IC卡接口芯片TDA8007的读写器设计_接口电路论文
关键词：cpu ic卡 tda8007 iso7816
ic卡（integrated circuit card）即集成电路卡，是将一个集成电路芯片镶嵌于朔料基片中，封装成卡的形式，外形与常用的覆盖磁条的磁卡相似。ic卡芯片具有写入和存储数据的能力。ic卡存储器中的内容根据需要可以有条件地供外部读取，或供内部处理和判定。根据卡中所镶嵌的集成电路的不同，可以分成存储器卡、逻辑加密卡、cpu卡三类。其中cpu卡即为由中央处理器cpu、eeprom、随机存储器ram以及固化在只读存储器rom中的片内操作系统cos（chip operation system）组成的ic卡。ic卡按与外界数据传送的形式来分，有接触式和非接触式两种。
图1 t=0的cpu卡apdu指令实现流程
1 cpu ic卡t=0的协议介绍
目前大多数cpu ic卡采用t=0模式。所谓t=0，即cpu ic卡与接口设备（即读写器）中数据传输方式为异步半双工字符传输模式。
从t=0协议的功能出发，该协议的实现可以分为物理层、数据链路层、终端传输层和应用层。其中层和数据链路层可以具体参看iso7816标准。在t=0协议应用，终端传输层和应用层实际上是不易分割来说明的，下面简单说明。
终端传输层根据卡片返回的过程字符和状态字节执行相应的操作，使读写器对数据的处理过程明朗清晰。卡片返回的过程字节和状态字节跟应用层发送给卡的apdu（application protocol data unit，应用协议数据单元）和vpp使用等有关。表1为vpp未用时的终端传输层中返回的过程字节。
表1
| 字 节 | 值 | 结 果 |
| ack | ins | vpp空闲，所有其余的数据字节相继续被传送 |
| ins+'ff' | vpp空闲，下一个数据字节随后被传送 | |
| sw1 | sw2 | vpp空闲，接口设备等待sw2字节 |
应用层即为由cla、ins、p1、p2、p3作为命令头组成的命令消息体的apdu响应和应答处理层。其中cla为指令类别，ins为指令码，p1、p2为参数，p3为根据apdu的不同格式为发送给卡的数据长度或期望响应的数据长度。apdu的几种情况如表2所列。
表2
| 命令头 | 发送数据长度 | 发送的数据 | 期望应答的数据长度 | |
| 通用apdu | cla ins p1 p | lc | data | le |
| 情况一 | cla ins p1 p | |||
| 情况二 | cla ins p1 p | le | ||
| 情况三 | cla ins p1 p | lc | data | |
| 情况四 | cla ins p1 p2 | lc | data | le |
cpu卡对接口设备（即读写器）的应答apdu情况如表3所列。
表3
| 体 | 尾 |
| 数据data | sw1 sw2 |
其中体中的数据字节数由命令apdu中的le指出；sw1、sw2是必备的，可以指明命令apdu执行正确或执行出错的错误类型。
2 基于t=0传输协议的cpu ic的apdu指令流程
根据目前cpu卡的常用t=0协议、自带编程升压电路的应用情况，以及本读写器接收ic卡数据报文直接发送pc机处理的特点，本读写器可行的apdu命令和响应的处理流程如图1所示。
3 读写器的硬件组成
读写器的硬件部分主要由ic接口管理芯片tda8007、mcuat89c52、外部数据存储器w24257s、串口电平转换芯片max3226、安全ic卡座（即sam卡座）、应用ic卡座、键盘口供电的串口通信线及其它相关元器件组成。
图2所示为通过pc机控制管理的外置于pc机的接触式cpu ic卡读写器。通过定制的数据线，该读写器的5v直流电源可直接由键盘口提供，同时数据线还负责pc机与读写器的串行数据交换。在大部分ic卡读写应用中，都涉及到ic卡的认证和数据读写的国解密问题，所以本读写器除了提供一个供用户使用的ic卡接口卡座外，还内置了一个sam卡，即安全ic卡卡座，以方便安装sam卡，保证应用ic卡读写时的数据安全，保护用户的利益。
