高柱榮1,2，蔡國永1

　?。?.桂林電子科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林市利通電子科技有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541004）

　　摘要：提出了一種CPU卡低層讀寫驅(qū)動接口的設(shè)計方案，該方案采用MCU的通用I/O引腳直接驅(qū)動CPU卡的方式實現(xiàn)。首先分析了CPU卡的接口特性及傳輸協(xié)議，介紹了方案設(shè)計時對MCU選型的注意事項和ESAM安全模塊的功能及作用；接著基于Microchip公司的PIC16LF1946芯片，完成了方案中硬件接口設(shè)計和軟件接口函數(shù)設(shè)計；最后對方案中給出的設(shè)計進(jìn)行實現(xiàn)和接口驗證測試。測試結(jié)果表明，該設(shè)計方案符合ISO7816標(biāo)準(zhǔn)的要求，能高效實現(xiàn)CPU卡的讀寫。

　　關(guān)鍵詞： CPU卡；ESAM模塊；讀寫接口；傳輸協(xié)議；ISO7816

0引言

　　當(dāng)今，各類IC卡（如居民身份證、社?？?、水電氣充值卡等）已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠?，并為人們的生活帶來了極大的便利。IC卡技術(shù)也已從最初的存儲卡、邏輯加密卡發(fā)展到今天的CPU卡。與之相應(yīng)的是需要配備大量的IC卡智能終端設(shè)備。目前開發(fā)的IC卡智能終端設(shè)備中的讀寫接口部分大多采用專用的接口芯片來實現(xiàn)，如TDA8007等，這使得產(chǎn)品的成本較高，體積也較大。本文提出一種基于設(shè)備產(chǎn)品的主控MCU通用引腳，直接模擬通信協(xié)議實現(xiàn)接觸式CPU卡讀寫接口的低成本實用方案。

1CPU卡的接口特性及傳輸協(xié)議

　　CPU卡也稱智能卡（Smart Card），卡中的集成電路包括微處理器、EEPROM、隨機(jī)存儲器RAM、程序存儲器ROM（Flash）以及片內(nèi)操作系統(tǒng)(COS)。裝有COS的CPU卡相當(dāng)于一臺微型計算機(jī)，不僅具有數(shù)據(jù)存儲功能，同時具有命令處理和數(shù)據(jù)安全保護(hù)等功能。按卡與外界數(shù)據(jù)傳送的形式來劃分，可將CPU卡分為接觸式卡、非接觸式卡和雙界面卡。

　　1.1CPU卡的觸點分配

　　CPU卡觸點的分配遵循ISO78162的規(guī)定［1］，如圖1所示，表1為觸點的功能及工作參數(shù)說明?！　?/p>

　　1.2CPU卡使用過程

　　正常的用卡過程可劃分為如下4個階段［2］：

　?。?）把IC卡插入終端接口設(shè)備，并接通各觸點；

　?。?）使IC卡復(fù)位并在終端和IC卡間建立通信；

　?。?）執(zhí)行交易；

　　（4）釋放觸點并取出IC卡。

　　1.3傳輸協(xié)議

　　根據(jù)ISO7816-4的規(guī)定，CPU卡必須支持異步半雙工字符傳輸協(xié)議（T=0）或異步半雙工塊傳輸協(xié)議（T=1）中的一種，且僅支持一種。讀卡終端則必須同時支持T=0和T=1的兩種協(xié)議［3］。目前T=0通信協(xié)議的應(yīng)用最為廣泛，大多數(shù)CPU卡都支持該協(xié)議，在金融交易中也采用這種通信協(xié)議，基于此，本文僅討論T=0協(xié)議。

　　1.3.1協(xié)議命令

　　協(xié)議的命令格式如下［4］：

       其中CLA表示命令類別；INS表示指令代碼；P1、P2為INS的參數(shù)字節(jié)；Lc為發(fā)送數(shù)據(jù)長度, 可選字段，長度為0、1 B或3 B；Data為命令數(shù)據(jù)字段，可選字段，長度為0~N B；Le為接收數(shù)據(jù)長度，可選字段，長度為0、1 B、2 B或3 B，指出命令響應(yīng)中預(yù)期的數(shù)據(jù)最大字節(jié)數(shù)；命令頭由命令的前5 B組成，其中第5個字節(jié)（P3）由INS的編碼而定，或是表示命令中送給CPU卡的數(shù)據(jù)，或是等待從CPU卡響應(yīng)的最大數(shù)據(jù)長度?！　f(xié)議響應(yīng)的格式如下：

