IC卡接口芯片TDA8007的读写器设计

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:阐述T=0传输协议,给出IC卡读写器中使用的IC卡APDU指令流程和原理框图;重点介绍其中的IC卡接口芯片Philips的TDA8007,给出通过TDA8007对CPU IC卡上下电过程、具体程序及TDA8007使用中应注意的问题。 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,或供内部信息处理和判定。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。其中物理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物理空间。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 #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%26;amp;=0xf8; CSR|=ncard; //选择卡,ncard=1,2 CSR%26;amp;=0xf7; CSR|=0xf7; CSR|=0x08; //复位UART的寄存器 UCR2%26;amp;=0xf7; //异步模式,SAN=0 CCR%26;amp;=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%26;amp;=0xfd; //5V卡用 UCR2%26;amp;=0xfc; //CKU=PSC=0,--31 FCR=0x00; //1奇偶校验1FIFO PDR=0x0c; //Divider=12 CCR=0x00; //不分频 PCR%26;amp;=0xfb; //RSTIN=0 UCR2|=0x04; //不自动转换 UCR1=0x01; //正向约定 UCR1%26;amp;=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%26;amp;=0xfe; //START=0;下电 PCR%26;amp;=0xfb; //卡的复位脚保持0 CCR%26;amp;=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。
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