IC卡接口芯片TDA8007的讀寫器設(shè)計

1、IC卡接口芯片TDA8007的讀寫器設(shè)計<        摘要：闡述T=0傳輸協(xié)議，給出IC卡讀寫器中使用的IC卡APDU指令流程和原理框圖；重點介紹其中的IC卡接口芯片Philips的TDA8007，給出通過TDA8007對CPU IC卡上下電過程、具體程序及TDA8007使用中應(yīng)注意的問題。    關(guān)鍵詞：CPU IC卡 TDA8007 ISO7816    IC卡（Integrated Circuit card）即集成電路卡

2、，是將一個集成電路芯片鑲嵌于朔料基片中，封裝成卡的形式，外形與常用的覆蓋磁條的磁卡相似。IC卡芯片具有寫入和存儲數(shù)據(jù)的能力。IC卡存儲器中的內(nèi)容根據(jù)需要可以有條件地供外部讀取，或供內(nèi)部信息處理和判定。根據(jù)卡中所鑲嵌的集成電路的不同，可以分成存儲器卡、邏輯加密卡、CPU卡三類。其中CPU卡即為由中央處理器CPU、EEPROM、隨機(jī)存儲器RAM以及固化在只讀存儲器ROM中的片內(nèi)操作系統(tǒng)COS（Chip Operation System）組成的IC卡。IC卡按與外界數(shù)據(jù)傳送的形式來分，有接觸式和非接觸式兩種。圖1 T=0的CPU卡APDU指令實現(xiàn)流程 1 CPU IC卡T=0的協(xié)議介紹 &

3、#160;  目前大多數(shù)CPU IC卡采用T=0模式。所謂T=0，即CPU IC卡與接口設(shè)備（即讀寫器）中數(shù)據(jù)傳輸方式為異步半雙工字符傳輸模式。    從T=0協(xié)議的功能出發(fā)，該協(xié)議的實現(xiàn)可以分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、終端傳輸層和應(yīng)用層。其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層可以具體參看ISO7816標(biāo)準(zhǔn)。在T=0協(xié)議應(yīng)用，終端傳輸層和應(yīng)用層實際上是不易分割來說明的，下面簡單說明。    終端傳輸層根據(jù)卡片返回的過程字符和狀態(tài)字節(jié)執(zhí)行相應(yīng)的操作，使讀寫器對數(shù)據(jù)的處理過程明朗清晰?？ㄆ祷氐倪^程字節(jié)和狀態(tài)字節(jié)跟應(yīng)用

4、層發(fā)送給卡的APDU（Application Protocol Data Unit，應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元）和VPP使用等有關(guān)。表1為VPP未用時的終端傳輸層中返回的過程字節(jié)。表1     字 節(jié)    值    結(jié) 果    ACK    INS    VPP空閑，所有其余的數(shù)據(jù)字節(jié)相繼續(xù)被傳送    INS+'F

5、F'    VPP空閑，下一個數(shù)據(jù)字節(jié)隨后被傳送    SW1    SW2    VPP空閑，接口設(shè)備等待SW2字節(jié)    應(yīng)用層即為由CLA、INS、P1、P2、P3作為命令頭組成的命令消息體的APDU響應(yīng)和應(yīng)答處理層。其中CLA為指令類別，INS為指令碼，P1、P2為參數(shù)，P3為根據(jù)APDU的不同格式為發(fā)送給卡的數(shù)據(jù)長度或期望響應(yīng)的數(shù)據(jù)長度。APDU的幾種情況如表2所列。表2

6、60;    命令頭    發(fā)送數(shù)據(jù)長度    發(fā)送的數(shù)據(jù)    期望應(yīng)答的數(shù)據(jù)長度    通用APDU    CLA INS P1 P    LC    Data    LE    情況一 

7、0;  CLA INS P1 P                情況二    CLA INS P1 P            LE    情況三    CLA INS P1 P&#

8、160;   LC    Data        情況四    CLA INS P1 P2    LC    Data    LE    CPU卡對接口設(shè)備（即讀寫器）的應(yīng)答APDU情況如表3所列。表3    

9、體    尾    數(shù)據(jù)Data    SW1 SW2    其中體中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)由命令A(yù)PDU中的LE指出；SW1、SW2是必備的，可以指明命令A(yù)PDU執(zhí)行正確或執(zhí)行出錯的錯誤類型。    2 基于T=0傳輸協(xié)議的CPU IC的APDU指令流程    根據(jù)目前CPU卡的常用T=0協(xié)議、自帶編程升壓電路的應(yīng)用情況，以及本讀寫器接收IC卡數(shù)據(jù)報文直接發(fā)送PC機(jī)

