IC卡接口芯片TDA8007的讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)
文章出處:http://www.mjagi.com 作者:羅勇進(jìn) 路林吉 人氣: 發(fā)表時(shí)間:2011年11月03日
[文章內(nèi)容簡(jiǎn)介]:IC卡接口芯片TDA8007的讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)
摘要:
闡述T=0傳輸協(xié)議,給出IC卡讀寫(xiě)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(guò)TDA8007對(duì)CPU IC卡上下電過(guò)程、具體程序及TDA8007使用中應(yīng)注意的問(wèn)題。
IC卡(Integrated Circuit card)即集成電路卡,是將一個(gè)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(xiě)入和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力。IC卡存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器RAM以及固化在只讀存儲(chǔ)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(lái)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(xiě)器)中數(shù)據(jù)傳輸方式為異步半雙工字符傳輸模式。
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(lái)說(shuō)明的,下面簡(jiǎn)單說(shuō)明?! ?BR> 終端傳輸層根據(jù)卡片返回的過(guò)程字符和狀態(tài)字節(jié)執(zhí)行相應(yīng)的操作,使讀寫(xiě)器對(duì)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程明朗清晰。卡片返回的過(guò)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(shí)的終端傳輸層中返回的過(guò)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(zhǎng)度或期望響應(yīng)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。APDU的幾種情況如表2所列。
表2
CPU卡對(duì)接口設(shè)備(即讀寫(xiě)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(cuò)的錯(cuò)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(xiě)器接收IC卡數(shù)據(jù)報(bào)文直接發(fā)送PC機(jī)處理的特點(diǎn),本讀寫(xiě)器可行的APDU命令和響應(yīng)的處理流程如圖1所示。
3 讀寫(xiě)器的硬件組成
讀寫(xiě)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(chǔ)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(pán)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(guò)PC機(jī)控制管理的外置于PC機(jī)的接觸式CPU IC卡讀寫(xiě)器。通過(guò)定制的數(shù)據(jù)線,該讀寫(xiě)器的5V直流電源可直接由鍵盤(pán)口提供,同時(shí)數(shù)據(jù)線還負(fù)責(zé)PC機(jī)與讀寫(xiě)器的串行數(shù)據(jù)交換。在大部分IC卡讀寫(xiě)應(yīng)用中,都涉及到IC卡的認(rèn)證和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的國(guó)解密問(wèn)題,所以本讀寫(xiě)器除了提供一個(gè)供用戶使用的IC卡接口卡座外,還內(nèi)置了一個(gè)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(xiě)時(shí)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(chǔ)器可以滿足讀寫(xiě)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(chǔ)器。本讀寫(xiě)器中使用的是華邦的W24257S。其有32KB存儲(chǔ)容量,IC接口部分的主要芯片為Philips的TDA8007?! ?BR> 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(gè)能同時(shí)滿足ISO7816標(biāo)準(zhǔn)及EMV和GSM11-11標(biāo)準(zhǔn)的IC卡讀寫(xiě)接口。在本讀寫(xiě)器中,一個(gè)用于與應(yīng)用IC通信,另一個(gè)用于與安全I(xiàn)C卡通信。與上文CPU卡的觸點(diǎn)圖相對(duì)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(cè)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(guò)其接口控制并行通信來(lái)管理TDA8007,便可實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡的上電、下電及讀寫(xiě)數(shù)據(jù)處理。其中,微處理器既可以通過(guò)總線復(fù)用把TDA8007內(nèi)部的所有寄存器作為外部存儲(chǔ)器,用MOVX尋址,也可以通過(guò)非總線復(fù)用方式訪問(wèn),此時(shí)TDA8007用AD0~AD3來(lái)區(qū)分內(nèi)部各寄存器。另外,TDA8007的片選信號(hào)和外部中斷信號(hào)線可以方便讀寫(xiě)器處理多個(gè)IC卡頭。TDA8007的特別硬件ESD處理、接口短路處理、電源出錯(cuò)處理等也給IC卡和IC卡讀寫(xiě)器提供了比較高的安全保護(hù);同時(shí),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(guò)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(xiě)器是通過(guò)總線復(fù)用對(duì)TDA8007的寄存器進(jìn)行控制的。其中MCU的P1.5為T(mén)DA8007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(gè)外部數(shù)據(jù)單元(下面電程序處的定義),從而方便MCU訪問(wèn)。