摘要：詳細(xì)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(jìn)行了詳細(xì)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)的IC卡。IC卡接口電路作為IC卡與IFD內(nèi)的CPU進(jìn)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(yán)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(jìn)行操作；嚴(yán)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)。
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(dāng)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。
1.2 通過觸點(diǎn)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(diǎn)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(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(dāng)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(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(dú)立的中斷源，當(dāng)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(jī)，內(nèi)部掩膜有握奇公司對IC卡進(jìn)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(jìn)行通信。WatchCore采用SO-20裝封，占PCB板很小的位置。
(3)通信方式為I2C的TDA8020
TDA8020是Philips生產(chǎn)的支持兩個獨(dú)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(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(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，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(jì)
WatchCore是不帶硬件的UART，其串行通信是用軟件實(shí)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(yàn)位，2位停止位。TXD與RXD電氣信號是標(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