10、處理的特點，本讀寫器可行的APDU命令和響應(yīng)的處理流程如圖1所示。    3 讀寫器的硬件組成    讀寫器的硬件部分主要由IC接口管理芯片TDA8007、MCUAT89C52、外部數(shù)據(jù)存儲器W24257S、串口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3226、安全I(xiàn)C卡座（即SAM卡座）、應(yīng)用IC卡座、鍵盤口供電的串口通信線及其它相關(guān)元器件組成。    圖2所示為通過PC機(jī)控制管理的外置于PC機(jī)的接觸式CPU IC卡讀寫器。通過定制的數(shù)據(jù)線，該讀寫器的5V直流電源可直接由鍵盤口提供，同時數(shù)據(jù)線還

11、負(fù)責(zé)PC機(jī)與讀寫器的串行數(shù)據(jù)交換。在大部分IC卡讀寫應(yīng)用中，都涉及到IC卡的認(rèn)證和數(shù)據(jù)讀寫的國解密問題，所以本讀寫器除了提供一個供用戶使用的IC卡接口卡座外，還內(nèi)置了一個SAM卡，即安全I(xiàn)C卡卡座，以方便安裝SAM卡，保證應(yīng)用IC卡讀寫時的數(shù)據(jù)安全，保護(hù)用戶的利益。    硬件的其它組成部分，如處理器，目前采用Atmel的89C52。其4KB的Flash程序存儲器可以滿足讀寫器的程序空間需要。由于PC機(jī)與89C52、89C52與TDA8007的數(shù)據(jù)交換要求的暫存數(shù)據(jù)空間比較大，89C52提供的256字節(jié)不夠，需外加一片數(shù)據(jù)存儲器。本讀寫器中使用的是華邦的

12、W24257S。其有32KB存儲容量，IC接口部分的主要芯片為Philips的TDA8007。    4 IC卡接口芯片應(yīng)用    下面介紹一下TDA8007及其應(yīng)用。TDA8007的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。    TDA8007芯片能夠提供兩個能同時滿足ISO7816標(biāo)準(zhǔn)及EMV和GSM11-11標(biāo)準(zhǔn)的IC卡讀寫接口。在本讀寫器中，一個用于與應(yīng)用IC通信，另一個用于與安全I(xiàn)C卡通信。與上文CPU卡的觸點圖相對應(yīng)，CLKi、RSTi、VCCi、I/Oi、GNDCi、PRESi、C

13、4i、C8i（其中i=1,2；C4i、C8i未用；PRESi可用于檢測IC卡是否插入。具體應(yīng)用可參看TDA8007的技術(shù)文檔）都直接由TDA8007提供給IC卡接口相連，MCU只需通過其接口控制并行通信來管理TDA8007，便可實現(xiàn)對IC卡的上電、下電及讀寫數(shù)據(jù)處理。其中，微處理器既        【內(nèi)容導(dǎo)航】         第1頁：IC卡接口芯片TDA8007的讀寫器設(shè)計     &

14、#160;  第2頁：IC卡接口芯片TDA8007的讀寫器設(shè)計            第3頁：IC卡接口芯片TDA8007的讀寫器設(shè)計                 可以通過總線復(fù)用把TDA8007內(nèi)部的所有寄存器作為外部存儲器，用MOVX尋址，也可以通過非總線復(fù)用方式訪問，此時TDA8007用A

15、D0AD3來區(qū)分內(nèi)部各寄存器。另外，TDA8007的片選信號和外部中斷信號線可以方便讀寫器處理多個IC卡頭。TDA8007的特別硬件ESD處理、接口短路處理、電源出錯處理等也給IC卡和IC卡讀寫器提供了比較高的安全保護(hù)；同時，TDA8007內(nèi)部集成的電源管理功能允許TDA8007的供電范圍可達(dá)2.76.0V，并且TDA8007通過電源管理可以給IC卡提供5.0V、3.0V及1.8V的電源，以適合不同工作電壓的IC卡應(yīng)用。圖3 IC卡接口芯片TDA8007的原理框圖     本讀寫器是通過總線復(fù)用對TDA8007的寄存器進(jìn)行控制的。其中MCU的P1.5為T

