中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

智慧卡整合家用電話機於嵌入式系統之研究

A Study of Smart Card Integrated in Home Phone Set in Embedded Systems

系 所 別：資訊工程學系碩士班 學號姓名：E09302012 吳國珩 指導教授：游坤明 博士

中華民國 九十六 年 二 月

摘 要

全球無線通訊科技的快速發展，手機已經變成一個標準的個人移動通訊裝置。由 於無線溝通網路的傳播，即使在家或在辦公室中，越來越多的消費者習慣於經由他們 的手機去撥打電話而不使用家用有線電話機，加上近年來行動電話(手機)比家用有線 電話機在功能上提供更多的優勢，包括無線與可移動的功能，實質的展現通訊技術帶 來的的效益。以現代科技的進步，儘管家用電話機通話品質已經達到一定的水準，但 在家用電話機硬體提供的顯示介面(LCD)相較於手機並沒有增加太多的顯示功能，也由 於家用電話機內建的電話簿記憶體與顯示器目前只能紀錄與顯示簡單而固定的英文與 數字符號，因此無法提供給使用者對於中文顯示介面的需求。

本篇論文主要是研究如何利用嵌入式系統架構整合家用電話機與智慧卡讀卡機, 提供複製 SIM 卡電話簿的介面與增加電話機顯示介面中文化；另外，存取電話簿資料 的途徑除了經由手機輸入編輯 SIM 卡電話簿之外，同時也可透過個人電腦(PC)開發的 視窗應用程式編輯電話簿，再利用系統與 PC 的介面相連接，將更新的電話簿資料下載 至系統內建的記憶體。這種以嵌入式架構提供複製 SIM 卡電話簿介面的好處就是可以 將家用電話機的電話簿與手機的電話簿紀錄成一致，而透過 PC 視窗應用程式編輯電話 簿資料，使用者可以選擇各種輸入法當作輸入媒介。因此根據電話簿資料的輸入途徑，

經由手機或是 PC 的鍵盤輸入會是比較熟悉的操作介面，而利用電話機結合嵌入式系統 實現家用電話機內建中文電話簿，可以帶給使用者更人性化的中文操作介面以及提升 家用電話機內建中文電話簿儲存的功能。

Abstract

With the rapid development of the global wireless communication technology, mobile phone has become a standard personal mobile communication device. Due to the broadcast of wireless communication networks, more and more consumers are used to making phone calls via their cell phones rather than corded phones, even when they are at home or in the office. In recent years, mobile phones (mobile handsets) have provided more advantages than corded phones, including wireless connection and mobile functions, and have substantially presented the benefits of communication technology. Despite the advancement of modern technologies and a fair level of communication quality provided by corded phones, compared with mobile phones, not many display functions have been added to the display interface (LCD) of corded phones. Currently, the built-in phone book memory and display of corded phones can only record and display simple and fixed English alphabets and numbers, so the demand for a Chinese language display interface cannot be provided.

This research mainly focused on how to use an embedded system structure to integrate a Smart Card reader into corded phones and provide an interface for duplicating SIM phone book and a localized Chinese language display interface. In addition to manually editing the phone directory on SIM card, a Windows-based application can be developed to edit the phone book on PC. By connecting the system to the PC interface, the phone directory data can be directly updated and downloaded onto the built-in memory of the system. The major advantage of this SIM phone book duplication system under this embedded architecture is that the phone book on corded phones and mobile phones can be synchronized. By editing the phone book on the PC-based Windows application, users can choose any input method as an input medium. Among the approaches for inputting phone book data, mobile phone keyboard or PC-based keyboard would be the interface that users are more familiar with. Using corded phones integrated with an embedded system to implement a Chinese-supported phone book will provide users with a friendly Chinese operator interface and enhance the function of storing Chinese phone book data on corded phones.

致謝

很慶幸的在工作多年之後，還有機會重返校園繼續碩士班的學業，這些日子裡非 常感謝指導教授游坤明老師於論文寫作方面的指導與鼓勵，從中不斷的傳授論文研究 方法與思考的方向以及一些實質的建議，的確讓個人覺得受益良多。這段時間也認識 了來自任職於各行各業的同學，更深刻的體會每個人對於知識的追求是無止境的。

能夠完成論文實作要感謝幾位好朋友的協助(Alex Shyi、Dennis Lin、Calvin Lin、Jimmy Joe)，他們提供很多實做上需要的硬體設備包括示波器、IC 燒錄器、撥 號專用 IC、微處理器發展工具等等，都是透過這些朋友鼎力相助，才能順利的進行後 續的實做與驗證。 最後，也感謝家人的支持，能夠讓我無後顧之憂的兼顧工作與學業，

