摘要：詳細介紹接觸式IC卡讀寫原理；結(jié)合一個基于不同讀寫芯片、可以同時操作6片接觸式IC卡的系統(tǒng)，對包括并行通信、半雙工串行通信和I2C通信的幾種不同接口形式的IC卡讀寫芯片進行了詳細的對比分析。
關(guān)鍵詞：ISO/IEC7816 接口技術(shù) 接觸式IC卡 并行通信 半雙工串行通信 I2C總線通信
引 言
??IC卡 (Integrated Circuit Card，集成電路卡)是繼磁卡之后出現(xiàn)的又一種新型信息工具。IC卡在有些國家和地區(qū)也稱智能卡(smart card)、智慧卡(intelligent card)、微電路卡(microcircuit card)或微芯片卡等。它是將一個微電子芯片嵌入符合ISO 7816標準的卡基中，做成卡片形式；已經(jīng)十分廣泛地應(yīng)用于包括金融、交通、社保等很多領(lǐng)域。
IC卡讀寫器是IC卡與應(yīng)用系統(tǒng)間的橋梁，在ISO國際標準中稱之為接口設(shè)備IFD(Interface Device)。IFD內(nèi)的CPU通過一個接口電路與IC卡相連并進行通信。IC卡接口電路是IC卡讀寫器中至關(guān)重要的部分，根據(jù)實際應(yīng)用系統(tǒng)的不同，可選擇并行通信、半雙工串行通信和I2C通信等不同的IC卡讀寫芯片。
1 接觸式IC卡接口技術(shù)原理
IC卡讀寫器要能讀寫符合ISO7816標準的IC卡。IC卡接口電路作為IC卡與IFD內(nèi)的CPU進行通信的唯一通道，為保證通信和數(shù)據(jù)交換的安全與可靠，其產(chǎn)生的電信號必須滿足下面的特定要求。
1.1 完成IC卡插入與退出的識別操作
IC卡接口電路對IC卡插入與退出的識別，即卡的激活和釋放，有很嚴格的時序要求。如果不能滿足相應(yīng)的要求，IC卡就不能正常進行操作；嚴重時將損壞IC卡或IC卡讀寫器。
(1)激活過程
為啟動對卡的操作，接口電路應(yīng)按圖1所示順序激活電路：
◇RST處于L狀態(tài)；
◇根據(jù)所選擇卡的類型，對VCC加電A類或B類，正常操作條件下VCC的電特性見表1；
表1 正常操作條件VCC的電特性
| 符 號 | 最小值 | 最大值 |
條 件 |
| Vvcc/V | 4.5 2.7 |
5.5 3.3 |
A類 B類 |
| Icc/mA | 60500.5 | A類，在最大允許頻率 B類，在最大允許頻率時鐘停止 |
◇VPP上升為空閑狀態(tài)；
◇接口電路的I/O應(yīng)置于接收狀態(tài)；
◇向IC卡的CLK提供時鐘信號(A類卡1～5MHz，B類卡1～4MHz)。
圖3
如圖1所示，在t’a時間對IC卡的CLK加時鐘信號。I/O線路應(yīng)在時鐘信號加于CLK的200個時鐘周期(ta)內(nèi)被置于高阻狀態(tài)Z(ta 時間在t’a之后)。時鐘加于CLK后，保持RST為狀態(tài)L至少400周期(tb)使卡復(fù)位(tb在t’a之后)。在時間t’b，RST被置于狀態(tài)H。I/O上的應(yīng)答應(yīng)在RST上信號上升沿之后的400~40 000個時鐘周期(tc)內(nèi)開始(tc在t’b之后)。
在RST處于狀態(tài)H的情況下，如果應(yīng)答信號在40 000個時鐘周期內(nèi)仍未開始，RST上的信號將返回到狀態(tài)L，且IC卡接口電路按照圖2所示對IC卡產(chǎn)生釋放。
(2)釋放過程
當信息交換結(jié)束或失敗時(例如，無卡響應(yīng)或卡被移出)，接口電路應(yīng)按圖2所示時序釋放電路：
◇RST應(yīng)置為狀態(tài)L；
◇CLK應(yīng)置為狀態(tài)L(除非時鐘已在狀態(tài)L上停止)；
◇VPP應(yīng)釋放(如果它已被激活)；
◇I/O應(yīng)置為狀態(tài)A(在td時間內(nèi)沒有具體定義)；
◇VCC應(yīng)釋放。
圖4
1.2 通過觸點向卡提供穩(wěn)定的電源
