接觸式IC卡接口原理與不同實(shí)現(xiàn)方式對(duì)比

　　如圖1所示，在t’a時(shí)間對(duì)IC卡的CLK加時(shí)鐘信號(hào)。I/O線(xiàn)路應(yīng)在時(shí)鐘信號(hào)加于CLK的200個(gè)時(shí)鐘周期(ta)內(nèi)被置于高阻狀態(tài)Z(ta 時(shí)間在t’a之后)。時(shí)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(shí)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(hào)上升沿之后的400~40 000個(gè)時(shí)鐘周期(tc)內(nèi)開(kāi)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(hào)在40 000個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)仍未開(kāi)始，RST上的信號(hào)將返回到狀態(tài)L，且IC卡接口電路按照?qǐng)D2所示對(duì)IC卡產(chǎn)生釋放。
(2)釋放過(guò)程
當(dāng)信息交換結(jié)束或失敗時(shí)(例如，無(wú)卡響應(yīng)或卡被移出)，接口電路應(yīng)按圖2所示時(shí)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(shí)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(shí)間內(nèi)沒(méi)有具體定義)；
◇VCC應(yīng)釋放。

圖4

　　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(guò)觸點(diǎn)向卡提供穩(wěn)定的時(shí)鐘
　　IC卡接口電路向卡提供時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)的實(shí)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(lèi)卡，時(shí)鐘應(yīng)在1～5MHz；B類(lèi)卡，時(shí)鐘應(yīng)在1～4MHz。
　　復(fù)位后，由收到的ATR(復(fù)位應(yīng)答)信號(hào)中的F(時(shí)鐘頻率變換因子)和D(比特率調(diào)整因子)來(lái)確定。
　　時(shí)鐘信號(hào)的工作周期應(yīng)為穩(wěn)定操作期間周期的40%～60%。當(dāng)頻率從一個(gè)值轉(zhuǎn)換到另一個(gè)值時(shí)，應(yīng)注意保證沒(méi)有比短周期的40%更短的脈沖。

2 幾種實(shí)現(xiàn)方式的對(duì)比與分析
　　IFD內(nèi)的IC卡讀寫(xiě)芯片，按其與IFD內(nèi)的CPU的通信方式進(jìn)行分類(lèi)，有并行通信、半雙工串行通信和I2C通信的讀寫(xiě)芯片。圖3是一個(gè)基于三種不同通信方式讀寫(xiě)芯片的通用IC卡讀寫(xiě)器的原理示意。這個(gè)系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)6片IC卡進(jìn)行操作，其中每一個(gè)IC卡讀寫(xiě)芯片都可以驅(qū)動(dòng)2片IC卡。應(yīng)用系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際情況合理選用其中的一種或多種讀寫(xiě)芯片。
2.1 IC卡讀寫(xiě)芯片的硬件對(duì)比分析
(1)通信方式為并行通信的CTS56I01
　　CTS56I01支持兩個(gè)符合ISO/IEC7816-3標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)產(chǎn)生激活與釋放時(shí)序。CTS56I01內(nèi)部每個(gè)通道都有發(fā)送緩沖空、ATR超時(shí)、釋放檢測(cè)完成、TS沒(méi)有收到等10個(gè)獨(dú)立的中斷源，當(dāng)CTS56I01內(nèi)部的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，可以產(chǎn)生中斷信號(hào)。系統(tǒng)通過(guò)P0口與CTS56I01的數(shù)據(jù)線(xiàn)相連，地址選擇用P2[2:0]，兩個(gè)中斷信號(hào)經(jīng)過(guò)或門(mén)后接到89C51的INT0上。對(duì)IC卡的所有操作，只是對(duì)CTS56I01內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)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(kāi)發(fā)而推出的一款I(lǐng)C卡讀寫(xiě)芯片，硬件平臺(tái)采用ST7261單片機(jī)，內(nèi)部掩膜有握奇公司對(duì)IC卡進(jìn)行讀寫(xiě)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(duì)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(gè)串口與WatchCore進(jìn)行通信。WatchCore采用SO-20裝封，占PCB板很小的位置。

圖5

　　TDA8020是Philips生產(chǎn)的支持兩個(gè)獨(dú)立IC卡的讀寫(xiě)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)的IC卡，也支持符合EMV3.1.1(Europay，MasterCard，VISA)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)地址選擇引腳。本系統(tǒng)的地址引腳接地，兩個(gè)IC卡對(duì)應(yīng)的地址分別為0x40和0x48。I2C的時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)分別由89C51的P1.3和P1.4進(jìn)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(xiě)芯片的軟件設(shè)計(jì)
2.2.1 通信方式為并行通信的CTS56I01
　　CST56I01只有3根地址線(xiàn)，內(nèi)部卻有37個(gè)寄存器。其中有8個(gè)寄存器可以直接訪問(wèn)，另外的29個(gè)寄存器要通過(guò)索引地址寄存器(IAR)來(lái)訪問(wèn)。其訪問(wèn)分為兩步：第一步是將要間接訪問(wèn)的寄存器的地址寫(xiě)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(lái)完成對(duì)要間接訪問(wèn)的寄存器的訪問(wèn)。
下面的C51子程序是基于圖3的寫(xiě)一個(gè)字節(jié)到要間接訪問(wèn)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(jì)
　　WatchCore是不帶硬件的UART，其串行通信是用軟件實(shí)時(shí)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(yàn)位，2位停止位。TXD與RXD電氣信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的CMOS電平，可直接與TTL的電路相連。以下是通信時(shí)的數(shù)據(jù)包格式。
(1)命令包
命令包是IC卡讀寫(xiě)器內(nèi)的CPU發(fā)往WatchCore的數(shù)據(jù)，其包格式如下：
NADPCBLENDATABCC

NAD為卡頭選擇， NAD=0x00/0x12為主卡頭，NAD=0x13為從卡頭；
PCB與通信無(wú)關(guān)，CPU卡T=1時(shí)使用，PCB通常設(shè)置為0x00；
LEN為數(shù)據(jù)的字節(jié)長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn))；
BCC為異或校驗(yàn)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(jìn)制表示)
對(duì)主卡進(jìn)行復(fù)位
發(fā)送命令包如下：