2其中Data為返回數(shù)據(jù)字段，可選字段,長度為0~N B；SW1、SW2為響應(yīng)狀態(tài)字節(jié)。

　　1.3.2過程字節(jié)

　　CPU卡在收到命令頭后，回送一個過程字節(jié)給傳輸層（TTL），向TTL指明下一步必須采取的措施［2］，如表2所示。

　　在情況Ⅰ或Ⅱ時，當(dāng)TTL采取的措施實行后，它就等待著另一個過程字節(jié)。當(dāng)情況為Ⅲ時，在收到第2個狀態(tài)字節(jié)SW2之后，TTL必須處理如下：

　?。?）如果過程字節(jié)為"61"，則TTL送出一條GET RESPONSE命令給IC卡，其中的最大長度為XX，XX為SW2的值。

　?。?）如果過程字節(jié)為"6C"，則TTL立即重發(fā)前一個命令的命令頭給IC卡，其長度為XX，XX是SW2之值。

　?。?）如果過程字節(jié)為"6X"（除了"60"、"61"和"6C"）或"9X"，TTL將通過命令響應(yīng)返回狀態(tài)碼給應(yīng)用層（TAL），由TAL處理，并等待下一個命令。

2硬件接口設(shè)計

　　能對CPU卡進(jìn)行讀寫操作的MCU，第一，需要有時鐘輸出CLKOUT功能，能輸出1~5 MHz的某一頻率時鐘；第二，需要有一個外部中斷口，用于檢測插卡動作。當(dāng)然，開發(fā)一個項目，比如卡式水表或燃?xì)獗?，還需要考慮低功耗、LCD驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)換、內(nèi)部存儲器和內(nèi)部振蕩器等，盡量用一顆MCU完成項目的所有功能以節(jié)約成本。

　　在本案中，選用了Microchip公司的8位CMOS閃存單片機(jī)PIC16LF1946芯片［5］。該芯片內(nèi)置高精度振蕩器，可選32 MHz、16 MHz（TYP）、8 MHz、4 MHz、2 MHz、1 MHz作為系統(tǒng)時鐘；內(nèi)置16K×14 B的閃存程序存儲器，1 024 B的數(shù)據(jù)存儲器（RAM），256 B數(shù)據(jù)EEPROM；自帶LCD驅(qū)動器，最多能驅(qū)動4×46位段的面板；一個時鐘輸出引腳，輸出頻率為Fosc/4；還有17個10 bit分辨率的AD采樣口，8個外部中斷口，5個定時/計數(shù)器等功能部件;超低功耗設(shè)計，已采用該芯片開發(fā)完成的卡式燃?xì)獗?，其平均電流小? μA。這些資源和特性滿足控制系統(tǒng)的需求。

　　2.1ESAM

　　嵌入式安全控制模塊(Embedded Secure Access Module，ESAM)其實質(zhì)為DIP或者SOP芯片封裝的CPU卡芯片，最早被用于IC卡電表作為錢包使用，存儲充值及消費金額以及其他一些重要的參數(shù)，同時具有身份識別功能，與外部卡片進(jìn)行雙向身份認(rèn)證。隨著終端安全的日益被重視，目前ESAM被廣泛應(yīng)用于各種智能終端設(shè)備中，實現(xiàn)文件和密鑰的安全存儲、數(shù)字簽名、數(shù)據(jù)加密解密、雙向身份認(rèn)證、內(nèi)部分散密鑰、電子錢包等多種功能［6］。ESAM的讀寫接口與CPU卡的讀寫接口完全一致。

　　2.2電路設(shè)計

　　本方案包括CPU卡接口電路和ESAM接口電路，可實現(xiàn)對CPU卡讀寫、密鑰認(rèn)證和數(shù)據(jù)存儲等功能。原理圖如圖2所示。

　　RG1和RG3端口分別連接CPU卡的數(shù)據(jù)IO和RST，RF6和RF5端口分別連接ESAM模塊的數(shù)據(jù)IO和RST。

　　CPU卡的工作時鐘直接使用MCU的引腳輸出時鐘，這樣就可以很好地實現(xiàn)雙方的通信時鐘同步問題。因PIC16LF1946單片機(jī)只有一個時鐘輸出端口（RA6），只能使用此端口同時給CPU卡和ESAM提供工作時鐘，時鐘工作頻率設(shè)置為4 MHz，以充分利用CPU卡的高速性能。