IC卡接口電路應(yīng)能在表1規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，向IC卡提供相應(yīng)穩(wěn)定的電流。
1.3 通過觸點向卡提供穩(wěn)定的時鐘
IC卡接口電路向卡提供時鐘信號。時鐘信號的實際頻率范圍在復(fù)位應(yīng)答期間，應(yīng)在以下范圍內(nèi)：A類卡，時鐘應(yīng)在1～5MHz；B類卡，時鐘應(yīng)在1～4MHz。
復(fù)位后，由收到的ATR(復(fù)位應(yīng)答)信號中的F(時鐘頻率變換因子)和D(比特率調(diào)整因子)來確定。
時鐘信號的工作周期應(yīng)為穩(wěn)定操作期間周期的40%～60%。當頻率從一個值轉(zhuǎn)換到另一個值時，應(yīng)注意保證沒有比短周期的40%更短的脈沖。
2 幾種實現(xiàn)方式的對比與分析
IFD內(nèi)的IC卡讀寫芯片，按其與IFD內(nèi)的CPU的通信方式進行分類，有并行通信、半雙工串行通信和I2C通信的讀寫芯片。圖3是一個基于三種不同通信方式讀寫芯片的通用IC卡讀寫器的原理示意。這個系統(tǒng)可以同時對6片IC卡進行操作，其中每一個IC卡讀寫芯片都可以驅(qū)動2片IC卡。應(yīng)用系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況合理選用其中的一種或多種讀寫芯片。
2.1 IC卡讀寫芯片的硬件對比分析
(1)通信方式為并行通信的CTS56I01
CTS56I01支持兩個符合ISO/IEC7816-3標準的T0和T1傳輸協(xié)議的IC卡。它采用并行的方式與IFD內(nèi)的CPU通信；可以檢查到卡的插入與拔出，并自動產(chǎn)生激活與釋放時序。CTS56I01內(nèi)部每個通道都有發(fā)送緩沖空、ATR超時、釋放檢測完成、TS沒有收到等10個獨立的中斷源，當CTS56I01內(nèi)部的狀態(tài)發(fā)生變化時，可以產(chǎn)生中斷信號。系統(tǒng)通過P0口與CTS56I01的數(shù)據(jù)線相連，地址選擇用P2[2:0]，兩個中斷信號經(jīng)過或門后接到89C51的INT0上。對IC卡的所有操作，只是對CTS56I01內(nèi)部寄存器的讀寫操作，方便可靠。CTS56I01采用LQFP-32封裝，僅占很小的空間。
(2)通信方式為半雙工串行通信的WatchCore
WatchCore是握奇公司為了方便各種嵌入式設(shè)備與IC卡的通信開發(fā)而推出的一款I(lǐng)C卡讀寫芯片，硬件平臺采用ST7261單片機，內(nèi)部掩膜有握奇公司對IC卡進行讀寫操作的全部程序；支持ISO/IEC 7816 T=0、T=1異步傳輸協(xié)議的各種智能卡，支持對Memory卡操作，支持雙卡頭操作，與接口CPU采用半雙工串行通信。系統(tǒng)用P1.1和P1.2模擬一個串口與WatchCore進行通信。WatchCore采用SO-20裝封，占PCB板很小的位置。
圖5
(3)通信方式為I2C的TDA8020
TDA8020是Philips生產(chǎn)的支持兩個獨立IC卡的讀寫芯片，IFD內(nèi)的CPU采用I2C的方式向TDA8020發(fā)送命令和讀取狀態(tài)，通過TDA8020的I/OuC端口向IC卡發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。它支持符合ISO/IEC7816-3 T=0、T=1標準的IC卡，也支持符合EMV3.1.1(Europay，MasterCard，VISA)標準的卡。與它Pin-to-Pin兼容的芯片還有ST公司生產(chǎn)的ST8020等。TDA8020有2個地址選擇引腳。本系統(tǒng)的地址引腳接地，兩個IC卡對應(yīng)的地址分別為0x40和0x48。I2C的時鐘信號和數(shù)據(jù)信號分別由89C51的P1.3和P1.4進行模擬，IC卡的數(shù)據(jù)通道I/OuC連89C51的P1.5和P1.6。TDA8020也采用LQFP-32裝封。