16、DA8007的片選，P0口為與之通信的8位數(shù)據(jù)線，TDA8007的各寄存器預(yù)先被宏定義的成微處理器的一個外部數(shù)據(jù)單元（下面電程序處的定義），從而方便MCU訪問。下面結(jié)合TDA8007寄存器的定義和位分配，給出應(yīng)用TDA8007接口芯片對IC卡進(jìn)行上電激活和下電的程序。TDA8007的寄存器主要三類。第一類，通用寄存器：卡槽選擇CSR；硬件狀態(tài)HSR；定時器TOR1、TOR2、TOR3。第二類，ISO7816串行處理寄存器：串行狀態(tài)USR；混合狀態(tài)MSR；串行發(fā)送UTR；串行接收URR；隊列控制FCR。第三類，卡專屬寄存器：可編程分頻PDR；保護(hù)時間GTR；串行控制UCR1、UCR2；時鐘配置C

17、CR；上電控制PCR。注意：對于卡專屬的寄存器，即卡接口1、卡接口2分別對應(yīng)的寄存器，邏輯上具有相同的名及訪問地址，因而，對不同的瞳操作，需要通過CSR選擇對應(yīng)的卡槽來切換卡?？▽偌拇嫫鞯挠成涞奈锢砜臻g。所以，接口設(shè)備每次從一個卡的上下電或讀寫轉(zhuǎn)向另一卡，都需要訪CSR設(shè)定對應(yīng)的卡槽。對于每個寄存器的位定義不再多述，主動性者可參看TDA8007的技術(shù)文檔。    5 上下電過程及具體程序    圖4為IC卡的上電時序圖。要實現(xiàn)之，需對PCR進(jìn)行寫操作。其中START=PCR.0，RSTIN=PCR.2，VUP上升表

18、示激活了TDA8007中的電壓轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)START置高時，只要能檢測到選定卡槽中的IC卡存在，且沒有TDA8007能檢測到并在HSR中指示的硬件錯誤出現(xiàn)，則對應(yīng)IC卡接口的VCC1或VCC2將能被提供響應(yīng)的電平（5V、3V或1.8V）。隨后對應(yīng)卡的I/O數(shù)據(jù)線被置成高狀態(tài)（Z狀態(tài)），給IC卡提供設(shè)定的時鐘信號，常用為3.5712MHz。大約在START置高108ETU后，RSTIN置高。因為RST為RSTIN的拷貝，則對應(yīng)卡的RST被置高。然后，用TDA8007提供的定時器TOR3、TOR2設(shè)定對ATR（Answer To Request）即復(fù)位應(yīng)答首字節(jié)的最大等待時間120ETU（Elem

19、ent Time Unit），TOC設(shè)定定時器工作方式，便開始等待ATR首字節(jié)到來后做相應(yīng)處理。至此，IC卡上電激活工作完成，隨后可以根據(jù)ATR字節(jié)的要求的工作方式對IC卡進(jìn)行相應(yīng)的讀寫處理。具體見上電程序。圖4 TDA8007產(chǎn)生滿足ISO 7816標(biāo)準(zhǔn)訴IC卡上電激活時序     TDA8007寄存器訪問的預(yù)定義    #include<absacc.h>    #define XXX XBYTE0x8000/XXX表示CSR等各寄存器上電程序如下： 

20、;   P1.5=0; /片選TDA8007    CSR&=0xf8；    CSR|=ncard; /選擇卡，ncard=1,2    CSR&=0xf7；    CSR|=0xf7;    CSR|=0x08; /復(fù)位UART的寄存器    UCR2&=0xf7； /異步模式，SAN=0 

21、   CCR&=0xdf； /時鐘停止于低電平    UCR2|=0x60; /關(guān)閉附加中斷及收發(fā)中斷    GTR=0xff; /保持時間12ETU    If(v=1) /v為函數(shù)變量        else if(v=3)    PCR|=0x02; /3V卡用    Els

22、e    PCR&=0xfd; /5V卡用    UCR2&=0xfc; /CKU=PSC=0,-31    FCR=0x00; /1奇偶校驗1FIFO    PDR=0x0c; /Divider=12    CCR=0x00; /不分頻    PCR&=0xfb; /RSTIN=0    UC

23、R2|=0x04; /不自動轉(zhuǎn)換    UCR1=0x01; /正向約定    UCR1&=0xf7； /接收模式    flag3=0; /復(fù)位定時標(biāo)志    flagatr=0; /接收ATR首字節(jié)定時標(biāo)志    PCR|=0x01; /激活    TOR2=0x6c;    TOR3=0x00;    TOC=0x61; /RST拉高前等待108ETU    while(flag3=0)； /定時時間到，在中斷中設(shè)置flag3=1    TOC=0x00； /關(guān)閉定時器    PCR|=0x04; /給復(fù)位拉高    TOR2=0x78;