接触式IC卡接口原理与不同实现方式对比

      IC卡 (Integrated Circuit Card,集成电路卡)是继磁卡之后出现的又一种新型信息工具。IC卡在有些国家和地区也称智能卡(smart card)、智慧卡(intelligent card)、微电路卡(microcircuit card)或微芯片卡等。它是将一个微电子芯片嵌入符合ISO 7816标准的卡基中,做成卡片形式;已经十分广泛地应用于包括金融、交通、社保等很多领域。

　　IC卡读写器是IC卡与应用系统间的桥梁,在ISO国际标准中称之为接口设备IFD(Interface Device)。IFD内的CPU通过一个接口电路与IC卡相连并进行通信。IC卡接口电路是IC卡读写器中至关重要的部分,根据实际应用系统的不同,可选择并行通信、半双工串行通信和I2C通信等不同的IC卡读写芯片。

　　1 接触式IC卡接口技术原理

　　IC卡读写器要能读写符合ISO7816标准的IC卡。IC卡接口电路作为IC卡与IFD内的CPU进行通信的唯一通道,为保证通信和数据交换的安全与可靠,其产生的电信号必须满足下面的特定要求。

　　1.1 完成IC卡插入与退出的识别操作

　　IC卡接口电路对IC卡插入与退出的识别,即卡的激活和释放,有很严格的时序要求。如果不能满足相应的要求,IC卡就不能正常进行操作;严重时将损坏IC卡或IC卡读写器。

　　(1) 激活过程

　　为启动对卡的操作,接口电路应按图1所示顺序激活电路：

　　◇ RST处于L状态;

　　◇ 根据所选择卡的类型,对VCC加电A类或B类,正常操作条件下VCC的电特性见表1;

　　◇ VPP上升为空闲状态;

　　◇ 接口电路的I/O应置于接收状态;

　　◇ 向IC卡的CLK提供时钟信号(A类卡1～5MHz,B类卡1～4MHz)。

　　如图1所示,在t’a时间对IC卡的CLK加时钟信号。I/O线路应在时钟信号加于CLK的200个时钟周期(ta)内被置于高阻状态Z(ta 时间在t’a之后)。时钟加于CLK后,保持RST为状态L至少400周期(tb)使卡复位(tb在t’a之后)。在时间t’b,RST被置于状态H。I/O上的应答应在RST上信号上升沿之后的400~40 000个时钟周期(tc)内开始(tc在t’b之后)。

　　

　　

　　图1 IC卡的激活时序

　　在RST处于状态H的情况下,如果应答信号在40 000个时钟周期内仍未开始,RST上的信号将返回到状态L,且IC卡接口电路按照图2所示对IC卡产生释放。

　　

　　

　　图2 IC卡的释放时序

　　(2) 释放过程

　　当信息交换结束或失败时(例如,无卡响应或卡被移出),接口电路应按图2所示时序释放电路：

　　◇ RST应置为状态L;

　　◇ CLK应置为状态L(除非时钟已在状态L上停止);

　　◇ VPP应释放(如果它已被激活);

　　◇ I/O应置为状态A(在td时间内没有具体定义);

　　◇ VCC应释放。

　　1.2 通过触点向卡提供稳定的电源

　　IC卡接口电路应能在表1规定的电压范围内,向IC卡提供相应稳定的电流。

　　表1 正常操作条件下VCC的电特性

　　

　　

　　1.3 通过触点向卡提供稳定的时钟

　　IC卡接口电路向卡提供时钟信号。时钟信号的实际频率范围在复位应答期间,应在以下范围内：A类卡,时钟应在1～5MHz;B类卡,时钟应在1～4MHz。

　　复位后,由收到的ATR(复位应答)信号中的F(时钟频率变换因子)和D(比特率调整因子)来确定。

　　时钟信号的工作周期应为稳定操作期间周期的40%～60%。当频率从一个值转换到另一个值时,应注意保证没有比短周期的40%更短的脉冲。

　　2 几种实现方式的对比与分析

　　IFD内的IC卡读写芯片,按其与IFD内的CPU的通信方式进行分类,有并行通信、半双工串行通信和I2C通信的读写芯片。图3是一个基于三种不同通信方式读写芯片的通用IC卡读写器的原理示意。这个系统可以同时对6片IC卡进行操作,其中每一个IC卡读写芯片都可以驱动2片IC卡。应用系统可以根据实际情况合理选用其中的一种或多种读写芯片。