2.2 IC卡讀寫芯片的軟件設(shè)計
2.2.1 通信方式為并行通信的CTS56I01
CST56I01只有3根地址線，內(nèi)部卻有37個寄存器。其中有8個寄存器可以直接訪問，另外的29個寄存器要通過索引地址寄存器(IAR)來訪問。其訪問分為兩步：第一步是將要間接訪問的寄存器的地址寫到IAR寄存器中；第二步就是從數(shù)據(jù)寄存器(DR)中讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)到DR寄存器中，來完成對要間接訪問的寄存器的訪問。
下面的C51子程序是基于圖3的寫一個字節(jié)到要間接訪問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的軟件設(shè)計
WatchCore是不帶硬件的UART，其串行通信是用軟件實時仿真的。通信速度采用9600bps；通信字節(jié)格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位偶校驗位，2位停止位。TXD與RXD電氣信號是標準的CMOS電平，可直接與TTL的電路相連。以下是通信時的數(shù)據(jù)包格式。
(1)命令包
命令包是IC卡讀寫器內(nèi)的CPU發(fā)往WatchCore的數(shù)據(jù)，其包格式如下：
|
NAD |
PCB |
LEN |
DATA |
BCC |
NAD為卡頭選擇， NAD=0x00/0x12為主卡頭，NAD=0x13為從卡頭；
PCB與通信無關(guān)，CPU卡T=1時使用，PCB通常設(shè)置為0x00；
LEN為數(shù)據(jù)的字節(jié)長度(僅DATA段的字節(jié)數(shù))；
DATA為發(fā)送WactchCore或IC卡內(nèi)的命令(命令參考ISO7816-4的標準)；
BCC為異或校驗字節(jié)(BCC段前的4段所有字節(jié)的異或和)。
(2)數(shù)據(jù)包
數(shù)據(jù)包是WatchCore 收到命令包后返回的數(shù)據(jù)，其包格式如下：
NAD* 是WatchCore把命令包中NAD字節(jié)的高低4位互換后的返回。例如，命令包發(fā)送NAD=0x12，WatchCore則返回NAD*=0x21；
其它各段與命令包相同。
通信舉例(以下數(shù)據(jù)都用十六進制表示)
對主卡進行復(fù)位
發(fā)送命令包如下：
12 00 05 00 12 00 00 00 05
若主卡頭中無卡，則WatchCore返回：
21 00 02 62 00 41
若主卡頭有一張T=0的CPU卡，則可能返回：
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的軟件設(shè)計
TDA8020與IFD內(nèi)CPU的通信是用I2C總線方式進行的。通過I2C接口，IFD內(nèi)的CPU可以向TDA8020發(fā)送命令或讀取TDA8020的狀態(tài)。TDA8020有兩個地址選擇引腳(SAD0和SAD1)。在圖3中，這兩個地址選擇引腳接地，對應(yīng)兩個IC卡的I2C總線地址分別是40H和48H。如果系統(tǒng)中有別的I2C總線器件，可以按表2的方式進行尋址。
表2 TDA8020的I2C地址選擇表
| SAD1 | SAD0 | CARD1 | CARD2 |
| 0 | 0 | 40H | 48H |
| 0 | 1 | 42H | 4AH |
| 1 | 0 | 46H | 4CH |
| 1 | 1 | 48H | 4EH |
(1)向TDA8020寫入命令的格式
圖4為向TDA8020寫入命令的格式。按圖3所示，對卡1的地址和寫的字節(jié)為40H。
其中控制字節(jié)各位的含義如表3所列。
表3 命令控制字節(jié)各位的含義
| 名 稱 | 位 | 說 明 |