並順利的將論文完成。

目錄

第一章 緒論 ... 1

1.1 研究背景與動機 ... 1

1.2 研究目的 ... 2

1.3 論文架構 ... 3

第二章 家用電話系統 ... 4

2.1 基本電話架構 ... 4

2.1.1 電話傳送信號 ... 4

2.1.2 撥號的傳送原理 ... 5

2.2 電話的傳送 ... 6

第三章 系統研究相關技術規範 ... 8

3.1 UNICODE 漢字集碼 ... 8

3.1.1 編碼結構與字元集 ... 9

3.1.2 功能及用途 ...11

3.2 ISO 7816 相關應用技術規範 ... 11

3.2.1 SIM 卡介紹 ... 12

3.2.2 SIM 卡硬體特性 ... 13

3.2.3 SIM 卡界面 ... 14

3.2.4 SIM 卡內部架構 ... 14

3.2.5 SIM 卡容量 ... 15

3.2.6 SIM 卡使用注意事項 ... 15

3.2.7 SIM 卡密碼設定 ... 15

3.2.8 SIM 卡通訊協定 ... 16

3.2.9 SIM 卡檔案格式 ... 18

3.2.10 SIM 卡電話簿讀取 ... 20

3.2.11 SIM 卡 PIN 碼確認 ... 21

第四章 系統設計 ... 22

4.1 電話機系統架構規劃 ... 23

4.2 SIM 卡讀寫介面硬體電路說明... 24

4.3 系統應用電路元件介紹 ... 26

4.3.1 微控制器 ... 26

4.3.2 資料記憶體 ... 28

4.3.3 撥號器 ... 30

4.3.4 系統電源電路 ... 32

4.3.5 液晶顯示器控制 ... 33

5.2 系統操作模式介紹 ... 42

5.2.1 功能選擇模式 ... 42

5.2.2 讀取 SIM 卡模式 ... 43

5.2.3 寫至 SIM 卡模式 ... 43

5.2.4 電腦連線模式 ... 44

5.2.5 刪除電話簿模式 ... 44

5.2.6 自動撥號 ... 44

5.2.7 手動撥號 ... 45

5.3 系統實作成果 ... 45

5.4 中文電話簿自動撥號系統測試... 46

第六章 結論與未來展望 ... 50

6.1 結論 ... 50

6.2 未來展望 ... 50

【附 錄 A】系統硬體電路圖... 51

【附 錄 B】系統記憶體字型產生工具... 54

【參考文獻】 ... 55

圖目錄

圖 2-1 脈衝式撥號原理 ... 5

圖 2-2 複頻式撥號原理 ... 6

圖 2-3 電話機基本架構 ... 7

圖 3-1 UCS 全部的編碼空間 ... 9

圖 3-2 卡片接觸點結構 ... 12

圖 3-3 帶 LCD 顯示 SIM 卡專用電話簿備份機 ... 13

圖 3-4 可透過 PC 編輯 SIM 卡電話簿備份機 ... 13

圖 3-5 卡片內部結構 ... 15

圖 3-6 讀卡機與 SIM 交談程序 ... 16

圖 3-7 APDU 資料傳輸格式... 17

圖 3-8 卡片檔案結構 ... 19

圖 3-9 GSM SIM 卡 系統檔案目錄結構 ... 20

圖 4-1 智慧卡整合家用電話機系統內部架構 ... 23

圖 4-2 智慧卡整合家用電話機系統外部介面... 24

圖 4-3 主機與 SIM 卡通訊傳輸時序... 25

圖 4-7 MX25L8005 串列介面資料記憶體 ... 29

圖 4-8 讀取資料時序圖 ... 29

圖 4-9 寫入資料時序圖 ... 30

圖 4-10 複頻產生器內部架構 ... 31

圖 4-11 複頻產生器控制時序圖 ... 31

圖 4-12 5V 倍壓電路... 32

圖 4-13 LCD 模組介面... 33

圖 4-14 LCD 串列介面控制的時序圖... 33

圖 4-15 LCD 資料顯示記憶體映射方式... 34

圖 4-16 LCD 資料顯示記憶體對應圖... 35

圖 4-17 字型顯示範例 ... 36

圖 4-18 U ^NICODE 轉換至 BIG-5 ... 38

圖 4-19 字型顯示碼轉換方式 ... 40

圖 5-1 鍵盤掃描輸入 ... 42

圖 5-2 功能選擇模式 ... 43

圖 5-3 備份 SIM 卡顯示畫面 ... 43

圖 5-4 資料寫入 SIM 卡顯示畫面 ... 43

圖 5-5 PC 傳送讀取命令... 44

圖 5-6 PC 傳送更新命令... 44

圖 5-7 中文姓名顯示與自動撥號 ... 44

圖 5-8 家用有線電話機內建中文電話簿開發系統 ... 45

圖 5-9 系統驗證操作流程圖-手動撥號... 46

圖 5-10 系統驗證操作流程圖-自動撥號... 47

圖 5-11 PC 端電話簿編輯應用程式 ... 48

圖 A-1 系統電路圖-操作與顯示介面... 51

圖 A-2 系統電路圖 PCB-操作與顯示介面... 52

圖 A-3 系統電路圖-電話機撥號與通話介面... 52

圖 A-4 系統電路圖 PCB-電話機撥號與通話介面... 53

圖 A-5 系統電路-開發成品... 53

圖 B-1 視窗程式 UNICODE 字型產生器 ... 54

表目錄

表 3-1 BMP 儲存資訊 ... 10

表 3-2 三種常見的漢字編碼標準 ... 11

表 3-3 SIM 卡接觸點定義 ... 14

表 3-4 SIM 卡標準命令編碼 ... 17

表 4-1 複頻產生器接腳說明 ... 31

表 4-2 複頻產生器輸出頻率 ... 32

表 5-1 系統軟體開發工具... 41

第一章 緒論

藉由電子科技的快速成長，行動電話拉近人與人之間的距離，對一般的使用者而 言，經由手機撥打電話或是收發簡訊是最常用的功能，其中 SIM 卡提供的電話簿更是 讓使用者可以隨時經由手機更新電話簿的內容[1]，而除了使用手機輸入將電話簿內容 更新，目前市面上也販賣各種不同款式的讀卡機，主要的功能即是針對手機 SIM 卡內 電話簿資料的備份，因此讀卡機的功能通常僅侷限於備份的作用，相對的提供給使用 者操作與顯示的介面就比較會被忽略。又目前有很多廠牌的手機硬體也內建與 PC 連線 的介面，一般是透過紅外線傳輸，使用者可透過 PC 編輯程式輕易的將電話簿資料更新 至手機 SIM 卡，還可備份多張 SIM 卡電話簿資料儲存至 PC；經由讀卡機資料備份的機 制，當手機遺失或是失去所有重要聯絡電話時，可減少重新輸入通訊錄的困擾，由此 可知，SIM 卡記錄與備份的功能是非常符合一般使用者的需求，因此 SIM 卡電話簿備 份用的對外儲存介面勢必會成為手機標準配備。

相較於手機內建的電話簿儲存媒介，家用有線電話機略顯的比較缺乏創意，早期 家用有線電話機的構造簡單，只提供撥打電話與接收電話的功能，而目前家用有線電 話機的市場已經將過去簡單功能的架構提升為跟手機操作介面相類似的模式，因此也 提供給使用者更多的選擇性。就一般家用有線電話機內建電話簿的功能還是不夠人性 化，主要原因是家用有線電話機內建的電話簿只能紀錄英文或是數字符號而無法紀錄 中文字型，這對於中文市場的使用者並不是很好的操作介面，因此若是能夠將系統操 作的顯示介面提升為中文，並且提供標準的文字輸入介面，即可任意記錄以中文字型 為主的電話簿。而想要紀錄中文字型則要考量另外一個重點，就是中文輸入法的問題，

一般在 PC 上常使用的中文輸入法包括注音輸入法、倉頡輸入法，大易輸入法、內碼輸 入法等等，使用者可選擇自己擅長的輸入法作為輸入中文的工具，但是在非 PC 的嵌入 式平台想要內建各種中文輸入法，於成本考量比較難實現，主要是商品化的價錢太貴，

況且到底要內建幾種中文輸入法才能滿足所有使用者的需求，也是考量的重點。

1.1 研究背景與動機

早期電話的發明建構了人類遠距離溝通的橋樑，當時電話機主要的配備除了電話 傳輸線之外最主要的就是鍵盤撥號鍵，而經過長時間的發展與經驗的累積，電話機硬 體技術不斷的推陳出新，到目前為止，標準的鍵盤撥號功能已經無法滿足使用者的需 求，尤其是當手機市場的興起，更是讓原本只是單存以製造標準電話機的業者，無不

應碼正確的顯示，包括英文或是中文字型。而為了擴展系統的實用性，選擇以 SIM 卡 當做儲存媒介其主要原因是 SIM 卡的電話簿記錄格式使用 Unicode 標準，這種格式符 合大部分 GSM 手機的 SIM 卡存取介面，因此可以減少經由其他手機紀錄的電話簿資料 無法被本系統介面讀取的問題。

另外系統顯示中文化與資料編輯與儲存的功能是本篇論文研究的重點，資料的編 輯與儲存主要有兩種方式，一種是透過現有的 GSM 手機專用 SIM 卡即可以記錄中文字 型電話簿，使用者只要透過個人習慣使用的手機輸入介面就可以很輕易的輸入中文字 型，再經由結合家用有線電話機與智慧卡讀卡機將 SIM 卡電話簿資料轉移至系統顯示 記憶體就可完成顯示中文化，並且透過讀卡機存取介面使得 SIM 卡間接的被達到備份 的功用。另一種方式是透過以個人電腦開發的視窗程式介面去編輯與修改電話簿資 料，再經由串列傳輸介面將系統電話簿資料更新。利用嵌入式系統與 PC 串列傳輸介面 技術的整合，適時的將科技與資訊生活化。

1.2 研究目的

本篇論文的構想主要是將手機 SIM 卡可編輯電話簿功能的再利用，並將其整合至 家用電話機以及個人電腦視窗應用程式，透過嵌入式系統的實作，可將現有家用電話 機的架構提供更人性化的操作介面，以及提升家用電話機與 SIM 卡的附加價值，並且 克服一般家用電話機只能夠儲存與顯示英文或數字符號當作電話簿資料的限制。

以目前業者販售的家用電話機，已經與早期電信局提供的傳統電話機在功能上有 明顯的差別與增加更多的便利性，就現有市場上常見的家用電話機其功能大致可歸納 如下:

1. 顯示來電號碼、時間及日期 2. 語音報號功能

3. 暫切/重播功能 4. 全免持撥號對講 5. 鈴聲音量高低可調 6. 貼心鬧鐘功能 7. 和弦鈴聲選擇

8. 雙面大型 LCD 顯示幕 9. 時間顯示設計

10. 可設定免打擾 (來電不響鈴)

以上這幾點雖然在功能上提供了很多使用者操作的介面，例如增加 LCD 是目前大 部分家用電話機的標準配備，這樣的介面當使用者操作時可以很明確的感覺撥號按鍵 上的一舉一動，包括按鍵號碼可以直接顯示出來，同時可減少過去常常發生撥錯號碼 的情形。但以這些帶有 LCD 的家用電話機，卻忽略了華人市場使用者的操作習慣，也 是就中文顯示的環境，因為現在有附加 LCD 顯示幕的家用電話機，還是侷限於只能顯 示數字或是英文字型，間接地限制了 LCD 賦予的顯示功能，當使用者不擅長將中文姓

名以英文姓名取代時，就很容易造成電話簿記錄的姓名代號容易忘記或是還要動一下 腦筋去聯想英文代號所代表的是何人。

為了改善家用電話機內建電話簿無法顯示中文的缺憾，所以論文研究目的為將手 機 SIM 卡的電話簿資料儲存於結合電話機的電話簿系統中，同時也達到 SIM 卡資料備 份的功能。另外，此系統也可提供簡易的操作介面，讓使用者於撥號時不需要再為了 找尋電話號碼或是翻閱電話簿造成許多的不便，而且平常也可當作 SIM 卡電話簿的備 份機，透過手機的操作可很方便的隨時編輯電話簿更新的動作。

1.3 論文架構

本論文共分為六章。第一章介紹論文的相關背景知識，主要說明家用電話機在使 用者操作介面的定義。第二章介紹電話系統與通訊傳輸架構。第三章介紹相關的技術 規範，包括編碼使用 Unicode 的 ISO10646 以及 ISO7816 標準文件中 SIM 卡的使用規 範，其中說明電話簿編輯的資料格式與資料解析，以及讀取或寫入 SIM 卡資料的傳輸 協定。第四章為系統設計與相關的電路元件介紹，說明各元件的特點，第五章為實作 部份的家用電話機結合智慧卡讀卡機系統開發，以此驗證家用有線電話機與 SIM 卡電 話簿的整合應用與系統之硬體操作介面的介紹。第六章結論，並探討未來可繼續發展 與研究的方向。

第二章 家用電話系統

電話通信是將聲能與電能相互轉換，利用“電”這個媒介來傳輸語言，當我們對著 送話器講話時，聲波作用於送話器上，使之產生電能，話音電流沿著線路傳送到對方 電話機的受話器內，而受話器再把電流轉化為聲波，通過空氣傳至人的耳朵中，這樣 就完成了最簡單的通話過程。

電話系統演進的過程[16][17]可分為傳統式電話機、按鍵式電話機、全電子式電

早期電話的發展進程很慢，當初業者主要開發的重點工作是如何擴大電話的使用 區域，直到近年來由於通訊技術不斷的提升，包括光纖電纜以及無線通訊的發達，使 得電話使用的範圍不再成為通訊的障礙，反而是電話機附加功能的提升才是業者互相 追逐競爭的方向。電話機的種類繁多，常見的包括有線、有線主機、無線副機以及無 線電話、行動電話等。如依撥號方式則有轉盤式與按鍵式電話，以下針對電話機訊號 傳輸方式做一描述。

