高級實例開發指南[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.
[4] 李長林.Visual Basic串口通信技術與典型實例[M].北京：清華大學出版社，2006.
[5] 孫涵芳.MCS-51/96系列單片機原理及應用(修訂版)[M].北京：北京航空航天大學出版社，1996.