| START和/STOP | 0 | 為1，產(chǎn)生一個冷復(fù)位的激活時序：為0，產(chǎn)生一個釋放時序 |
| WARM | 1 | 為1，產(chǎn)生一個熱復(fù)位時序 |
| 3/5V | 2 | 為1，設(shè)定卡的操作電壓為3V；為0，設(shè)定卡的操作電壓為5V |
| PDOWN | 3 | 為1，設(shè)定卡為下電模式；為0，設(shè)定卡為正常工作模式 |
| CLKPD | 4 | 為1，設(shè)定下電模式下CLK停在高電平；為0，設(shè)定下電模式下CLK停在低電平 |
| CLKSEL1 | 5 | 兩位設(shè)定卡在正常工作模式時的工作時鐘頻率見表4 |
| CLKSEL2 | 6 | |
| I/OEN | 7 | I/O使能位。為1時，I/O與I/Ouc相連；為0時，I/Ouc是高阻狀態(tài) |
(2)讀TDA8020內(nèi)部狀態(tài)的數(shù)據(jù)格式
從TDA8020讀出狀態(tài)的格式如圖5所示。按圖3所示，對卡1的地址和讀的字節(jié)為41H。
其中狀態(tài)字節(jié)中各位的含義如表5所列。
表4 工作時鐘頻率選擇方式
| CLKSEL2 | CLKSEL1 | CLOCK OU |
| 0 | 0 | CLKIN/8 |
| 0 | 0 | CLKIN/4 |
| 1 | 0 | CLKIN/2 |
| 1 | 1 | CLKIN |
表5 狀態(tài)字節(jié)各位的含義
| 名 稱 | 位 |
說 明 |
| PRES | 0 | 卡的狀態(tài)指示。為1時，檢測到卡：為0時，沒有檢測到卡 |
| PRESL | 1 | 為1時，卡的狀態(tài)還沒有讀；當為0時，卡的狀態(tài)已讀出 |
| I/O | 2 | I/O為高時，這位為1；當I/O為低時，這位為0 |
| SUPL | 3 | 為1時，表示電源監(jiān)控器已輸出，上電后就為1，直到讀出后為0 |
| PROT | 4 | 為1時，表示過熱或過載狀態(tài) |
| MUTE | 5 | 為1時表示卡在規(guī)定的時間內(nèi)沒有發(fā)出ATR信號 |
| EARLY | 6 | 為1時表示卡在規(guī)定的時間前就已經(jīng)發(fā)出ATR信號 |
| ACTIVE | 7 | 為1時，卡處于激活狀態(tài)；為0時，卡處于釋放狀態(tài) |
3 總 結(jié)
以上比較詳細地介紹了三種不同接口的IC卡讀寫芯片。這三種方式最大的區(qū)別在于其與IFD內(nèi)的CPU的通信方式不一樣，并且也都符合ISO/IEC7816的標準。但是，這三個讀寫芯片有一些地方也存在一些差異。
TDA8020支持A類和B類卡，但是WatchCore和SNIPER II CST56I01只支持A類卡。(雖然SNIPER II CST56I01內(nèi)部寄存器中有一位是卡類選擇，但卻只支持A類卡。)
TDA8020和SNIPER II CST56I01其ESD保護達6kV，但是WatchCore卻沒有ESD保護功能。
TDA8020對卡的電源可以直接支持，并有過流保護功能；但是WatchCore和SNIPER II CST56I01卻只有通過一個功放管來實現(xiàn)，并且沒有過流保護功能，只有外接保護電路(如加可復(fù)位保險絲)。
就其接口方式來說，I2C總線的TDA8020和串口的WatchCore雖然與IC卡讀寫器內(nèi)的CPU的連接方便，但是一般CPU沒有多余的串口和I2C總線接口給這兩個芯片，一般要用通用I/O口來模擬串口和I2C總線接口才能進行通信。而SNIPER II CST56I01與IFD內(nèi)的CPU的并行通信雖然連接線較多，但其相應(yīng)的軟件就方便多了。
綜上所述，這三個IC卡讀寫芯片各有不同，在實現(xiàn)應(yīng)用的過程中，只有根據(jù)不同的資源情況來選用不同的讀寫芯片。
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