　　

　　

　　图3 基于三种不同读写芯片的IC卡读写器原理

　　2.1 IC卡读写芯片的硬件对比分析

　　(1) 通信方式为并行通信的CTS56I01

　　CTS56I01支持两个符合ISO/IEC7816-3标准的T0和T1传输协议的IC卡。它采用并行的方式与IFD内的CPU通信;可以检查到卡的插入与拔出,并自动产生激活与释放时序。CTS56I01内部每个通道都有发送缓冲空、ATR超时、释放检测完成、TS没有收到等10个独立的中断源,当CTS56I01内部的状态发生变化时,可以产生中断信号。系统通过P0口与CTS56I01的数据线相连,地址选择用P2[2:0],两个中断信号经过或门后接到89C51的INT0上。对IC卡的所有操作,只是对CTS56I01内部寄存器的读写操作,方便可靠。CTS56I01采用LQFP-32封装,仅占很小的空间。

　　(2) 通信方式为半双工串行通信的WatchCore

　　WatchCore是握奇公司为了方便各种嵌入式设备与IC卡的通信开发而推出的一款IC卡读写芯片,硬件平台采用ST7261单片机,内部掩膜有握奇公司对IC卡进行读写操作的全部程序;支持ISO/IEC 7816 T=0、T=1异步传输协议的各种智能卡,支持对Memory卡操作,支持双卡头操作,与接口CPU采用半双工串行通信。系统用P1.1和P1.2模拟一个串口与WatchCore进行通信。WatchCore采用SO-20装封,占PCB板很小的位置。

　　(3) 通信方式为I2C的TDA8020

　　TDA8020是Philips生产的支持两个独立IC卡的读写芯片,IFD内的CPU采用I2C的方式向TDA8020发送命令和读取状态,通过TDA8020的I/OuC端口向IC卡发送和接收数据。它支持符合ISO/IEC7816-3 T=0、T=1标准的IC卡,也支持符合EMV3.1.1(Europay,MasterCard,VISA)标准的卡。与它Pin-to-Pin兼容的芯片还有ST公司生产的ST8020等。TDA8020有2个地址选择引脚。本系统的地址引脚接地,两个IC卡对应的地址分别为0x40和0x48。I2C的时钟信号和数据信号分别由89C51的P1.3和P1.4进行模拟,IC卡的数据通道I/OuC连89C51的P1.5和P1.6。TDA8020也采用LQFP-32装封。

　　2.2 IC卡读写芯片的软件设计

　　2.2.1 通信方式为并行通信的CTS56I01

　　CST56I01只有3根地址线,内部却有37个寄存器。其中有8个寄存器可以直接访问,另外的29个寄存器要通过索引地址寄存器(IAR)来访问。其访问分为两步：第一步是将要间接访问的寄存器的地址写到IAR寄存器中;第二步就是从数据寄存器(DR)中读出数据或写入数据到DR寄存器中,来完成对要间接访问的寄存器的访问。

　　下面的C51子程序是基于图3的写一个字节到要间接访问的寄存器中的子程序。

　　#define SN2_IAR XBYTE[0x0000]

　　#define SN2_DR XBYTE[0x0100]

　　void WriteByteIndexed(BYTE bIndex, BYTE bData) {

　　P1.0=0;

　　SN2_IAR = bIndex;

　　SN2_DR = bData;

　　}

　　2.2.2 WatchCore的软件设计

　　WatchCore是不带硬件的UART,其串行通信是用软件实时仿真的。通信速度采用9600bps;通信字节格式为1位起始位,8位数据位,1位偶校验位,2位停止位。TXD与RXD电气信号是标准的CMOS电平,可直接与TTL的电路相连。以下是通信时的数据包格式。

　　(1) 命令包

　　命令包是IC卡读写器内的CPU发往WatchCore的数据,其包格式如下：

　　

　　

　　NAD为卡头选择, NAD=0x00/0x12为主卡头,NAD=0x13为从卡头;

　　PCB与通信无关,CPU卡T=1时使用,PCB通常设置为0x00;

　　LEN为数据的字节长度(仅DATA段的字节数);