2.1 基本電話架構

標準電話線路是由電話公司提供而連接到住家電話線上，當中電話線路的傳輸方 式 是 經 由 以 四 條 電 線 所 組 成 的 電 纜 而 連 接 到 電 話 公 司 交 換 機 (telephone exchanges)，四條電線分別為紅色、綠色、黃色與黑色。在現代的電話系統中，只有 紅色與綠色的電線被使用，而黑色作為一條備用的電線，黃色電線主要的功能是攜帶 振鈴器信號(ringer signal)，於大部分的家用有線電話機中，黃色線就在插孔之內部 直接短路到綠色線去，這種接續方式可以將電話內部的振鈴器電路予以啟動。

2.1.1 電話傳送信號

基本上電話機連接至電話公司的中央交換局(central switching office)間只有 二條電線而已，這兩條電線一般被稱呼為端線與環線(tip and ring wire)。電話公司 的中央交換局具有許多服務功能，它提供電話機操作時所需要的直流電源，這是一個 獨立的電源來源，與電力公司的電力輸出無關，這就是為什麼當電力公司停電時電話 機還是照常可以使用的原因。

當用戶從電話機撥出某個電話號碼時，中央交換局將會從用戶的電話撥號脈衝 (dial pulses)或音調(tones)中加以譯碼(decodes)，電話公司中央交換局的裝備能自 動的決定用戶所撥出的號碼，並造成必要的接續。一個典型的中央交換局能處理 10000 支獨立的電話機，假如所撥出的數字不是屬於那個中央交換局的交換區域(exchange

area)時，這個呼叫就自動的被轉送到其他適當的中央交換局去代為處理。當被撥叫的 號碼已被識別出並加以接續後，中央交換局便傳送電話振鈴信號到被呼叫的電話機 去，對方就會聽到電話來電振鈴的訊號，而同時會送一個回音鈴(ring back tone)到 原主叫者的電話機去，因此用戶便可以知道撥號呼叫正在被處理中。

平常電話線處於等待狀態，即電話聽筒未拿起也無振鈴時，電話線兩端的電壓約 為 40~50 伏特的直流電壓[21]，當電話線有振鈴信號產生時，兩端的電壓為 100~110 伏特而頻率為 20 赫茲的交流電壓，而當話筒拿起後，此時電話線路兩端的電壓約為 7~9 伏特的直流電壓。

2.1.2 撥號的傳送原理

一般而言，傳統的轉盤式電話，撥號時所撥的數字愈大，轉盤轉動幅度就越大，

相對的送出的脈波數目愈多，故回轉的時間長，這種傳送方式稱為脈衝式傳送(如圖 2-1)。當轉動撥號為3則輸出三個電能脈衝，轉動撥號若為2則輸出兩個電能脈衝，

電信局轉接控制中心即可針對輸入的電能脈衝數去判斷發話方所要接通的電話號碼。

電流

1 2 3 1 2 間隔

拿起話筒 時間

撥號碼3送出 的脈波電流

3 2

圖 2-1 脈衝式撥號原理

目前的電話大多為按鍵式電話，當每一個數字鍵被按下時，會發出不同頻率的聲 音，此聲音是由兩個頻率不同的訊號組合而成(如圖 2-2)。電信公司的交換機便以此 合成訊號的頻率來辨別號碼，選擇並接通通話的對象，根據圖 2-2 所示，當按鍵輸入 為5，則實際傳送的電能訊號頻率為 1366 赫茲與 770 赫茲所組合而成的複頻訊號。

1 2 3

4 5 6

7 8 9

0 #

*

1209 1366 1477 697

770

852

941 赫茲(Hz)

按下

5

圖 2-2 複頻式撥號原理

2.2 電話的傳送

電話依通話距離的遠近以不同的方式傳送，短距離以成對的銅線電纜傳遞，而長 距離則以光纖電纜傳送，電纜無法架設的地方以微波無線電的方式傳送。而電話與電 話的連接則須靠交換機來完成，因此有電話的地方一定要有交換機。從前電話是用戶 搖鈴後，由接線生在交換機上完成交換，目前已採用數位交換機。當交換機收到信號 時，能自動找到正確的電話號碼，而將兩方的搭線器接在一起。以下針對打電話的方 法，視家用、長途或國際而不同，分述如下:

1. 家用電話，通話時只須撥打對方的電話號碼即可，例如:2938-1234，前四個數字 2938 為交換局號碼，1234 則為用戶號碼。

2. 長途電話，欲撥長途電話時，須先撥長途冠碼「0」及對方區域號碼。以金門為例，

先撥「082」，再撥電話號碼 323456。

3. 國際電話，國際電話可直撥，但須兩國有健全的電信交換網，即由兩國的電信公司 藉海底光纖電纜或通信衛星傳送，再連接國內交換網完成通話。國際電話的撥碼順 序依序為撥話地的國際冠碼-> 通話國國碼 -> 通話國區域號碼 -> 用通話國電話 號碼。例如:由臺灣撥號至日本東京，臺灣的國際冠碼是 002，日本國碼 81，東京 區域號碼為 3，其撥碼方式為 002-81-3-38329326。

由上述電話機的連線特性可歸納出每一部電話機至少須具備下列六種功能：

1. 有電話進來時以振鈴通知。

2. 將使用者的聲音傳送到網路上，並從網路上接收對方的聲音信號。

3. 對市話中心局發出使用網路的需求。

4. 告知目前網路的狀態，通常以不同的端電壓來完成。

5. 將所撥出的號碼告知市話中心局，通常以不同的音頻信號來完成。

6. 在使用完電話後，釋放網路的使用權。

圖 2-3 所示為典型的電話機基本功能方塊圖，主要架構包括有局線、振鈴、切換 開關、撥號器、通話網路與聽筒等六大部分，這種傳送方式稱為複頻式傳送，也是目 前家用電話傳輸網路的基本架構。

市 話中心 局

端線 環線

切換 開關

通話 網路

振鈴 撥號器

受話器

送話器 聽

筒 Tip

Ring

圖 2-3 電話機基本架構

第三章 系統研究相關技術規範

在智慧卡的應用領域中，謹守相關規範的訂定才能促使系統正確的與各類卡片做 資訊的交流，而為了建立系統實做部分朝向實用性與傳輸介面標準化，在應用中主要 遵循兩個標準規範，一個是 Unicode 的標準[22][23]，主要是為了處理顯示字型，另 一個是 ISO7816[15]，主要是為了取得電話簿資料的來源。以往在一個獨立的系統端 若是透過個人電腦去更新欲顯示的中文字型時，尤須特別注意繁體中文與簡體中文轉 換的資料格式，因為每一個相同的中文字意在繁體與簡體是以不同的編碼位址儲存，

例如中文字的『中』繁體的編碼為 BIG-5 格式其編碼位址 0xA4A4，而在簡體的編碼為 GB2312 格式其編碼位址 0xD6D0，因此兩種不同的編碼若是沒有經過轉換而在讀取相同 的編碼位址時就會造成顯示不一致的現象，而解決編碼不相容的方法就是使用 Unicode 的編碼方式，Unicode 編碼方式為將每一個字型都編給一個獨立的位址，例如

『中』在繁體與簡體的編碼為 0x4E2D,如此即可避免不同平台之間產生編碼不一致的 情形。另外 ISO7816 為業界智慧卡的開發標準，內容定義了許多卡片製作與開發的規 範，例如電氣特性與軟體溝通用的通訊協定，這樣各個開發者只要遵循此規範，就可 以很正確的使產品介面標準化，提高使用的相容性。以上這兩種規範都是國際標準協 定，因此透過這些軟體模式的介面標準，就可以很容易的將實做的系統標準化。以下 針對 ISO7816、SIM 卡與 Unicode 的規範做一說明。

3.1 UNICODE 漢字集碼

隨著資訊科技的訊速發展與電腦應用的普及，使得作業系統能運作於一標準規範 是需要的，因為若沒有統一的標準規則，那在於資訊傳輸上就會衍生很多相容性的問 題，其中最嚴重的就是字碼顯示的問題，使用電腦時常常由於螢幕顯示亂碼而阻礙資 訊的交流，這通常都不是資訊傳輸過程中發生資料遺失，而是各個作業系統編碼方式 或是轉碼過程發生錯誤所導致，因此為了解決多國語言於共用系統平台顯示的問題，

