ic卡接口原理管理论文 -pa视讯

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摘要：详细介绍接触式ic卡读写原理；结合一个基于不同读写芯片、可以同时操作6片接触式ic卡的系统，对包括并行通信、半双工串行通信和i2c通信的几种不同接口形式的ic卡读写芯片进行了详细的对比分析。

关键词：iso/iec7816接口技术接触式ic卡并行通信半双工串行通信i2c总线通信

引言

ic卡(integratedcircuitcard，集成电路卡)是继磁卡之后出现的又一种新型信息工具。ic卡在有些国家和地区也称智能卡(smartcard)、智慧卡(intelligentcard)、微电路卡(microcircuitcard)或微芯片卡等。它是将一个微电子芯片嵌入符合iso7816标准的卡基中，做成卡片形式；已经十分广泛地应用于包括金融、交通、社保等很多领域。

ic卡读写器是ic卡与应用系统间的桥梁，在iso国际标准中称之为接口设备ifd(interfacedevice)。ifd内的cpu通过一个接口电路与ic卡相连并进行通信。ic卡接口电路是ic卡读写器中至关重要的部分，根据实际应用系统的不同，可选择并行通信、半双工串行通信和i2c通信等不同的ic卡读写芯片。

1接触式ic卡接口技术原理

ic卡读写器要能读写符合iso7816标准的ic卡。ic卡接口电路作为ic卡与ifd内的cpu进行通信的唯一通道，为保证通信和数据交换的安全与可靠，其产生的电信号必须满足下面的特定要求。

1.1完成ic卡插入与退出的识别操作

ic卡接口电路对ic卡插入与退出的识别，即卡的激活和释放，有很严格的时序要求。如果不能满足相应的要求，ic卡就不能正常进行操作；严重时将损坏ic卡或ic卡读写器。

(1)激活过程

为启动对卡的操作，接口电路应按图1所示顺序激活电路：

◇rst处于l状态；

◇根据所选择卡的类型，对vcc加电a类或b类，正常操作条件下vcc的电特性见表1；

表1正常操作条件vcc的电特性

符号最小值最大值条件

vvcc/v4.5

2.75.5

3.3a类

b类

icc/ma60500.5a类，在最大允许频率

b类，在最大允许频率时钟停止

◇vpp上升为空闲状态；

◇接口电路的i/o应置于接收状态；

◇向ic卡的clk提供时钟信号(a类卡1～5mhz，b类卡1～4mhz)。

图3

如图1所示，在t’a时间对ic卡的clk加时钟信号。i/o线路应在时钟信号加于clk的200个时钟周期(ta)内被置于高阻状态z(ta时间在t’a之后)。时钟加于clk后，保持rst为状态l至少400周期(tb)使卡复位(tb在t’a之后)。在时间t’b，rst被置于状态h。i/o上的应答应在rst上信号上升沿之后的400~40000个时钟周期(tc)内开始(tc在t’b之后)。

在rst处于状态h的情况下，如果应答信号在40000个时钟周期内仍未开始，rst上的信号将返回到状态l，且ic卡接口电路按照图2所示对ic卡产生释放。

(2)释放过程

当信息交换结束或失败时(例如，无卡响应或卡被移出)，接口电路应按图2所示时序释放电路：

◇rst应置为状态l；

◇clk应置为状态l(除非时钟已在状态l上停止)；

◇vpp应释放(如果它已被激活)；

◇i/o应置为状态a(在td时间内没有具体定义)；

◇vcc应释放。

图4

1.2通过触点向卡提供稳定的电源

ic卡接口电路应能在表1规定的电压范围内，向ic卡提供相应稳定的电流。

1.3通过触点向卡提供稳定的时钟

ic卡接口电路向卡提供时钟信号。时钟信号的实际频率范围在复位应答期间，应在以下范围内：a类卡，时钟应在1～5mhz；b类卡，时钟应在1～4mhz。

复位后，由收到的atr(复位应答)信号中的f(时钟频率变换因子)和d(比特率调整因子)来确定。

时钟信号的工作周期应为稳定操作期间周期的40%～60%。当频率从一个值转换到另一个值时，应注意保证没有比短周期的40%更短的脉冲。

2几种实现方式的对比与分析

ifd内的ic卡读写芯片，按其与ifd内的cpu的通信方式进行分类，有并行通信、半双工串行通信和i2c通信的读写芯片。图3是一个基于三种不同通信方式读写芯片的通用ic卡读写器的原理示意。这个系统可以同时对6片ic卡进行操作，其中每一个ic卡读写芯片都可以驱动2片ic卡。应用系统可以根据实际情况合理选用其中的一种或多种读写芯片。