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(duì)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(shí)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(shí)間GTR;③串行控制UCR1、UCR2;④時(shí)鐘配置CCR;⑤上電控制PCR。注意:對(duì)于卡專屬的寄存器,即卡接口1、卡接口2分別對(duì)應(yīng)的寄存器,邏輯上具有相同的名及訪問(wèn)地址,因而,對(duì)不同的瞳操作,需要通過(guò)CSR選擇對(duì)應(yīng)的卡槽來(lái)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(gè)卡的上下電或讀寫(xiě)轉(zhuǎn)向另一卡,都需要訪CSR設(shè)定對(duì)應(yīng)的卡槽。對(duì)于每個(gè)寄存器的位定義不再多述,主動(dòng)性者可參看TDA8007的技術(shù)文檔?! ?BR> 5 上下電過(guò)程及具體程序
圖4為IC卡的上電時(shí)序圖。要實(shí)現(xiàn)之,需對(duì)PCR進(jìn)行寫(xiě)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(shí),只要能檢測(cè)到選定卡槽中的IC卡存在,且沒(méi)有TDA8007能檢測(cè)到并在HSR中指示的硬件錯(cuò)誤出現(xiàn),則對(duì)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(duì)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(shí)鐘信號(hào),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(duì)應(yīng)卡的RST被置高。然后,用TDA8007提供的定時(shí)器TOR3、TOR2設(shè)定對(duì)ATR(Answer To Request)即復(fù)位應(yīng)答首字節(jié)的最大等待時(shí)間120ETU(Element Time Unit),TOC設(shè)定定時(shí)器工作方式,便開(kāi)始等待ATR首字節(jié)到來(lái)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(duì)IC卡進(jìn)行相應(yīng)的讀寫(xiě)處理。具體見(jiàn)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(shí)序
TDA8007寄存器訪問(wèn)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(shí)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(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)換
UCR1=0x01; //正向約定
UCR1&=0xf7; //接收模式
flag3=0; //復(fù)位定時(shí)標(biāo)志
flagatr=0; //接收ATR首字節(jié)定時(shí)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(shí)時(shí)間到,在中斷中設(shè)置flag3=1
TOC=0x00; //關(guān)閉定時(shí)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(shí)序圖。
相對(duì)于上電時(shí)序,下電過(guò)程對(duì)時(shí)間的要求不是很嚴(yán)格,只要設(shè)計(jì)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(huì)自動(dòng)逐步釋放RST、I/O、Vcc及VUP。具體處理見(jiàn)下電程序。
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(shí)鐘于低
CCR|=0x10; //停止時(shí)鐘
P15=1;
6 使用TDA8007應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題
TDA8007對(duì)于Vcc、RST出錯(cuò),芯片過(guò)熱(如圖IC卡為電源短路卡或金屬片),或IC卡插入拔出時(shí)都會(huì)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(gè)臨時(shí)地址,以便清楚HSR中的標(biāo)志?! ?BR> 每次發(fā)送數(shù)據(jù)到IC前,即接收IC卡的最后一個(gè)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(dòng)切換成發(fā)送狀態(tài)?! ?BR> 對(duì)TDA8007部分布線時(shí)應(yīng)注意,時(shí)鐘信號(hào)線與其它線的隔離:最好被地線包圍。
對(duì)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(guò)程中使用過(guò)孔;同時(shí),Cap、Cup、Cbp電容的ESR要盡量小?! ?BR> 對(duì)TDA8007處理的兩個(gè)IC卡座中的任何一個(gè)執(zhí)行上電、下電、讀寫(xiě)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。
對(duì)IC卡操作中上電時(shí)序中的定時(shí),讀寫(xiě)卡字節(jié)間等待定時(shí)等都可使用TDA8007中的定時(shí)器及定時(shí)控制器操作,注意其定時(shí)器為向下計(jì)數(shù)方式?! ?BR> 結(jié)語(yǔ)
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(xiě)器設(shè)計(jì)的一些技術(shù)問(wèn)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(xiě)器完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其它ISO7816卡、EMV、GSM`11-11卡的讀寫(xiě)。
本文關(guān)鍵詞:IC卡接口芯片TDA8007的讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)
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