　　DATA为发送WactchCore或IC卡内的命令(命令参考ISO7816-4的标准);

　　BCC为异或校验字节(BCC段前的4段所有字节的异或和)。

　　(2) 数据包

　　数据包是WatchCore 收到命令包后返回的数据,其包格式如下：

　　

　　

　　NAD* 是WatchCore把命令包中NAD字节的高低4位互换后的返回。例如,命令包发送NAD=0x12,WatchCore则返回NAD*=0x21;

　　其它各段与命令包相同。

　　通信举例(以下数据都用十六进制表示)

　　对主卡进行复位

　　发送命令包弳cript type="text/javascript"> function ImgZoom(Id)//重新设置图片大小 防止撑破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w < m){return;} else{ var h = $(Id).height; $(Id).height = parseInt(h*m/w); $(Id).width = m; } } window.onload = function() { var Imgs = $("content").getElementsByTagName("img"); var i=0; for(;i

[page]

　　12 00 05 00 12 00 00 00 05

　　若主卡头中无卡,则WatchCore返回：

　　21 00 02 62 00 41

　　若主卡头有一张T=0的CPU卡,则可能返回：

　　21 00 11 3B 7A 18 00 00 21 08 11 12 13 14 15 16 17 18 90 00 D8

　　2.2.3 TDA8020的软件设计

　　TDA8020与IFD内CPU的通信是用I2C总线方式进行的。通过I2C接口,IFD内的CPU可以向TDA8020发送命令或读取TDA8020的状态。TDA8020有两个地址选择引脚(SAD0和SAD1)。在图3中,这两个地址选择引脚接地,对应两个IC卡的I2C总线地址分别是40H和48H。如果系统中有别的I2C总线器件,可以按表2的方式进行寻址。

　　表2 TDA8020的I2C地址选择表

　　

　　

　　(1) 向TDA8020写入命令的格式

　　图4为向TDA8020写入命令的格式。按图3所示,对卡1的地址和写的字节为40H。

　　其中控制字节各位的含义如表3所列。

　　

　　

　　图4 向TDA8020写入命令的时序

　　表3 命令控制字节各位的含义

　　

　　

　　表4 工作时钟频率选择方式

　　

　　

　　(2) 读TDA8020内部状态的数据格式

　　从TDA8020读出状态的格式如图5所示。按图3所示,对卡1的地址和读的字节为41H。

　　

　　

　　图5 从TDA8020读出状态的时序

　　其中状态字节中各位的含义如表5所列。

　　表5 状态字节各位的含义

　　

　　

　　3 总结

　　以上比较详细地介绍了三种不同接口的IC卡读写芯片。这三种方式最大的区别在于其与IFD内的CPU的通信方式不一样,并且也都符合ISO/IEC7816的标准。但是,这三个读写芯片有一些地方也存在一些差异。

　　TDA8020支持A类和B类卡,但是WatchCore和SNIPER II CST56I01只支持A类卡。(虽然SNIPER II CST56I01内部寄存器中有一位是卡类选择,但却只支持A类卡。)

　　TDA8020和SNIPER II CST56I01其ESD保护达6kV,但是WatchCore却没有ESD保护功能。

　　TDA8020对卡的电源可以直接支持,并有过流保护功能;但是WatchCore和SNIPER II CST56I01却只有通过一个功放管来实现,并且没有过流保护功能,只有外接保护电路(如加可复位保险丝)。

　　就其接口方式来说,I2C总线的TDA8020和串口的WatchCore虽然与IC卡读写器内的CPU的连接方便,但是一般CPU没有多余的串口和I2C总线接口给这两个芯片,一般要用通用I/O口来模拟串口和I2C总线接口才能进行通信。而SNIPER II CST56I01与IFD内的CPU的并行通信虽然连接线较多,但其相应的软件就方便多了。

　　综上所述,这三个IC卡读写芯片各有不同,在实现应用的过程中,只有根据不同的资源情况来选用不同的读写芯片。

　　参考文献

　　1 CTS56I01 Data Sheet REV1.0.2. 2002

　　2 TDA8020HL Data Sheet. 2002

　　3 WatchCore用户手册. 2002-05

　　4 陆永宁. IC卡应用系统. 南京：东南大学出版社, 2000

　　5 张毅刚, 等. MCS-51单片机应用设计. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社 , 1997

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