硬件的其它组成部分，如处理器，目前采用atmel的89c52。其4kb的flash程序存储器可以满足读写器的程序空间需要。由于pc机与89c52、89c52与tda8007的数据交换要求的暂存数据空间比较大，89c52提供的256字节不够，需外加一片数据存储器。本读写器中使用的是华邦的w24257s。其有32kb存储容量，ic接口部分的主要芯片为philips的tda8007。
4 ic卡接口芯片应用
下面介绍一下tda8007及其应用。tda8007的原理结构如图3所示。
tda8007芯片能够提供两个能同时满足iso7816标准及emv和gsm11-11标准的ic卡读写接口。在本读写器中，一个用于与应用ic通信，另一个用于与安全ic卡通信。与上文cpu卡的触点图相对应，clki、rsti、vcci、i/oi、gndci、presi、c4i、c8i（其中i=1,2；c4i、c8i未用；presi可用于检测ic卡是否插入。具体应用可参看tda8007的技术文档）都直接由tda8007提供给ic卡接口相连，mcu只需通过其接口控制并行通信来管理tda8007，便可实现对ic卡的上电、下电及读写数据处理。其中，微处理器既可以通过总线复用把tda8007内部的所有寄存器作为外部存储器，用movx寻址，也可以通过非总线复用方式访问，此时tda8007用ad0～ad3来区分内部各寄存器。另外，tda8007的片选信号和外部中断信号线可以方便读写器处理多个ic卡头。tda8007的特别硬件esd处理、接口短路处理、电源出错处理等也给ic卡和ic卡读写器提供了比较高的安全保护；同时，tda8007内部集成的电源管理功能允许tda8007的供电范围可达2.7～6.0v，并且tda8007通过电源管理可以给ic卡提供5.0v、3.0v及1.8v的电源，以适合不同工作电压的ic卡应用。
图3 ic卡接口芯片tda8007的原理框图
本读写器是通过总线复用对tda8007的寄存器进行控制的。其中mcu的p1.5为tda8007的片选，p0口为与之通信的8位数据线，tda8007的各寄存器预先被宏定义的成微处理器的一个外部数据单元（下面电程序处的定义），从而方便mcu访问。下面结合tda8007寄存器的定义和位分配，给出应用tda8007接口芯片对ic卡进行上电激活和下电的程序。tda8007的寄存器主要三类。第一类，通用寄存器：①卡槽选择csr；②硬件状态hsr；③定时器tor1、tor2、tor3。第二类，iso7816串行处理寄存器：①串行状态usr；②混合状态msr；③串行发送utr；④串行接收urr；⑤队列控制fcr。第三类，卡专属寄存器：①可编程分频pdr；②保护时间gtr；③串行控制ucr1、ucr2；④时钟配置ccr；⑤上电控制pcr。注意：对于卡专属的寄存器，即卡接口1、卡接口2分别对应的寄存器，逻辑上具有相同的名及访问地址，因而，对不同的瞳操作，需要通过csr选择对应的卡槽来切换卡专卡属寄存器的映射的空间。所以，接口设备每次从一个卡的上下电或读写转向另一卡，都需要访csr设定对应的卡槽。对于每个寄存器的位定义不再多述，主动性者可参看tda8007的技术文档。
5 上下电过程及具体程序
图4为ic卡的上电时序图。要实现之，需对pcr进行写操作。其中start=pcr.0，rstin=pcr.2，vup上升表示激活了tda8007中的电压转换电路。当start置高时，只要能检测到选定卡槽中的ic卡存在，且没有tda8007能检测到并在hsr中指示的硬件错误出现，则对应ic卡接口的vcc1或vcc2将能被提供响应的电平（5v、3v或1.8v）。随后对应卡的i/o数据线被置成高状态（z状态），给ic卡提供设定的时钟信号，常用为3.5712mhz。大约在start置高108etu后，rstin置高。因为rst为rstin的拷贝，则对应卡的rst被置高。然后，用tda8007提供的定时器tor3、tor2设定对atr（answer to request）即复位应答首字节的最大等待时间120etu（element time unit），toc设定定时器工作方式，便开始等待atr首字节到来后做相应处理。至此，ic卡上电激活工作完成，随后可以根据atr字节的要求的工作方式对ic卡进行相应的读写处理。具体见上电程序。
