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IC卡接口芯片TDA8007的讀寫器設(shè)計

文章出處:http://www.sgrivertours.com 作者:羅勇進(jìn) 路林吉   人氣: 發(fā)表時間:2011年11月03日

[文章內(nèi)容簡介]:IC卡接口芯片TDA8007的讀寫器設(shè)計

摘要:
  闡述T=0傳輸協(xié)議,給出IC卡讀寫器中使用的IC卡APDU指令流程和原理框圖;重點(diǎn)介紹其中的IC卡接口芯片Philips的TDA8007,給出通過TDA8007對CPU IC卡上下電過程、具體程序及TDA8007使用中應(yīng)注意的問題。
  IC卡(Integrated Circuit card)即集成電路卡,是將一個集成電路芯片鑲嵌于朔料基片中,封裝成卡的形式,外形與常用的覆蓋磁條的磁卡相似。IC卡芯片具有寫入和存儲數(shù)據(jù)的能力。IC卡存儲器中的內(nèi)容根據(jù)需要可以有條件地供外部讀取,或供內(nèi)部信息處理和判定。根據(jù)卡中所鑲嵌的集成電路的不同,可以分成存儲器卡、邏輯加密卡、CPU卡三類。其中CPU卡即為由中央處理器CPU、EEPROM、隨機(jī)存儲器RAM以及固化在只讀存儲器ROM中的片內(nèi)操作系統(tǒng)COS(Chip Operation System)組成的IC卡。IC卡按與外界數(shù)據(jù)傳送的形式來分,有接觸式和非接觸式兩種。
圖1 T=0的CPU卡APDU指令實(shí)現(xiàn)流程

  1 CPU IC卡T=0的協(xié)議介紹  
目前大多數(shù)CPU IC卡采用T=0模式。所謂T=0,即CPU IC卡與接口設(shè)備(即讀寫器)中數(shù)據(jù)傳輸方式為異步半雙工字符傳輸模式?! ?BR>  從T=0協(xié)議的功能出發(fā),該協(xié)議的實(shí)現(xiàn)可以分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、終端傳輸層和應(yīng)用層。其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層可以具體參看ISO7816標(biāo)準(zhǔn)。在T=0協(xié)議應(yīng)用,終端傳輸層和應(yīng)用層實(shí)際上是不易分割來說明的,下面簡單說明?! ?BR>  終端傳輸層根據(jù)卡片返回的過程字符和狀態(tài)字節(jié)執(zhí)行相應(yīng)的操作,使讀寫器對數(shù)據(jù)的處理過程明朗清晰。卡片返回的過程字節(jié)和狀態(tài)字節(jié)跟應(yīng)用層發(fā)送給卡的APDU(Application Protocol Data Unit,應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元)和VPP使用等有關(guān)。表1為VPP未用時的終端傳輸層中返回的過程字節(jié)。
表1

應(yīng)用層即為由CLA、INS、P1、P2、P3作為命令頭組成的命令消息體的APDU響應(yīng)和應(yīng)答處理層。其中CLA為指令類別,INS為指令碼,P1、P2為參數(shù),P3為根據(jù)APDU的不同格式為發(fā)送給卡的數(shù)據(jù)長度或期望響應(yīng)的數(shù)據(jù)長度。APDU的幾種情況如表2所列。
表2