2.1ic卡读写芯片的硬件对比分析

(1)通信方式为并行通信的cts56i01

cts56i01支持两个符合iso/iec7816-3标准的t0和t1传输协议的ic卡。它采用并行的方式与ifd内的cpu通信；可以检查到卡的插入与拔出，并自动产生激活与释放时序。cts56i01内部每个通道都有发送缓冲空、atr超时、释放检测完成、ts没有收到等10个独立的中断源，当cts56i01内部的状态发生变化时，可以产生中断信号。系统通过p0口与cts56i01的数据线相连，地址选择用p2[2:0]，两个中断信号经过或门后接到89c51的int0上。对ic卡的所有操作，只是对cts56i01内部寄存器的读写操作，方便可靠。cts56i01采用lqfp-32封装，仅占很小的空间。

(2)通信方式为半双工串行通信的watchcore

watchcore是握奇公司为了方便各种嵌入式设备与ic卡的通信开发而推出的一款ic卡读写芯片，硬件平台采用st7261单片机，内部掩膜有握奇公司对ic卡进行读写操作的全部程序；支持iso/iec7816t=0、t=1异步传输协议的各种智能卡，支持对memory卡操作，支持双卡头操作，与接口cpu采用半双工串行通信。系统用p1.1和p1.2模拟一个串口与watchcore进行通信。watchcore采用so-20装封，占pcb板很小的位置。

图5

(3)通信方式为i2c的tda8020

tda8020是philips生产的支持两个独立ic卡的读写芯片，ifd内的cpu采用i2c的方式向tda8020发送命令和读取状态，通过tda8020的i/ouc端口向ic卡发送和接收数据。它支持符合iso/iec7816-3t=0、t=1标准的ic卡，也支持符合emv3.1.1(europay，mastercard，visa)标准的卡。与它pin-to-pin兼容的芯片还有st公司生产的st8020等。tda8020有2个地址选择引脚。本系统的地址引脚接地，两个ic卡对应的地址分别为0x40和0x48。i2c的时钟信号和数据信号分别由89c51的p1.3和p1.4进行模拟，ic卡的数据通道i/ouc连89c51的p1.5和p1.6。tda8020也采用lqfp-32装封。

2.2ic卡读写芯片的软件设计

2.2.1通信方式为并行通信的cts56i01

cst56i01只有3根地址线，内部却有37个寄存器。其中有8个寄存器可以直接访问，另外的29个寄存器要通过索引地址寄存器(iar)来访问。其访问分为两步：第一步是将要间接访问的寄存器的地址写到iar寄存器中；第二步就是从数据寄存器(dr)中读出数据或写入数据到dr寄存器中，来完成对要间接访问的寄存器的访问。

下面的c51子程序是基于图3的写一个字节到要间接访问的寄存器中的子程序。

#definesn2_iarxbyte[0x0000]

#definesn2_drxbyte[0x0100]

voidwritebyteindexed(bytebindex,bytebdata){

p1.0=0;

sn2_iar=bindex;

sn2_dr=bdata;

}

2.2.2watchcore的软件设计

watchcore是不带硬件的uart，其串行通信是用软件实时仿真的。通信速度采用9600bps；通信字节格式为1位起始位，8位数据位，1位偶校验位，2位停止位。txd与rxd电气信号是标准的cmos电平，可直接与ttl的电路相连。以下是通信时的数据包格式。

(1)命令包

命令包是ic卡读写器内的cpu发往watchcore的数据，其包格式如下：

nad

pcb

len

data

bcc

nad为卡头选择，nad=0x00/0x12为主卡头，nad=0x13为从卡头；

pcb与通信无关，cpu卡t=1时使用，pcb通常设置为0x00；

len为数据的字节长度(仅data段的字节数)；

data为发送wactchcore或ic卡内的命令(命令参考iso7816-4的标准)；

bcc为异或校验字节(bcc段前的4段所有字节的异或和)。

(2)数据包

数据包是watchcore收到命令包后返回的数据，其包格式如下：

nad*是watchcore把命令包中nad字节的高低4位互换后的返回。例如，命令包发送nad=0x12，watchcore则返回nad*=0x21；

其它各段与命令包相同。

通信举例(以下数据都用十六进制表示)