　　從降低功耗和安全性方面考慮，CPU卡和ESAM的電圖2電路原理圖源和時鐘應(yīng)該由MCU來控制，RG2端口控制給卡座供電，RF7端口控制給ESAM卡供電，RG0端口控制時鐘輸出。使用具有中斷功能的RB0端口檢測卡片的插入與拔出，當(dāng)有卡片插入卡座時，給卡座供電，同時輸出時鐘信號；當(dāng)卡片拔出后應(yīng)立即停止供電和關(guān)閉時鐘輸出。ESAM也一樣，其電源和時鐘在需要訪問時才打開，訪問結(jié)束后關(guān)閉。

3軟件函數(shù)設(shè)計

　　實現(xiàn)整個接口驅(qū)動，可設(shè)計成6個函數(shù)來完成，應(yīng)用層一般只需調(diào)用上電復(fù)位函數(shù)、卡命令處理函數(shù)和下電關(guān)閉函數(shù)。

　　void delayETU(x)：位持續(xù)時間延時函數(shù)；

　　void cpu_deactivation(void)：下電關(guān)閉函數(shù)；

　　static unsigned char cpu_receivebyte(unsigned char *c)：接收字符幀函數(shù)；

　　static unsigned char cpu_sendbyte(unsigned char c)：發(fā)送字符幀函數(shù)；

　　unsigned char cpu_reset(unsigned char len,unsigned char *data_buffer)：上電復(fù)位函數(shù)；

　　unsigned char cpu_protocol(unsigned char len, const unsigned char *send_cmd, unsigned char *lenr, unsigned char *receive_data, unsigned char bRespondAuto)：卡命令處理函數(shù)。

　　3.1位持續(xù)時間的計算

　　終端與CPU卡之間通過改變I/O傳輸線上的電平來交換信息，在數(shù)據(jù)傳輸中每一位的持續(xù)時間稱為基本時間單元(Elementary Time Unit，ETU)，ETU的值由時鐘頻率f決定，其計算公式為：

　　1 ETU=372/f（1）

　　其中，f的單位為Hz，在卡的整個交易過程中，f的值應(yīng)在1~5 MHz之間［2］。當(dāng)時鐘頻率f選擇4 MHz時，1 ETU=93 μs，這只是一個理論值，在實際應(yīng)用中，受到編程語言及編譯器的影響會有小幅變化，需調(diào)測出最小值和最大值，選擇中間值使用。

　　3.2上電復(fù)位

　　CPU卡插入卡座前，必須確保終端的所有觸點都處于低電平狀態(tài)。當(dāng)MCU的外部中斷檢測到有卡片插入卡座時，在做必要的防抖動處理后，開始進(jìn)入對CPU的上電復(fù)位操作，步驟如下：

　　（1）給Vcc上電，延時20 μs左右等待Vcc穩(wěn)定；

　?。?）加上CLK時鐘信號；

　?。?）把I/O線置為接收方式；

　?。?）延時40 000~45 000個CLK周期，之后把RST置為高電平狀態(tài)；

　?。?）循環(huán)檢測CPU卡上I/O的復(fù)位應(yīng)答信號，正常情況下，400多個CLK周期之后便能開始收到應(yīng)答，如應(yīng)答字節(jié)符合ISO78163的要求，則復(fù)位成功；如在40 000個CLK周期內(nèi)沒有收到應(yīng)答，表明復(fù)位失敗，需對CPU卡執(zhí)行下電操作，釋放各個觸點。

　　3.3下電關(guān)閉

　　下電是用卡過程的最后一個步驟，在交易結(jié)束后（包括異常結(jié)束），必須按以下步驟釋放各觸點：

　?。?）置RST為低電平狀態(tài)；

　?。?）在RST置為低電平之后，且Vcc置為低電平之前，將CLK關(guān)閉，I/O置為低電平；

　?。?）置Vcc為低電平去電。

　　3.4接收字符幀

　　每一個字符幀包含10個相連的數(shù)位：1位為低電平的起始位、8位數(shù)據(jù)字節(jié)和1位偶校驗位。首先循環(huán)查詢起始位，如果在40 000個CLK周期內(nèi)沒有收到低電平起始位，表明接收字符幀失敗，返回接收超時失??；否則，如收到圖3接收字符幀流程低電平起始位，則繼續(xù)接收后續(xù)的8位數(shù)據(jù)字節(jié)和1位偶校驗位。之后，比較校驗位是否正確，若校驗位正確則表明接收字符幀成功；若校驗位錯誤，請求CPU卡重發(fā)字符幀，最多請求重發(fā)2次。若2次重新接收的字符幀都不正確，則返回接收失敗。圖3是接收字符幀的函數(shù)流程圖。

