接触式IC卡接口原理与不同实现方式对比_接口电路论文
关键词：iso/iec7816 接口技术 接触式ic卡 并行通信 半双工串行通信 i2c总线通信
引 言
牐營c卡 (integrated circuit card，集成电路卡)是继磁卡之后出现的又一种新型工具。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；
表1 正常操作条件vcc的电特性
| 符 号 | 最小值 | 最大值 | 条 件 |
| vvcc/v | 4.5 2.7 | 5.5 3.3 | a类 b类 |
| icc/ma | 60500.5 | a类，在最大允许频率 b类，在最大允许频率时钟停止 |
◇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)。
图3
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)。
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。
(2)释放过程
当交换结束或失败时(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。
图4
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。
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。
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。
图5
(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 | pcb | len | data | bcc |
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
发送命令包如下：
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
| sad1 | sad0 | card1 | card2 |
| 0 | 0 | 40h | 48h |
| 0 | 1 | 42h | 4ah |
| 1 | 0 | 46h | 4ch |
| 1 | 1 | 48h | 4eh |
(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。
表3 命令控制字节各位的含义
| 名 称 | 位 | 说 明 |
| start和/stop | 0 | 为1，产生一个冷复位的激活时序：为0，产生一个释放时序 |
| warm | 1 | 为1，产生一个热复位时序 |
| 3/5v | 2 | 为1，设定卡的操作电压为3v；为0，设定卡的操作电压为5v |
| pdown | 3 | 为1，设定卡为下电模式；为0，设定卡为正常工作模式 |
| clkpd | 4 | 为1，设定下电模式下clk停在高电平；为0，设定下电模式下clk停在低电平 |
| clksel1 | 5 | 两位设定卡在正常工作模式时的工作时钟频率见表4 |
| clksel2 | 6 | |
| i/oen | 7 | i/o使能位。为1时，i/o与i/ouc相连；为0时，i/ouc是高阻状态 |
(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。
其中状态字节中各位的含义如表5所列。
表4 工作时钟频率选择方式
| clksel2 | clksel1 | clock ou |
| 0 | 0 | clkin/8 |
| 0 | 0 | clkin/4 |
| 1 | 0 | clkin/2 |
| 1 | 1 | clkin |
表5 状态字节各位的含义
| 名 称 | 位 | 说 明 |
| pres | 0 | 卡的状态指示。为1时，检测到卡：为0时，没有检测到卡 |
| presl | 1 | 为1时，卡的状态还没有读；当为0时，卡的状态已读出 |
| i/o | 2 | i/o为高时，这位为1；当i/o为低时，这位为0 |
| supl | 3 | 为1时，表示电源监控器已输出，上电后就为1，直到读出后为0 |
| prot | 4 | 为1时，表示过热或过载状态 |
| mute | 5 | 为1时表示卡在规定的时间内没有发出atr信号 |
| early | 6 | 为1时表示卡在规定的时间前就已经发出atr信号 |
| active | 7 | 为1时，卡处于激活状态；为0时，卡处于释放状态 |
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。