於是相關業者有了發展多語言整合性字元集和字元碼的構想。

為了克服不同國家間電腦字元資訊交換的困難，自 1984 年起，有兩個組織分別各 自發展出全球可以共用的編碼字集。其中之一是國際標準組織 ISO 與國際電工聯盟 IEC 合組的第一聯合技術委員會下的 SC2/WG2 工作小組(ISO/IEC JTC1/SC2/WG2)。該小組 草擬提出的 ISO 10646 標準草案，其標準名稱為“Universal Multiple-Octet Coded Character Set＂（簡稱 UCS,中文解釋為廣用多八位元編碼字元集），就是想集結全球 通用的字符集，成為一個大聯集，以滿足各國資訊交換的需求。另外一個組織則是 Unicode Consortium ， 也 設 法 採 用 新 的 觀 念 和 架 構 ， 來 設 計 適 用 全 球 的 廣 用 碼 (Universal Code；簡稱 Unicode，亦有人稱萬國碼)。這兩個組織的工作及方向雖然 在一開始時是各自發展，但是最後整合為一，匯合產生目前甚受矚目的 ISO 10646 /Unicode 標準，提供全球語言文字與符號之表示、傳送、交換、處理、儲存、輸入和 顯示的共同編碼標準，不但避免了資源的浪費，並且真正落實了統一全球文字交換標 準的理想。而當中 WG2 和 Unicode 協會達成協議，將 Unicode 併入 UCS 成為第 0 字面，

目前最常用的萬國碼大部份也只有使用到這塊字面。

3.1.1 編碼結構與字元集

UCS 的整體架構可由圖 3-1 來表示：

1. 總共有 128 群組（Group 00 - 7F）

2. 每一群組有 256 字面（Plane 00 - FF）

3. 每一字面有 256 列（Row 00 - FF）

4. 每一橫列有 256 格（Cell 00 - FF）

5. 每一字面 65,536 個位數（Character Position0000-FFFF）

6. 碼位 FFFEh 和 FFFFh，保留不用。所以，UCS 所有的編碼空間總共 256×128＝32,768 個 字 面 ， 每 個 字 面 為 256 × 256 － 2 ＝ 65,534 個 碼 位 ， 合 計 65534 × 32768 ＝ 2,147,418,112 個碼位。

每個字面:

256x256

=65536碼位 00群組

01群組

7F群組

00群組之00字面 00群組之FF字面

共256個字面 01群組之00字面

7F群組之00字面

由圖 3-1 之 00 群組的 00 字面稱作基本多語字面 BMP（Basic Multilingual Plane），BMP 由四大部份所組成(表 3-1):

表 3-1 BMP 儲存資訊

00 FF 各區所代表的意義

00 A 區(19903 個字) 用於文數字、音符和其它符號 4E I 區(20992 個字) 用於 CJK 之漢字

A0 O 區(16384 個字) 保留未來使用

E0 R 區(8190 個字) 用戶／業者自行使用區域

UCS 所有字面中，目前僅有第 0 群組的第 0 字面（BMP）、第 1 字面、第 2 字面和 第 14 字面真正收容編碼字元。BMP 的編碼字元概況，依其 UCS-2 編碼順序介紹如下：

1. 0000～007Fh：基本拉丁字母區。其中 0000～001Fh 為 C0 控制碼，0020h 為空格

（space），0021～007Eh 為 ASCII 圖形字元，007Fh 為控制碼 DEL。事實上，這 128 個字元碼只要把前八個位元去掉就可變成習見的八位元形式的 ASCII 碼。

2. 0080～00A0h：控制碼區。其中 0080～009Fh 為 C1 控制碼，00A0h 為不中斷空格

（no-break space）。

3. 00A1～1FFFh：拼音文字區。收容基本拉丁字母之外的各種拼音文字字元，包括歐 洲各國語言、國際音標、間隔修飾字母、組合附加記號、希臘文、斯拉夫文、 亞 美尼亞文、希伯來文、阿拉伯文、敘利亞文、馬爾地夫文、印度各地方言、斯里 蘭卡文、泰文、寮文、藏文、緬甸文、喬治亞文、韓文音符、衣索匹亞文、印地 安語文 、高棉文、蒙文等。

4. 2000～28FFh：符號區。收容各種符號，包括標點符號、上下標、錢幣符號、 符 號用組合附加記號、似字母符號、數字、箭頭、數學運算符、工程符號、光學辨 識符號、帶圈或帶括符的文數字、表格繪製符號、地理圖示、盲用點字、裝飾圖 形等。

5. 2E80～33FFh：中日韓符號區。收容康熙字典部首、中日韓輔助部首、注音符號、

日本假名、韓文音符，中日韓的符號、標點、帶圈或帶括弧文數字、月份，以及 日本的假名組合、單位、年號、月份、日期、時間等。

6. 3400～4DFFh：中日韓認同表意文字擴充 A 區，總計收容 6,582 個中日韓漢字 和 易經六十四卦符號。

7. 4E00～9FFFh：中日韓認同表意文字區，總計收容 20,902 個中日韓漢字。

8. A000～A4FFh：彝族文字區，收容中國南方彝族文字和字根。

9. AC00～D7FFh：韓文拼音組合字區，收容以韓文音符拼成的文字。

10. D800～DFFFh：S 區，專用於 UTF-16。

11. E000～F8FFh：專用字區，其內容 WG2 不予規定，保留供使用者自行添加 UCS 未收 容的字元。

12. F900～FAFFh：中日韓相容表意文字區，總計收容 302 個中日韓漢字。何謂相容表

意文字。

13. FB00～FFFDh：文字表現形式區，收容組合拉丁文字、希伯來文、阿拉伯文、中日 韓直式標點、小符號、半形符號、全形符號等。

3.1.2 功能及用途

廣用多八位元編碼字元集是 ISO 國際標準組織為提供全球文字和符號編碼標準 而設計和公佈的一項標準，由於國際資訊交流的日趨密切和多國語言交換之需求，已 有越來越多的資訊廠商已經或正在以此編碼標準來提供更完整之資訊處理環境。目前 既有 GSM 手機存取 SIM 卡資料的格式，大部分就都是遵循 Unicode 的標準編碼。表 3-2 分別說明常用的漢字編碼標準以及從中可以明白 Unicode 在中文字型市場整合功能的 重要性。

表 3-2 三種常見的漢字編碼標準

ISO 10646 GB 2312 BIG-5 特色 統一東亞國家所訂立的漢字標

準，包含所有 BIG-5 及 GB2312 的字符

只包含簡體中文字 只 包 含 繁 體 中 文 字

支援字符 在同一界面下可顯示繁體及簡 體中文字

簡體中文 繁體中文字 漢字字符數

目

在 BMP 中有 27,484 個 6763 個 13,053 個

普及地區 世界各地 中國內地 台灣、香港

開發者 國際標準化組織(ISO) 中國內地政府 工業界

3.2 ISO 7816 相關應用技術規範

ISO7816 是接觸式智慧卡的界面規格所依據的國際標準，由多個部分所組成，其 中第一、第二和第三部分適用於一般的讀卡機。第一部分界定卡的物理特性。第二部 分界定卡的尺寸大小和晶片接觸點的位置。第三部分界定電子信號和傳輸協定。符合 有關標準的讀卡機，可稱為符合 ISO7816 1/2/3 的規格，或簡稱符合 ISO7816 國際標

2. ISO7816-2，帶接觸點的積體電路卡；第 2 部分為接觸點的尺寸和位置，規定了各 接觸點的尺寸、位置和功能，每個接觸點應有一個不小於 2.0mm*1.7mm 的矩形表 面區，各接觸點間相互隔離，但未規定接觸點的形狀和最大尺寸，故 IC 卡接觸表 面形狀有各式各樣，但各接觸點的有效接觸面積和位置是固定的。IC 卡有 8 個接 觸點，目前一般用到 6 個，另 2 個接觸點留作將來使用，圖 3-2 為卡片接觸點結 構。

圖 3-2 卡片接觸點結構

3. ISO 7816-3；第 3 部分為電器信號和傳輸協議，規定了電源及信號架構，以及 IC 卡和讀卡機之間的訊息交換、通訊協議。IC 卡讀卡機根據此標準開發。

4. ISO 7816-4；第 4 部分為行業間交換用命令，規定了讀卡機與卡片之間傳送的命 令和應答訊息內容、卡片中的文件、數據架構及其訪問方法等。

3.2.1 SIM 卡介紹

SIM（Subscriber Identity Module）又稱為『用戶識別卡』[1]，是遵循 ISO7816[15]

的標準所開發出來的一種智慧卡，以往大部分的人都習慣隨身攜帶手寫電話簿，而在 早期的電話簿是以小記事本紀錄姓名與地址及電話號碼，紀錄簿上面常會留下塗改的 痕跡，造成紀錄上有些混亂，直到後來行動電話使用的普及，才漸漸的以行動電話的 SIM 卡內建電子電話簿的功能去取代原本以手寫記事本紀錄的方式，因此也改變了大 部分人的記憶習慣，因為有了 SIM 卡電話簿，就不再很需要將電話簿資料熟背在腦袋 裡或是手寫紀錄時由於字跡不整造成往後閱讀時的誤判。

SIM 卡除了搭配行動電話機才能存取電話簿的功能，目前在市面上也出現了各種 不需要依靠行動電話機的讀寫機，從顯示介面區分主要有兩種，其中一種是手持式的 單機，這種讀寫機本身內含 LCD 顯示功能，能夠直接將 SIM 卡電話英文姓名與電話號 碼顯示於 LCD(圖 3-3)，另一種則需要透過 RS232 或是 USB 介面連接至個人電腦(圖 3-4)，將 SIM 卡的電話簿資料直接在個人電腦上編輯，再透過讀寫機將資料更新至 SIM 卡，這樣的方式對於習慣以個人電腦當作輸入介面的使用者，提供了更方便的操作方