CPU卡對接口設(shè)備(即讀寫器)的應(yīng)答APDU情況如表3所列。
表3  

  其中體中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)由命令A(yù)PDU中的LE指出;SW1、SW2是必備的,可以指明命令A(yù)PDU執(zhí)行正確或執(zhí)行出錯的錯誤類型?! ?BR>  2 基于T=0傳輸協(xié)議的CPU IC的APDU指令流程  
  根據(jù)目前CPU卡的常用T=0協(xié)議、自帶編程升壓電路的應(yīng)用情況,以及本讀寫器接收IC卡數(shù)據(jù)報文直接發(fā)送PC機(jī)處理的特點(diǎn),本讀寫器可行的APDU命令和響應(yīng)的處理流程如圖1所示?! ?BR>  3 讀寫器的硬件組成  
  讀寫器的硬件部分主要由IC接口管理芯片TDA8007、MCUAT89C52、外部數(shù)據(jù)存儲器W24257S、串口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3226、安全I(xiàn)C卡座(即SAM卡座)、應(yīng)用IC卡座、鍵盤口供電的串口通信線及其它相關(guān)元器件組成?! ?BR>  圖2所示為通過PC機(jī)控制管理的外置于PC機(jī)的接觸式CPU IC卡讀寫器。通過定制的數(shù)據(jù)線,該讀寫器的5V直流電源可直接由鍵盤口提供,同時數(shù)據(jù)線還負(fù)責(zé)PC機(jī)與讀寫器的串行數(shù)據(jù)交換。在大部分IC卡讀寫應(yīng)用中,都涉及到IC卡的認(rèn)證和數(shù)據(jù)讀寫的國解密問題,所以本讀寫器除了提供一個供用戶使用的IC卡接口卡座外,還內(nèi)置了一個SAM卡,即安全I(xiàn)C卡卡座,以方便安裝SAM卡,保證應(yīng)用IC卡讀寫時的數(shù)據(jù)安全,保護(hù)用戶的利益。

  硬件的其它組成部分,如處理器,目前采用Atmel的89C52。其4KB的Flash程序存儲器可以滿足讀寫器的程序空間需要。由于PC機(jī)與89C52、89C52與TDA8007的數(shù)據(jù)交換要求的暫存數(shù)據(jù)空間比較大,89C52提供的256字節(jié)不夠,需外加一片數(shù)據(jù)存儲器。本讀寫器中使用的是華邦的W24257S。其有32KB存儲容量,IC接口部分的主要芯片為Philips的TDA8007。  
  4 IC卡接口芯片應(yīng)用  
  下面介紹一下TDA8007及其應(yīng)用。TDA8007的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示?! ?BR>  TDA8007芯片能夠提供兩個能同時滿足ISO7816標(biāo)準(zhǔn)及EMV和GSM11-11標(biāo)準(zhǔn)的IC卡讀寫接口。在本讀寫器中,一個用于與應(yīng)用IC通信,另一個用于與安全I(xiàn)C卡通信。與上文CPU卡的觸點(diǎn)圖相對應(yīng),CLKi、RSTi、VCCi、I/Oi、GNDCi、PRESi、C4i、C8i(其中i=1,2;C4i、C8i未用;PRESi可用于檢測IC卡是否插入。具體應(yīng)用可參看TDA8007的技術(shù)文檔)都直接由TDA8007提供給IC卡接口相連,MCU只需通過其接口控制并行通信來管理TDA8007,便可實(shí)現(xiàn)對IC卡的上電、下電及讀寫數(shù)據(jù)處理。其中,微處理器既可以通過總線復(fù)用把TDA8007內(nèi)部的所有寄存器作為外部存儲器,用MOVX尋址,也可以通過非總線復(fù)用方式訪問,此時TDA8007用AD0~AD3來區(qū)分內(nèi)部各寄存器。另外,TDA8007的片選信號和外部中斷信號線可以方便讀寫器處理多個IC卡頭。TDA8007的特別硬件ESD處理、接口短路處理、電源出錯處理等也給IC卡和IC卡讀寫器提供了比較高的安全保護(hù);同時,TDA8007內(nèi)部集成的電源管理功能允許TDA8007的供電范圍可達(dá)2.7~6.0V,并且TDA8007通過電源管理可以給IC卡提供5.0V、3.0V及1.8V的電源,以適合不同工作電壓的IC卡應(yīng)用。
圖3 IC卡接口芯片TDA8007的原理框圖