图4 tda8007产生满足iso 7816标准诉ic卡上电激活时序
tda8007寄存器访问的预定义
#include<absacc.h>
#define xxx xbyte[0x8000]//xxx表示csr等各寄存器上电程序如下：
p1.5=0; //片选tda8007
csr&=0xf8；
csr|=ncard; //选择卡，ncard=1,2
csr&=0xf7；
csr|=0xf7;
csr|=0x08; //复位uart的寄存器
ucr2&=0xf7； //异步模式，san=0
ccr&=0xdf； //时钟停止于低电平
ucr2|=0x60; //关闭附加中断及收发中断
gtr=0xff; //保持时间12etu
if(v==1) //v为函数变量
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奇偶校验1fifo
pdr=0x0c; //divider=12
ccr=0x00; //不分频
pcr&=0xfb; //rstin=0
ucr2|=0x04; //不自动转换
ucr1=0x01; //正向约定
ucr1&=0xf7； //接收模式
flag3=0; //复位定时标志
flagatr=0; //接收atr首字节定时标志
pcr|=0x01; //激活
tor2=0x6c;
tor3=0x00;
toc=0x61; //rst拉高前等待108etu
while(flag3==0)； //定时时间到，在中断中设置flag3=1
toc=0x00； //关闭定时器
pcr|=0x04; //给复位拉高
tor2=0x78;
tor3=0x00;
toc=0x61; //rst拉高前等待
flagatr=1;
atr(); //复位应答处理函数
图5为ic卡的下电时序图。相对于上电时序，下电过程对时间的要求不是很严格，只要设计者控制tda8007按照一定的顺序置低start、rstin和停止clk即可，然后tda8007会自动逐步释放rst、i/o、vcc及vup。具体处理见下电程序。
下电程序：
p15=0；
pcr&=0xfe; //start=0；下电
pcr&=0xfb; //卡的复位脚保持0
ccr&=0xdf； //停止时钟于低
ccr|=0x10; //停止时钟
p15=1；
6 使用tda8007应当注意的问题
tda8007对于vcc、rst出错，芯片过热（如图ic卡为电源短路卡或金属片），或ic卡插入拔出时都会产生中断输出。每次中断处理结束，应注意把hsr中的值读入一个临时地址，以便清楚hsr中的标志。
每次发送数据到ic前，即接收ic卡的最后一个数据之前，应设置寄存器ucr1中的lct位，以便接收完ic卡的数据后，自动切换成发送状态。
对tda8007部分布线时应注意，时钟信号线与其它线的隔离：最好被地线包围。
对于电路板上tda8007部分的电容应尽量靠近tda8007，其中电容cap、cbp、cup尤其如此，并最好不要在这些电容连向tda8007引脚过程中使用过孔；同时，cap、cup、cbp电容的esr要尽量小。
对tda8007处理的两个ic卡座中的任何一个执行上电、下电、读写卡操作之前，必须执行选择卡座的操作函数，以便选中具体的ic卡进行处理。
对ic卡操作中上电时序中的定时，读写卡字节间等待定时等都可使用tda8007中的定时器及定时控制器操作，注意其定时器为向下计数方式。
结语
本文主要从cpu ic卡的t=0的协议出发，介绍此类ic读写器设计的一些技术问题。值得指出的是，t=0协议仅仅是ic卡与外界数据交换的一种传输协议，只要在软件上适当修改并利用接口芯片tda8007突出的处理能力，本读写器完全可以实现对其它iso7816卡、emv、gsm`11-11卡的读写。