式。

圖 3-3 帶 LCD 顯示 SIM 卡專用電話簿備份機

圖 3-4 可透過 PC 編輯 SIM 卡電話簿備份機

以上這些讀寫機其功能簡單，主要的訴求是針對 SIM 卡電話簿資料的備份，其考 量點是設想當 SIM 卡遺失或是損壞時，使用者於更換新的 SIM 卡時需要重新輸入所有 的電話簿資料，造成使用上的不便，因此若有事先備份的機制，將來更換新的 SIM 卡 時電話簿資料就不需要重新輸入。

現有的 SIM 卡主要是搭配行動通話系統(GSM 手機)而開發出來的，目前已經被 GSM11.11 標準規範[1]，用戶可以在手機之間輕易移動其帳戶、短消息和號碼簿。一 般也定義 SIM 卡是一張符合 ISO-7816 的“智慧卡＂， 也稱用戶身分識別卡,可以插入 任何一部符合 GSM 規範的數位行動電話機，實現“電話號碼隨卡不隨機的功能＂，而 使用手機所產生的通信費用則自動記錄在該 SIM 卡所唯一標識的客戶的帳戶上，與手 機無關。

卡與小卡(如圖 3-2 為大卡加小卡的包裝)，介紹如下:

1. 卡片式(俗稱大卡)SIM 卡，這種形式的 SIM 卡符合有關 IC 卡的 ISO7816 標準，類 似 IC 卡。

2. 嵌入式(俗稱小卡)SIM 卡，其大小只有 25mm×15mm，是半永久性地裝入到移動設 備中的卡。

大卡＂上真正起作用的是它上面的那張“小卡＂，而卡片上起作用的部分則是卡 面上的銅製界面及其內部膠封的卡內邏輯電路。目前主流市場手機的卡片界面都只支 援＂小卡＂，小卡也可以換成“大卡＂（需加裝一卡托）。“大卡＂和“小卡＂分別 適用於不同類型的 GSM 移動電話，早期機型如摩托羅拉 GC87C、308C 等手機用的是“大 卡＂，而目前新出的手機基本上都使用“小卡＂。

3.2.3 SIM 卡界面

SIM 卡是透過卡面上銅製界面來連接卡內邏輯電路與移動終端的接觸，SIM 卡晶片 有八個接觸點，通常與移動設備連接需要六個接觸點，具體界面定義如表 3-3 所示:

表 3-3 SIM 卡接觸點定義 接觸點

編號 名 稱 I/O 適用說明

C1 Vcc P 電源電壓輸入 C2 RST I 重置輸入信號 C3 CLK I 卡片時脈信號輸入 C4 NC NC 保留未來使用 C5 GND P 電源基準電壓

C6 Vpp P 當外界需要寫資料至卡片內部的 EEPROM 時，所要提 供的燒錄電壓

C7 I/O I/O 串列資料輸入/輸出信號 C8 NC NC 保留未來使用

3.2.4 SIM 卡內部架構

SIM 卡是一個裝有微處理器的晶片卡，它的內部可劃分為五個模塊，並且每個模 塊都對應一個功能，這些模塊包括微處理器 CPU（八位元）、程式記憶體 ROM、隨機存 取記憶體 RAM 與資訊存取記憶體 EEPROM 和串列通信單元，如圖 3-5 卡片內部結構。CPU 提供卡片內部運算的能力，而 RAM 與 EEPROM 則提供卡片內部記憶的功能，ROM 主要是 存放卡片作業系統，用來管理卡片內部所有的硬體資源與處理外部輸入的控制命令。

ROM

CPU

EEPROM

RAM VCC

IO CLK RST GND

圖 3-5 卡片內部結構

3.2.5 SIM 卡容量

目前，電信業者提供有 8K、16K、32K、64K 等不同容量的 SIM 卡。但以一般的使 用者若無特殊需求，則並不會主動向電信業者要求 SIM 卡記憶體容量的規格與限制。

以現在一般手機使用 SIM 卡的電話簿記憶體容量大概可儲存 100 組或是 200 組電話簿 資料。

3.2.6 SIM 卡使用注意事項

1. 不可將卡片曲折，卡片上的金屬晶片尤其應小心保護，避免沾染塵埃及化學物品。

2. 避免將 SIM 卡置於溫度低於-20 C 或高於 85 C 的地方。

3. 取出 SIM 卡前，請先關閉手機電源，可以降低突波對電路的破壞。

4. 盡量避免頻繁的插拔 SIM 卡，以免損傷 SIM 卡的金屬晶片造成接觸不良。

3.2.7 SIM 卡密碼設定

1. PIN（Personal Identity Number）個人識別碼 是指 SIM 卡的密碼。為 4 位。存

3.2.8 SIM 卡通訊協定

軟體通訊協定是依據 ISO 7816-4 標準設定的方式，稱為 APDU(Application Protocol Data Units)應用協定資料單元。硬體通信協定為當 SIM 卡在經由讀卡機取 得電源及重置(Reset)命令與時脈信號(Clock)後，SIM 卡會先送出一串回應重置信息 (Answer To Reset)[14]，告知發送端可與卡片正常通訊以及回應一些卡片內隱藏的基 本資料，之後即可開始展開與讀卡機之間的交談通訊程序，見圖 3-6 所示。首先是 SIM 卡插入讀卡機開始交握 (handshaking) 程序，步驟(1)(2)；接著是讀卡機存取 SIM 卡資料，步驟(3)-(5)；完成處理， SIM 卡退出讀卡機，步驟(6)。詳細說明如下列步 驟。

1. (1)讀卡機先送 Reset 信號給 C2 以使讀卡機與 SIM 卡雙方 啟動交握程序 (handshaking)，並經由 Reset 對卡片內部 CPU 重置以及各暫存器 (Registers) 初始資料設定，並且得到卡片處理重置後的回應 C7(I/O)。

2. (2)SIM 卡經 C7(I/O)回送一串重置回應(ATR, Answer To Reset)位元組至讀卡機，

此時讀卡機可根據這串位元組的資料，去判定 SIM 卡內部基本參數的意義。

3. (3)完成交握程序後，讀卡機經 C7(I/O)送命令 (command) 至 SIM 卡，要求 SIM 卡執行特定工作。

4. (4)SIM 卡依命令執行完工作後，將執行結果及狀態回應 (Response) 給讀卡機。

5. (5)重覆(3)(4)直至完成交談。

6. (6)終止交談程序。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

C2(RST)

C7(I/O)

C7(I/O)

C7(I/O) Reset

ATR

Command

Response

重複(3) 、(4)步驟 直到工作完成

終止交談程序

讀卡機 SIM卡

圖 3-6 讀卡機與 SIM 交談程序

APDU 制定的方式有兩種，一種為命令格式，另一種回應格式，在 SIM 卡應用的領 域中，將這兩種格式區分為主動與被動的關係，卡片一般是等待接收讀卡機送來的命 令再回應相對應的信息回傳給讀卡機，因此卡片是屬於被動的裝置，而讀卡機則是屬 於主動的發送信息的命令者。

利用 APDU 協定讀取 SIM 卡電話簿的命令格式，在表 3-3 為系統讀寫 SIM 卡介面常 會使用到的命令編碼，資料的傳輸方向有兩種(R)和(S)，S 表示將命令或是資料寫入 SIM 卡，R 表示 SIM 卡會回傳資料，圖 3-7 為 APDU 資料傳輸格式，命令編碼如表 3-4。

CLA INS P1 P2 DATA

DATA SW1 SW2

主機向SIM卡發送APDU命令

SIM卡回傳資料格式

圖 3-7 APDU 資料傳輸格式 表 3-4 SIM 卡標準命令編碼

COMMAND INS P1 P2 Lc S/R SELECT A4 00 00 02 S/R GET RESPONSE C0 00 00 Length R READ RECORD B2 Record NO Mode Length R UPDATE RECORD DC Record NO Mode Length S VERIFY CHV 20 00 CHV NO 08 S

APDU 格式主要分兩部份，分別為 Mandatory Header(強制部分)與 Conditional Body(非強制部分) ，資料格式為 CLA INS P1 P2 Lc Data field Le。＂強制部分＂

是指 APDU 命令必須包括的部分，它包括 class (CLA), instruction (INS), 以及 parameters 1 和 parameters 2 (P1 and P2). 每部分有佔用一個位元。＂非強制部 分＂是指並不是所有的 APDU 都有這些部分，通常 SIM 卡回應的資料就屬於＂非強制部 份＂，APDU 發送命令與回應信息資料格式說明如下:

2. SIM 卡回應信息的部份也包括 Conditional Body(非強制部分)、 Mandatory Trailer(強制部分)，主要包括有 Data field 、SW1、 SW2，每個資料位元的定 義:

1-1 Data Field，回應之資料欄位 1-2 SW1，執行狀態參數 1

1-3 SW2，執行狀態參數 2

1-4 一般 SW1 + SW2 =“9000＂表明指令執行成功。

根據表 3.3 以及上面兩項 APDU 格式的說明，若是想要選擇(Select)SIM 卡的 ROOT 文件，則 APDU 的命令格式就可表示為 A0 A4 00 00 02 3F 00，第一個位元 A0 表示 SIM 卡，第二個位元 A4 表示 Select 指令，第三個位元和第四個位元 P1 與 P2 為 00，第五 個位元 02 表示後面會有兩個位元的資料欄位數值，3F00 資料欄位表示 ROOT 文件的 ID。最後根據這個 ID 位置的狀態，APDU 回應 9F1A，則表示可再用 GET RESPONSE 指令 去讀取 1A 位元組的回應資料。