本讀寫器是通過總線復(fù)用對TDA8007的寄存器進(jìn)行控制的。其中MCU的P1.5為TDA8007的片選,P0口為與之通信的8位數(shù)據(jù)線,TDA8007的各寄存器預(yù)先被宏定義的成微處理器的一個外部數(shù)據(jù)單元(下面電程序處的定義),從而方便MCU訪問。下面結(jié)合TDA8007寄存器的定義和位分配,給出應(yīng)用TDA8007接口芯片對IC卡進(jìn)行上電激活和下電的程序。TDA8007的寄存器主要三類。第一類,通用寄存器:①卡槽選擇CSR;②硬件狀態(tài)HSR;③定時器TOR1、TOR2、TOR3。第二類,ISO7816串行處理寄存器:①串行狀態(tài)USR;②混合狀態(tài)MSR;③串行發(fā)送UTR;④串行接收URR;⑤隊(duì)列控制FCR。第三類,卡專屬寄存器:①可編程分頻PDR;②保護(hù)時間GTR;③串行控制UCR1、UCR2;④時鐘配置CCR;⑤上電控制PCR。注意:對于卡專屬的寄存器,即卡接口1、卡接口2分別對應(yīng)的寄存器,邏輯上具有相同的名及訪問地址,因而,對不同的瞳操作,需要通過CSR選擇對應(yīng)的卡槽來切換卡??▽偌拇嫫鞯挠成涞奈锢砜臻g。所以,接口設(shè)備每次從一個卡的上下電或讀寫轉(zhuǎn)向另一卡,都需要訪CSR設(shè)定對應(yīng)的卡槽。對于每個寄存器的位定義不再多述,主動性者可參看TDA8007的技術(shù)文檔?! ?BR>  5 上下電過程及具體程序  
  圖4為IC卡的上電時序圖。要實(shí)現(xiàn)之,需對PCR進(jìn)行寫操作。其中START=PCR.0,RSTIN=PCR.2,VUP上升表示激活了TDA8007中的電壓轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)START置高時,只要能檢測到選定卡槽中的IC卡存在,且沒有TDA8007能檢測到并在HSR中指示的硬件錯誤出現(xiàn),則對應(yīng)IC卡接口的VCC1或VCC2將能被提供響應(yīng)的電平(5V、3V或1.8V)。隨后對應(yīng)卡的I/O數(shù)據(jù)線被置成高狀態(tài)(Z狀態(tài)),給IC卡提供設(shè)定的時鐘信號,常用為3.5712MHz。大約在START置高108ETU后,RSTIN置高。因?yàn)镽ST為RSTIN的拷貝,則對應(yīng)卡的RST被置高。然后,用TDA8007提供的定時器TOR3、TOR2設(shè)定對ATR(Answer To Request)即復(fù)位應(yīng)答首字節(jié)的最大等待時間120ETU(Element Time Unit),TOC設(shè)定定時器工作方式,便開始等待ATR首字節(jié)到來后做相應(yīng)處理。至此,IC卡上電激活工作完成,隨后可以根據(jù)ATR字節(jié)的要求的工作方式對IC卡進(jìn)行相應(yīng)的讀寫處理。具體見上電程序。
圖4 TDA8007產(chǎn)生滿足ISO 7816標(biāo)準(zhǔn)訴IC卡上電激活時序