　　3.5發(fā)送字符幀

　　根據(jù)ISO7816標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，要發(fā)送一個字符幀，首先發(fā)送1位起始位，接著發(fā)送8位數(shù)據(jù)字節(jié)，最后發(fā)送偶校驗位。之后，I/O口轉(zhuǎn)為接收模式，再過一個ETU之后，檢測I/O口，若為高電平則表明字符發(fā)送成功，若為低電平則表明發(fā)送錯誤，需要重新發(fā)送。若重發(fā)2次都還是發(fā)送錯誤，則返回發(fā)送失敗。圖4是發(fā)送字符幀的函數(shù)流程圖。

　　3.6卡命令處理函數(shù)

　　在ISO7816標(biāo)準(zhǔn)中定義了多種終端與卡的信息交互命令，包括管理卡和文件的命令、數(shù)據(jù)單元處理命令、記錄處理命令、數(shù)據(jù)對象處理命令、安全處理命令、傳輸處理命令、用于結(jié)構(gòu)化卡查詢語言的處理命令和在多應(yīng)用環(huán)境中的應(yīng)用管理命令。當(dāng)然，在實際應(yīng)用中并不要求所有的卡都支持全部的命令。

　　所有命令均是由終端應(yīng)用層（TAL）通過傳輸層（TTL）向IC卡發(fā)出命令，TTL首先把命令頭的5 B傳送給IC卡，并等待著一個過程字節(jié)返回，之后再根據(jù)返回的過程字節(jié)作進(jìn)一步的處理［2］。

　　圖5是卡命令處理函數(shù)的流程圖［7］，按此圖編寫的函數(shù)可處理所有終端與卡交互命令。

4接口測試

　　圖6卡式燃?xì)獗砜刂破魇褂媚骋蝗細(xì)獗眄椖康腃PU卡，對按照本文接口方案開發(fā)的卡式燃?xì)獗砜刂破鳎ㄈ鐖D6所示）進(jìn)行測試，分別測試了上電復(fù)位函數(shù)、卡命令處理函數(shù)和下電關(guān)閉函數(shù)。測試結(jié)果表明接口的設(shè)計符合ISO7816的要求。

　?。?）上電復(fù)位測試

　　把CPU卡插入卡座，控制器MCU執(zhí)行cpu_reset()函數(shù)，接收到從CPU卡返回的應(yīng)答數(shù)據(jù)：3B 6D 00 00 57 44 29 46 40 86 93 00 07 E2 07 45 2C。該數(shù)據(jù)符合ISO78163的復(fù)位應(yīng)答要求，上電復(fù)位函數(shù)測試成功。

　?。?）選擇應(yīng)用目錄命令測試

　　MCU執(zhí)行cpu_protocol()函數(shù)，給CPU卡發(fā)送命令：00 A4 00 00 02 DF 01；CPU卡返回應(yīng)答數(shù)據(jù)：6F 10 84 0E 31 50 41 59 2E 53 59 53 2E 44 44 46 30 32 90 00。

　　應(yīng)答數(shù)據(jù)的最后2 B為狀態(tài)字節(jié)SW1和SW2，其中90 00表示執(zhí)行命令成功。

　?。?）讀取用戶卡號命令測試

　　MCU執(zhí)行cpu_protocol()函數(shù)，給CPU卡發(fā)送命令：00 B0 8A 0C 08；CPU卡返回應(yīng)答數(shù)據(jù)：07 55 00 01 26 70 17 06 90 00。

　　應(yīng)答數(shù)據(jù)的前8 B為用戶卡的卡編號，后2 B狀態(tài)字節(jié)90 00表示執(zhí)行命令成功。

　　（4）下電關(guān)閉測試

　　在MCU執(zhí)行cpu_deactivation ()函數(shù)之后，使用萬用表檢測卡座的RST、Vcc和I/O觸點均為低電平，使用示波器檢測CLK觸點為沒有波型輸出，說明CPU卡已下電關(guān)閉成功。

5結(jié)論

　　本文是在具體的項目開發(fā)過程中，根據(jù)ISO7816系列標(biāo)準(zhǔn)，基于MCU通用I/O引腳實現(xiàn)了CPU卡讀寫接口的軟硬件低層驅(qū)動設(shè)計，此設(shè)計方案已在實際應(yīng)用中得到了驗證，效果良好。讀者稍加修改或不用修改便可以把本文的設(shè)計應(yīng)用到其他CPU卡系統(tǒng)項目中。

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