3.2.9 SIM 卡檔案格式

讀卡機無法以直接定址的方式去讀寫 SIM 卡資料，因為卡片內部的作業系統將資 料記憶體劃分為階層式的檔案系統，要讀寫資料時必須先選取每一個資料的虛擬路 徑，也就是選擇目錄再選擇檔案，而檔案分為兩部份儲存，第一部分為檔案的檔頭，

儲存檔案所有相關的資訊，包括檔案的結構與存取權限，檔案使用 2 位元組的十六進 位碼來表示。第二部份為檔案的內容，其起始位址由檔案檔頭內的指標決定，而內容 的組織方式也是由檔頭決定。

檔案的型態主要分為兩類，分別為 DF 與 EF，DF(Dedicate File)代表目錄，若該 目錄是根目錄時則稱為 MF(Master File)，EF(Elementary File)則代表檔案，由圖 3-8 所示，一個 MF 的下一層可擴展其他的 DF，DF 的下一層也可擴展其他下一層的 DF，而 最後一層通常指的就是 EF，此為真正所要讀寫的資料位址。

MF

DF DF

DF DF DF

EF EF

EF EF

EF EF EF

EF EF EF EF

EF

EF EF

圖 3-8 卡片檔案結構

圖 3-9 為 SGM 系統與卡片之間檔案存取的配置方式，圖中虛線箭頭所指的方向就 是論文實作系統中存取電話簿檔案的路徑。根據以上 APDU 與檔案結構存取方式要實際 存取 SIM 卡電話簿資料可使用 APDU 的命令如下說明。

1. 系統主機送出 APDU 命令:A0 A4 00 00 02 3F 00 2. 卡片回應:9F 17

3. 系統主機送出 APDU 命令:A0 A4 00 00 02 7F 10 4. 卡片回應:9F 17

5. 系統主機送出 APDU 命令:A0 A4 00 00 02 6F 3A 6. 卡片回應:9F 0F

此時已經選擇到電話簿檔案的位址，當要讀取電話簿檔案檔頭相關資訊時則可透 過 Get Response 的命令直接去讀取，如下兩個步驟:

7. 系統主機送出:A0 C0 00 00 0F

8. 卡片回應:C0 00 00 17 70 6F 3A 04 00 11 F4 22 01 02 01 1E 90 00 以上詳細 APDU 可參考 GSM11.11 的規格書。

MF

‘3F00’

DF TELECOM

‘7F10’

DF GSM

‘7F20’

DF PHASE

‘6FAE’

EF AND

‘6F3A’

FF FDN

‘6F3B’

EF SMS

‘6F3C’

EF CCP

‘6F3D’

EF MSISDN

‘6F40’

EF SMSP

‘6F42’

EF SMSS

‘6F43’

EF LND

‘6F44’

EF EXT1

‘6F4A’

EF EXT2

‘6F4B’

EF LP

‘6F05’

EF IMSI

‘6F07’

EF KC

‘6F20’

EF PLMNsel

‘6F30’

EF SST

‘6F38’

EF ACM

‘6F39’

EDF GID1

‘6F3E’

EF GID2

‘6F3F’

EF PUCT

‘6F41’

EF CBMI

‘6F45’

EF HPLMN

‘6F31’

EF ACMmax

‘6F37’

EF SPN

‘6F46’

EF BCCH

‘6F74’

EF ACC

‘6F78’

EF FPLMN

‘6F7B’

EF LOCI

‘6F7E’

EF AD

‘6FAD’

圖 3-9 GSM SIM 卡 系統檔案目錄結構

3.2.10 SIM 卡電話簿讀取

根據上一節 Get Response 的回傳資料 C0 00 00 17 70 6F 3A 04 00 11 F4 22 01 02 01 1E 90 00，最後 2 個位元組 SW1 與 SW2 等於 90 00 表示此命令執行正常，SW1 之前的 1 個位元組 1E 表示每筆電話的資料長度，位元組 3 與 4 組合成 16 進位等於 0x1770，所以實際卡片可以紀錄的電話組數為 0x1770 除以 0x1E 等於 0xC8，轉換為 10 進制即為 200。以下說明讀取電話簿資料的方式：

讀取電話簿(READ RECORD)

1. 主機傳送命令：A0 B2 01 04 1E

2. 卡片回傳：B2，表示已接收主機 Read Record 的命令，

3. 並且緊接著開始回傳 0x1E 位元組的電話簿資料以及 SW1 與 SW2，資料格式如下：

電話姓名： 4D,59,20,48,4F,4D,45,FF,FF,FF,FF,FF,FF,FF,FF,FF, 特殊符號： 06,81,

電話號碼： 10,32,54,76,98,10,32,54,76,98,FF,FF, SW1+SW2： 90,00

電話號碼總共佔用電話簿資料的最後面 12 個位元組(10 32 54 76 98 20 32 54 76 98

FF FF)，解碼的方式為每一個位元組先取低 4 位元的數值再取高 4 位元的數值，所以 實際電話號碼表示為 01234567890223456789，其中 F 表示空白不用理會。

特殊符號可分辨電話號碼的前置字元，06 81 表示一般的號碼撥號，若是 07 91 則表 示國際長途如 07 91 88 36 95 50 23 F6 FF FF FF FF FF FF,顯示電話號碼為 +88635905326。

電話姓名總共佔用電話簿資料的長度為 0x1E-14 等於 16 個位元組(4D 59 20 48 4F 4D 45 FF FF FF FF FF FF FF FF FF)，第一個位元組若非 0x80，則表示每個位元組是以 ASCII 表示，因此實際電話姓名為 MY HOME，FF 表示空白，可以不理會。當第一個位 元組為 0x80 則表示姓名的資料有中文字型存在，此時 0x80 之後以 2 個位元組為單位 去表示一個字型的姓名資料，應用範例說明如下:

A0 B2 01 04 1E B2 80 4E 2D 65 87 00 31 00 32 00 33 FF FF FF FF FF FF...

中文字型 Unicode 為：中 文 1 2 3 SW1+SW2 等於 90 00 表示回傳資料已經正常結束

經由以上讀取電話簿資料的說明，相對的若是要更新電話簿資料，則格式與讀取 方式相同，只是主機傳送命令調整為 UPDATE RECORD，再將電話簿資料回寫至 SIM 卡 即可完成更新的動作，詳細控制方式可參考 GSM11.11 規範說明。

3.2.11 SIM 卡 PIN 碼確認

當讀取 SIM 卡電話簿資料時，若卡片回應的資料格式第一個位元組 98 而非 B2 時，則表示卡片有設定 PIN 碼，則需要使用 VERIFY CHV 命令去做開鎖的動作，若原有 的 PIN 碼為 1234，則命令格式如下說明：

1. 主機傳送命令：A0 20 00 01 08

2. 卡片回傳：20，表示已接收主機 VERIFY CHV 的命令 3. 主機傳送 PIN 碼：31 32 33 34 FF FF FF FF

4. 卡片回傳：90 00，表示 PIN 碼寫入正確

經過寫入 PIN 碼的開鎖動作，則可以開始對 SIM 卡作存取的命令。

在每次主機與卡片通訊的過程中，主機需要經常去確認 SW1+SW2 的數值是否為 9F 00，因為在通訊的過程中難免會因為其他的因素影響傳輸的正確性，像是雜訊干擾造

第四章 系統設計

最近幾年家用有線電話機在功能的提升起了很大的改變，最主要是隨著嵌入式系 統的盛行，很多時下流行的消費性產品已內建微處理器或是隨機存取記憶體，有了這 些硬體架構即可根據產品的特性去發展出各種不同的功能，相對的也提高產品運作的 效率並且同時改善產品只有單一功能的應用。尤其是家用電話機不再只是撥打電話，

反而是增加來電顯示、電話簿記錄、自動撥號、遠端遙控等等這些都是嵌入式系統多 功能的發揮，而目前家用有線電話機雖然大部分都具備這些功能，不過以顯示的介面 來分析卻都只能顯示英文字型或是數字模式的固定七段顯示碼，另外在資料儲存介面 由於記憶體空間有限，所以只能存放簡單的英文或是數字字型的電話簿資料，因此，

如何應用嵌入式技術將家用電話機電話簿增加顯示中文化的介面與建立更新電話簿資 料記憶體的傳輸媒介標準化是此系統設計的重點。這套系統的設計考量是以目前市場 上販售電話機產品的特徵以及 GSM 手機專用 SIM 卡讀卡機的實用性作為研究改善的參 考方向，兩種單一功能特徵說明如下:

1. 電話機帶液晶顯示

話機有帶液晶顯示的主要目的就是提供給使用者一個人性化的操作介面，依據螢 幕顯示的提示，可以讓使用者很清處的了解操作的過程，但就目前一搬家用有線電話 機上液晶顯示幕的顯示模式是有限的，主要是它只能單存顯示預先建立好的數字或是 文字，像是＂A~Z＂英文字型或是＂0~9＂的數字，因此若是較複雜的字體就無法顯示，

造成有液晶顯示功能時並沒有提供給使用者更完善的操作介面，反而覺得有點大材小 用，因為多了一片 LCD 面板卻沒有突顯它更高功能的付加價值。因此就現有的電話機 在顯示上應該還有很多值得改善與加強的空間。

2. SIM 卡讀卡機

又稱為手機電話簿備份機，此產品在市場上也是很普遍，其中操作介面分為有帶 LCD 顯示與沒有帶 LCD 顯示，這種沒有帶 LCD 顯示是另外提供與 PC 連結的介面，透過 與 PC 連線直接將電話簿備份至 PC 內儲存成檔案，但他們的重點都是為了做 SIM 卡電 話簿記憶體區塊的備份與複寫，不過讀卡機若只是單存做讀寫資料的備份功能，似乎 是有點可惜與不夠實用，因為只將讀卡機定義做電話簿備份的功能，則一般使用者平 常做備份的動作並不會很頻繁。

根據上面的特徵，若是能夠將 SIM 卡讀卡機與家用電話機內建中文電話簿的功能 結合，就能夠有效的使得 SIM 卡的再利用，以及提升讀卡機的實用性，而電話機的液 晶顯示幕若是可以顯示中文，則更能提供給使用者在系統操作上的便利性。

關於中文電話機系統主要的硬體架構是遵循 SIM 卡讀卡機設計而衍生的另ㄧ種應 用，利用標準 GSM 使用的 SIM 卡其本身可透過手機去更新讀寫電話簿的資料，再將這 些現有的電話簿資料轉移至家用電話機，使得家用電話機可以直接讀取 SIM 卡內部的 電話簿資料再顯示至 LCD 面板上，如此就可以很便利的將 SIM 卡透過家用電話機做複

製電話簿的功能，同時也增加家用電話機可以顯示各種字型的功能。這個系統內的電 話簿資料除了可透過手機直接去更新 SIM 卡的內容，另外一種方式就是透過系統本身 提供的串列介面與電腦連線，讓使用者可以直接在電腦上使用應用程式編輯電話簿，

如此，也讓習慣使用電腦操作的使用者多了一項選擇。

4.1 電話機系統架構規劃

ㄧ般應用嵌入式系統架構是以微處理器晶片為核心，透過與周邊其他特殊功能的 晶片介面相連結，再配合微處理器晶片內的韌體控制程式即可執行特定功能的動作。

圖 4-1 為智慧卡整合家用電話機的系統內部架構，而實際的外部系統連接介面如圖 4-2，其中提供的介面包括常用電話機必備的輸入介面數字鍵盤、電信局通話網路端線 插座以及取代話筒所使用的耳機與麥克風插座，而介面中最主要的是增加 SIM 卡插 槽，透過這個插槽可以直接存取 SIM 卡內部電話簿的資料記憶體。另一種方式為利用 串列介面與個人電腦連線，透過視窗介面程式做電話簿編輯並可直接存取系統電話簿 記憶體，當然，還有 LCD 面板顯示器，可以將電話機操作的狀態都顯示出來，其中顯 示中文電話簿內的中文姓名是最主要的目的。

電源供 應器

隨機存取 記憶體

MCU

電話簿資料 記憶體 中文字型顯 示碼記憶體 Flash Memory

耳機 LCD

RS232 4x4 SIM卡

電信局端線

微處理器

撥號器

電話網路

1 2 3

4 5 6

7 8 9

＊ 0 #

M

1 2 3

4 5 6

7 8 9

＊ 0 #

SIM

M 耳機

麥克風

電信局端線 手動撥號開關

中華大學 03-5374281 中華電信 0800080412 李曉華 0930201235 陳大春 0963305263

圖 4-2 智慧卡整合家用電話機系統外部介面 根據圖 4-1 的內部結構，以下說明各邏輯方塊的運作流程:

1. MCU 負責讀取鍵盤掃描資訊，當使用者輸入讀取 SIM 卡電話簿的訊息時，MCU 就開 始進行對 SIM 卡的存取動作，並將讀取 SIM 卡的文字編碼資料存入電話簿資料記 憶體。

2. 當使用者由鍵盤輸入讀取電話機系統內的電話簿資料記憶體時，MCU 就負責將電話 簿資料記憶體的文字編碼位址對應到中文字型碼對應記憶體區塊，並將實際對應 的字型點陣圖位元資料讀取並顯示至 LCD。

3. 當使用者由鍵盤輸入撥號訊息，則 MCU 控制將目前選取的電話簿號碼傳送給撥號 器，撥號器負責產生類比的電話號碼複頻信號，再將此複頻信號透過電話網路傳 送至電信局端線。

4. 撥號與通話過程中，使用者可搭配耳機與麥克風透過電話網路與電信局端線跟外 部電話機構成通訊。

4.2 SIM 卡讀寫介面硬體電路說明

根據 GSM11.11[1]定義 SIM 卡電話簿的標準存取方式，包括系統時脈(System Clock)信號的產生、傳輸封包的協定(Protocol)，以及正常操作時電源的電氣特性，

都需要嚴謹的遵守，才能正確的控制 SIM 卡以達到存取電話簿資料的目的。硬體電路 設計時首先需要克服的是如何產生正確的系統時脈，只有當系統主控制晶片與裝置運 作在同步的時脈信號驅動下，才能完成完整與正確無誤的溝通命令與回應。

根據圖 4-1 電話機系統架構，以下說明 SIM 卡插槽介面應用電路。

1. SIM 卡電話簿讀寫電路如圖 4-4，依據 ISO7816-3 卡片的觸點定義，觸點 C1 和觸 點 C5 是電源輸入正負端點。

2. 觸 點 C2 為 卡 片 重 置 (RESET) 端 點 ， 平 常 是 維 持 在 高 準 位 ， 透 過 MCU(Microprocessor Control Unit)的 IO 埠(SIM_RST)去控制此端點為低準位而 且維持至少 400 個系統時脈，再控制此端點一直維持高準位，即完成 SIM 卡重置 的動作。

3. 觸點 C3 為卡片時脈輸入端點，時脈震盪電路以 3.579545MHz 震盪器搭配 4069 反 向器 IC 產生時脈輸入給卡片，依據 ISO7816-3 定義，將系統時脈除以 372 的數值 即為之後卡片與電話簿讀寫機之間的傳輸速率(Baud rate)。所以實際傳輸速率為 (3.579545MHz/372)等於 9600，即每秒鐘傳輸 9600 個位元，每一個位元的寬度約 為 100us，而傳輸的資料格式為 1 個起始位元、8 個資料位元、1 個偶數邏輯 1 的 判斷位元、以及最後的 1 個停止位元，圖 4-3 為主機對 SIM 卡發出 RESET 命令後 SIM 卡回傳的第一個資料位元組為 0x3F 或是 0x3B 的數據。若回傳的第一位元組 不是 0x3B，則需要將這個位元組的每一個位元取反向(補數)，即位元如果是 0 則 當做為 1，而位元如果是 1 則當作為 0，並且高低位元組的順序相反，以國內目前 業者提供的 SIM 卡，大部份 ATR 的第一位元組為 0x3B。

Start Bit Data Bit 1..8 Parity Bit

B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 0 0 1 1 1 1 1 1 = 0x3F

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 High

Low

Start Bit Data Bit 1..8 Parity Bit

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

1 1 0 1 1 1 0 0 = 0x3B

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 High

Low

I/O I/O

圖 4-3 主機與 SIM 卡通訊傳輸時序

4. 觸點 C7 為雙向資料傳輸端點，由 MCU 的 IO 埠(SIM_TX)送出命令參數傳輸給卡片，

卡片則透過 MCU 的 IO 埠(SIM_RX)回應資料。

圖 4-4 SIM 卡讀寫介面電路

4.3 系統應用電路元件介紹

在規劃與設計系統應用電路時，核心控制電路主要是嵌入式微處理器的架構，一 般微處理器的架構包括輸入與輸出介面、隨機存取記憶體、程式記憶體與資料記憶體，

另外顯示器 LCD 也是不可或缺的輸出介面，再搭配電話機專用的撥號器就可以完成電 話機的基本撥號與顯示的功能，而其中最重要的是供給系統電路所需要的直流電源。

工欲善其事必先利其器，先了解每個部分的電路特性對整個系統的整合有很大的幫 助，以下針對本系統使用的主要組成元件做一介紹。

4.3.1微控制器

一般嵌入式系統最主要的處理核心是微控制器(Micro Controller Unit)，又稱系 統單晶片(System on a Chip)。 主 要 負 責 控 制 整 個 系 統 的 運 作 ， 包 括 存 取 SIM 卡 的 介 面 控 制、中 文 字 型 記 憶 體 與 電 話 簿 記 憶 體 的 讀 取 介 面 以 及 撥 號 產 生 器 的 控 制 。 圖 4-5 為控制器(C8051F045)的 內 部 架 構 [2]， 主 要 的 特 徵 概 述 如 下 : 1. 25 MIPS 8051CPU