TDA8007寄存器訪問的預(yù)定義  
  #include  
  #define XXX XBYTE[0x8000]//XXX表示CSR等各寄存器上電程序如下:  
  P1.5=0; //片選TDA8007  
  CSR&=0xf8;  
  CSR|=ncard; //選擇卡,ncard=1,2  
  CSR&=0xf7;  
  CSR|=0xf7;  
  CSR|=0x08; //復(fù)位UART的寄存器  
  UCR2&=0xf7; //異步模式,SAN=0  
  CCR&=0xdf; //時鐘停止于低電平  
  UCR2|=0x60; //關(guān)閉附加中斷及收發(fā)中斷  
  GTR=0xff; //保持時間12ETU  
  If(v==1) //v為函數(shù)變量  
  PCR|=0x08; //1.8V卡用  
  else if(v==3)  
  PCR|=0x02; //3V卡用  
  Else  
  PCR&=0xfd; //5V卡用  
  UCR2&=0xfc; //CKU=PSC=0,--31  
  FCR=0x00; //1奇偶校驗(yàn)1FIFO  
  PDR=0x0c; //Divider=12  
  CCR=0x00; //不分頻  
  PCR&=0xfb; //RSTIN=0  
  UCR2|=0x04; //不自動轉(zhuǎn)換  
  UCR1=0x01; //正向約定  
  UCR1&=0xf7; //接收模式  
  flag3=0; //復(fù)位定時標(biāo)志  
  flagatr=0; //接收ATR首字節(jié)定時標(biāo)志  
  PCR|=0x01; //激活  
  TOR2=0x6c;  
  TOR3=0x00;  
  TOC=0x61; //RST拉高前等待108ETU  
  while(flag3==0); //定時時間到,在中斷中設(shè)置flag3=1  
  TOC=0x00; //關(guān)閉定時器  
  PCR|=0x04; //給復(fù)位拉高  
  TOR2=0x78;  
  TOR3=0x00;  
  TOC=0x61; //RST拉高前等待  
  flagatr=1;  
  ATR(); //復(fù)位應(yīng)答處理函數(shù)  
圖5為IC卡的下電時序圖。



相對于上電時序,下電過程對時間的要求不是很嚴(yán)格,只要設(shè)計者控制TDA8007按照一定的順序置低START、RSTIN和停止CLK即可,然后TDA8007會自動逐步釋放RST、I/O、Vcc及VUP。具體處理見下電程序?! ?BR>  下電程序:  
  P15=0;  
  PCR&=0xfe; //START=0;下電  
  PCR&=0xfb; //卡的復(fù)位腳保持0  
  CCR&=0xdf; //停止時鐘于低  
  CCR|=0x10; //停止時鐘  
P15=1;


6 使用TDA8007應(yīng)當(dāng)注意的問題  
  TDA8007對于Vcc、RST出錯,芯片過熱(如圖IC卡為電源短路卡或金屬片),或IC卡插入拔出時都會產(chǎn)生中斷輸出。每次中斷處理結(jié)束,應(yīng)注意把HSR中的值讀入一個臨時地址,以便清楚HSR中的標(biāo)志。  
  每次發(fā)送數(shù)據(jù)到IC前,即接收IC卡的最后一個數(shù)據(jù)之前,應(yīng)設(shè)置寄存器UCR1中的LCT位,以便接收完IC卡的數(shù)據(jù)后,自動切換成發(fā)送狀態(tài)。  
  對TDA8007部分布線時應(yīng)注意,時鐘信號線與其它線的隔離:最好被地線包圍?! ?BR>  對于電路板上TDA8007部分的電容應(yīng)盡量靠近TDA8007,其中電容Cap、Cbp、Cup尤其如此,并最好不要在這些電容連向TDA8007引腳過程中使用過孔;同時,Cap、Cup、Cbp電容的ESR要盡量小?! ?BR>  對TDA8007處理的兩個IC卡座中的任何一個執(zhí)行上電、下電、讀寫卡操作之前,必須執(zhí)行選擇卡座的操作函數(shù),以便選中具體的IC卡進(jìn)行處理?! ?BR>  對IC卡操作中上電時序中的定時,讀寫卡字節(jié)間等待定時等都可使用TDA8007中的定時器及定時控制器操作,注意其定時器為向下計數(shù)方式?! ?BR>  結(jié)語  
  本文主要從CPU IC卡的T=0的協(xié)議出發(fā),介紹此類IC讀寫器設(shè)計的一些技術(shù)問題。值得指出的是,T=0協(xié)議僅僅是IC卡與外界數(shù)據(jù)交換的一種傳輸協(xié)議,只要在軟件上適當(dāng)修改并利用接口芯片TDA8007突出的處理能力,本讀寫器完全可以實(shí)現(xiàn)對其它ISO7816卡、EMV、GSM`11-11卡的讀寫。

本文關(guān)鍵詞:IC卡接口芯片TDA8007的讀寫器設(shè)計
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