对主卡进行复位

发送命令包如下：

120005001200000005

若主卡头中无卡，则watchcore返回：

210002620041

若主卡头有一张t=0的cpu卡，则可能返回：

2100113b7a180000210811121314151617189000d8

2.2.3tda8020的软件设计

tda8020与ifd内cpu的通信是用i2c总线方式进行的。通过i2c接口，ifd内的cpu可以向tda8020发送命令或读取tda8020的状态。tda8020有两个地址选择引脚(sad0和sad1)。在图3中，这两个地址选择引脚接地，对应两个ic卡的i2c总线地址分别是40h和48h。如果系统中有别的i2c总线器件，可以按表2的方式进行寻址。

表2tda8020的i2c地址选择表

sad1sad0card1card2

0040h48h

0142h4ah

1046h4ch

1148h4eh

(1)向tda8020写入命令的格式

图4为向tda8020写入命令的格式。按图3所示，对卡1的地址和写的字节为40h。

其中控制字节各位的含义如表3所列。

表3命令控制字节各位的含义

名称位说明

start和/stop0为1，产生一个冷复位的激活时序：为0，产生一个释放时序

warm1为1，产生一个热复位时序

3/5v2为1，设定卡的操作电压为3v；为0，设定卡的操作电压为5v

pdown3为1，设定卡为下电模式；为0，设定卡为正常工作模式

clkpd4为1，设定下电模式下clk停在高电平；为0，设定下电模式下clk停在低电平

clksel15两位设定卡在正常工作模式时的工作时钟频率见表4

clksel26

i/oen7i/o使能位。为1时，i/o与i/ouc相连；为0时，i/ouc是高阻状态

(2)读tda8020内部状态的数据格式

从tda8020读出状态的格式如图5所示。按图3所示，对卡1的地址和读的字节为41h。

其中状态字节中各位的含义如表5所列。

表4工作时钟频率选择方式

clksel2clksel1clockou

00clkin/8

00clkin/4

10clkin/2

11clkin

表5状态字节各位的含义

名称位说明

pres0卡的状态指示。为1时，检测到卡：为0时，没有检测到卡

presl1为1时，卡的状态还没有读；当为0时，卡的状态已读出

i/o2i/o为高时，这位为1；当i/o为低时，这位为0

supl3为1时，表示电源监控器已输出，上电后就为1，直到读出后为0

prot4为1时，表示过热或过载状态

mute5为1时表示卡在规定的时间内没有发出atr信号

early6为1时表示卡在规定的时间前就已经发出atr信号

active7为1时，卡处于激活状态；为0时，卡处于释放状态

3总结

以上比较详细地介绍了三种不同接口的ic卡读写芯片。这三种方式最大的区别在于其与ifd内的cpu的通信方式不一样，并且也都符合iso/iec7816的标准。但是，这三个读写芯片有一些地方也存在一些差异。

tda8020支持a类和b类卡，但是watchcore和sniperiicst56i01只支持a类卡。(虽然sniperiicst56i01内部寄存器中有一位是卡类选择，但却只支持a类卡。)

tda8020和sniperiicst56i01其esd保护达6kv，但是watchcore却没有esd保护功能。

tda8020对卡的电源可以直接支持，并有过流保护功能；但是watchcore和sniperiicst56i01却只有通过一个功放管来实现，并且没有过流保护功能，只有外接保护电路(如加可复位保险丝)。

就其接口方式来说，i2c总线的tda8020和串口的watchcore虽然与ic卡读写器内的cpu的连接方便，但是一般cpu没有多余的串口和i2c总线接口给这两个芯片，一般要用通用i/o口来模拟串口和i2c总线接口才能进行通信。而sniperiicst56i01与ifd内的cpu的并行通信虽然连接线较多，但其相应的软件就方便多了。

综上所述，这三个ic卡读写芯片各有不同，在实现应用的过程中，只有根据不同的资源情况来选用不同的读写芯片。