2. 64K 位 元 組 程 式 記 憶 體 (FALSH)

3. 4K 位 元 組 隨 機 儲 存 記 憶 體 (DATA RAM) 4. 2 組 UART 與 SPI 串 列 介 面

5. 5 個 16 位 元 計 時 器 6. 32 個 I/O 埠

7. 10 Bit ADC

8. 3 組 類 比 信 號 比 較 器 9. 晶 片 供 應 電 壓 3.0~3.6V

圖 4-5 C8051F045 的 內 部 架 構

選 擇 這 顆 MCU 來 設 計 中 文 電 話 簿 是 因 為 C8051F045 本 身 具 有 系 統 單 晶 片 即 時 除 錯 的 功 能 (On Chip debug)， 透 過 這 個 功 能 可 以 即 時 的 掌 控 程 式 執 行 時 所 有 內 部 暫 存 器 的 狀 態 及 外 部 I/O 的 接 腳 狀 態。如 此 可 以 很 迅 速 的 去 達 到 控 制 的 目 的 以 及 節 省 程 式 開 發 的 時 間。圖 4-6 為 MCU 型號 C8051F045 外 部 I/O 接 腳 。

圖 4-6 C8051F045 外 部 I/O 接 腳

這 顆 MCU 的 基 本 架 構 是 與 標 準 的 MCU 8051 相 容 ， 擁 有 可 程 式 規 劃 的 四 組 I/O 埠，其 中 I/O 還 可 個 別 規 劃 為 特 殊 功 能，像 是 串 列 傳 輸 介 面 (RS232)。

另 外 使 用 8051 的 好 處 是 程 式 撰 寫 可 使 用 視 窗 整 合 開 發 環 境 編 輯 與 使 用 C 編 譯 器 (Compiler)，並 且 開 發 完 成 的 程 式 可 直 接 透 過 RS232 下 載 介 面 燒 錄 至 程 式 記 憶 體 而 不 需 要 額 外 使 用 其 他 的 燒 錄 器 ， 節 省 了 很 多 開 發 時 間 。

4.3.2 資料記憶體

記憶體使用的 IC 型號為 MX25L8005[4]，與 MCU 溝通的介面為 SPI(Serial Peripheral Interface)，儲存空間為 1M-Bytes 的容量，依此系統的需求將內部儲存 資料分兩部份，第一部份主要是存放 Unicode 中文字型的 LCD 顯示對應碼(起始位址為 0x000000)，資料格式為每個字型顯示點數為 16x16 的點陣圖，因此ㄧ個字型所需要的 儲存空間為 32 個位元組，第二部份為儲存 SIM 卡電話簿的資料(起始位址 為 0x0D0000)。

依據 Unicode 中文字型碼的規範定義了中文字型碼的編碼位址是從 4E00～

9FFFh，編碼內容為中日韓認同表意文字區，總計收容 20,902 個中日韓漢字。因此，

以一個中文字型為 16x16 的點陣圖從記憶體的劃分，要包含所有常用中文字型，總共 需要的記憶體空間大約是 668864(20,902*32)個位元的空間，這些中文字型點陣圖資 料一般是預先使用 IC 燒錄器直接將他儲存在記憶體內固定的位址，平常只是供 MCU 讀取點陣圖資料以便顯示在 LCD 上。另外，儲存讀取來自 SIM 卡電話簿資料的記憶空 間，主要規劃為可供 MCU 讀寫，如此可讓電話簿的儲存資料隨時可做更新。圖 4-7 為 資料記體的零件外觀與 I/O 腳位描述

圖 4-7 MX25L8005 串列介面資料記憶體

控制 SPI 介面讀寫的時序圖，分為三部分，包括致能控制命令、讀取資料記憶體 與寫資料至記憶體。

讀取資料時序圖(MCU 傳送 SPI 的命令格式順序如圖 4-8) 1. CS#控制為低電位(開始)

2. 寫入命令資料 0x03

3. 寫入位址資料 3 個位元組(SI[23:0])

4. 讀取資料位元組 n 個(SO[7:0]=Data Out1,Data Out2,) 5. CS#控制為高低電位(結束)

寫入資料時序圖(MCU 傳送 SPI 的命令格式順序如圖 4-9) 1. CS#控制為低電位(開始)

2. 寫入命令資料 0x02

3. 寫入位址資料 3 個位元組(SI[23:0])

4. 寫入資料位元組 n 個(SI[7:0]=Data Byte1,Data Byte2,) 5. CS#控制為高低電位(結束)

圖 4-9 寫入資料時序圖

記憶體內存放的資料是將每個字型顯示碼的 32 個為元組 設定為一個單元，亦就 是當讀取 Unicode 的資料為 0x4E00 時，則 32 個資料存放的位置為 0x0000 至 0x0020，

舉例來說，當讀取＂中＂這個字型時，因為 Unicode 為 0x4E2D，則實際存放在記憶體 的位址為(0x4E2D-0x4E00) * 32 等於 0x05A0。

4.3.3 撥號器

電話機最主要的功用還是通訊的功能，而當中主動發話者需要呼應的第一個動作 就是透過撥號器撥號，一般撥號器俗稱複頻產生器，系統用產生複頻信號的 IC 編號為 HT9200A[5]，圖 4-10 為其內部結構圖，此顆 IC 是透過串列介面與 MCU 溝通，當電話 機需要撥號時，可利用 MCU 的 P1.4 腳去控制撥號 IC 的/CE 腳以致能撥號 IC 進入動作 狀態，此時撥號 IC 的 DATA 與 CLK 接腳可接受 MCU 傳輸過來的命令，再將收到的撥號 資料透過撥號 IC 內部的 DTMF 產生器將 DTMF 信號輸出至電話網路，如此可達到利用 MCU 去控制自動撥號的功能。表 4.1 為複頻產生器接腳說明。

圖 4-10 複頻產生器內部架構 表 4-1 複頻產生器接腳說明

1./CE 致能端，低電位時可使複頻產生器開始動作 2.X2

3.X1

X1 與 X2 搭配外接 3.579545MHz 的晶體振盪器，

提供內部系統用的時脈 4.VSS 電源，接負極電位(0V)

5.CLK 串列模式，資料傳輸時所需要的同步時脈 6.DATA 串列模式，資料輸出與輸入

7.DTMF 複頻信號輸出

8.VDD 電源，接正極電位(2.0~5V)

圖 4-11 為 MCU 控制複頻產生器的串列控制信號時序圖，透過這個控制方式即可 產生如表 4.2 複頻信號輸出，表 4.2 中的 Tone Output Frequency 就是實際透過電話 機輸出至電信局端線的複頻撥號訊號。

表 4-2 複頻產生器輸出頻率

4.3.4 系統電源電路

圖 4-12 中 Vout 電壓輸出 5V 是提供給 SIM 卡驅動電源使用，因為整個系統主電源 只提供 3.3V 的電壓連接至 MCU、撥號器、LCD、資料記憶體，但大部分的 SIM 卡是需 要 5V 的工作電壓，因此透過倍壓電路[7]可產生 5V 電源供給 SIM 卡，以確保 SIM 卡正 常動作。

圖 4-12 5V 倍壓電路

Digit D3 D2 D1 D0 Tone Output Frequency(HZ)

1 0 0 0 1 697+1209

2 0 0 1 0 697+1336

3 0 0 1 1 697+1477

4 0 1 0 0 770+1209

5 0 1 0 1 770+1336

6 0 1 1 0 770+1477

7 0 1 1 1 852+1209

8 1 0 0 0 852+1336

9 1 0 0 1 852+1477

0 1 0 1 0 941+1336

* 1 0 1 1 941+1209

# 1 1 0 0 941+1477

A 1 1 0 1 697+1633

B 1 1 1 0 770+1633

C 1 1 1 1 852+1633

D 0 0 0 0 941+1633

4.3.5 液晶顯示器控制

液晶顯示器或稱 LCD(Liquid Crystal Display)，在系統與使用者最主要的溝通 介面是字型顯示，此系統使用的 LCD 模組內建控制 IC 為 SAMSUNG 公司的 S6B1713[6]，

模組可顯示最大點數為 128x64，參照規格書可以很容易的去控制顯示功能，包括如何 控制 LCD 顯示的開與關，以及透過輸出電壓控制可以調整玻璃顯示的亮度。LCD 模組 介面如圖 4-13，以下簡單說明 LCD 控制的基本流程，詳細的使用方法可參考 LCD 驅動 IC 規格書。

圖 4-13 LCD 模組介面

1. 此模組內建與 MCU 連結控制的介面，包括並列與串列兩種選擇，由於系統實作時 MCU 的 I/O 腳位有限，因此選擇串列介面作為 LCD 與 MCU 溝通的橋樑。圖 4-14 為 串列介面控制的時序圖，CS1B 與 CS2 可致能 LCD 驅動晶片，其中 CS2 接腳已經內 建在 LCD 模組內，在此系統實作中只要控制 CS1B 即可，腳位 SID 是資料傳輸線，

透過 SCLK 的脈波信號可將 SID 的資料傳送至 LCD 驅動晶片內，如此就可以跟 LCD 驅動晶片溝通。