基于MCU實現(xiàn)CPU卡讀寫驅動接口的設計

　　0 引言

　　當今，各類IC卡(如居民身份證、社?？ā⑺姎獬渲悼ǖ?已成為人們日常生活中不可缺少的一部分，并為人們的生活帶來了極大的便利。IC卡技術也已從最初的存儲卡、邏輯加密卡發(fā)展到今天的CPU卡。與之相應的是需要配備大量的IC卡智能終端設備。目前開發(fā)的IC卡智能終端設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，這使得產品的成本較高，體積也較大。本文提出一種基于設備產品的主控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。

　　1 CPU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、隨機存儲器RAM、程序存儲器ROM(Flash)以及片內操作系統(tǒng)(COS)。裝有COS的CPU卡相當于一臺微型計算機，不僅具有數據存儲功能，同時具有命令處理和數據安全保護等功能。按卡與外界數據傳送的形式來劃分，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說明。

　　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]：

　　(1)把IC卡插入終端接口設備，并接通各觸點;

　　(2)使IC卡復位并在終端和IC卡間建立通信;

　　(3)執(zhí)行交易;

　　(4)釋放觸點并取出IC卡。

　　1.3傳輸協(xié)議

　　根據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)議的應用最為廣泛，大多數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的參數字節(jié);Lc為發(fā)送數據長度, 可選字段，長度為0、1 B或3 B;Data為命令數據字段，可選字段，長度為0~N B;Le為接收數據長度，可選字段，長度為0、1 B、2 B或3 B，指出命令響應中預期的數據最大字節(jié)數;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卡的數據，或是等待從CPU卡響應的最大數據長度?！　f(xié)議響應的格式如下：

　　2其中Data為返回數據字段，可選字段,長度為0~N B;SW1、SW2為響應狀態(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TTL采取的措施實行后，它就等待著另一個過程字節(jié)。當情況為Ⅲ時，在收到第2個狀態(tài)字節(jié)SW2之后，TTL必須處理如下：

　　(1)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。

　　(2)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。

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

　　2 硬件接口設計

　　能對CPU卡進行讀寫操作的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。當然，開發(fā)一個項目，比如卡式水表或燃氣表，還需要考慮低功耗、LCD驅動、A/D轉換、內部存儲器和內部振蕩器等，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PIC16LF1946芯片[5]。該芯片內置高精度振蕩器，可選32 MHz、16 MHz(TYP)、8 MHz、4 MHz、2 MHz、1 MHz作為系統(tǒng)時鐘;內置16K×14 B的閃存程序存儲器，1 024 B的數據存儲器(RAM)，256 B數據EEPROM;自帶LCD驅動器，最多能驅動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/計數器等功能部件;超低功耗設計，已采用該芯片開發(fā)完成的卡式燃氣表，其平均電流小于8 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，同時具有身份識別功能，與外部卡片進行雙向身份認證。隨著終端安全的日益被重視，目前ESAM被廣泛應用于各種智能終端設備中，實現(xiàn)文件和密鑰的安全存儲、數字簽名、數據加密解密、雙向身份認證、內部分散密鑰、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、密鑰認證和數據存儲等功能。原理圖如圖2所示。

　　RG1和RG3端口分別連接CPU卡的數據IO和RST，RF6和RF5端口分別連接ESAM模塊的數據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，當有卡片插入卡座時，給卡座供電，同時輸出時鐘信號;當卡片拔出后應立即停止供電和關閉時鐘輸出。ESAM也一樣，其電源和時鐘在需要訪問時才打開，訪問結束后關閉。

　　3 軟件函數設計

　　實現(xiàn)整個接口驅動，可設計成6個函數來完成，應用層一般只需調用上電復位函數、卡命令處理函數和下電關閉函數。

　　void delayETU(x)：位持續(xù)時間延時函數;

　　void cpu_deactivation(void)：下電關閉函數;

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

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

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

　　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。

　　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，在數據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的值應在1~5 MHz之間[2]。當時鐘頻率f選擇4 MHz時，1 ETU=93 μs，這只是一個理論值，在實際應用中，受到編程語言及編譯器的影響會有小幅變化，需調測出最小值和最大值，選擇中間值使用。

　　3.2上電復位

　　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，開始進入對CPU的上電復位操作，步驟如下：

　　(1)給Vcc上電，延時20 μs左右等待Vcc穩(wěn)定;

　　(2)加上CLK時鐘信號;

　　(3)把I/O線置為接收方式;

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

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

　　3.3下電關閉

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

　　(1)置RST為低電平狀態(tài);

　　(2)在RST置為低電平之后，且Vcc置為低電平之前，將CLK關閉，I/O置為低電平;

　　(3)置Vcc為低電平去電。

　　3.4接收字符幀

　　每一個字符幀包含10個相連的數位：1位為低電平的起始位、8位數據字節(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，返回接收超時失敗;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位數據字節(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流程圖。

　　3.5發(fā)送字符幀

　　根據ISO7816標準的規(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位數據字節(jié)，最后發(fā)送偶校驗位。之后，I/O口轉為接收模式，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)送字符幀的函數流程圖。

　　3.6卡命令處理函數

　　在ISO7816標準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、數據單元處理命令、記錄處理命令、數據對象處理命令、安全處理命令、傳輸處理命令、用于結構化卡查詢語言的處理命令和在多應用環(huán)境中的應用管理命令。當然，在實際應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，之后再根據返回的過程字節(jié)作進一步的處理[2]。

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

　　4 接口測試

　　圖6卡式燃氣表控制器使用某一燃氣表項目的CPU卡，對按照本文接口方案開發(fā)的卡式燃氣表控制器(如圖6所示)進行測試，分別測試了上電復位函數、卡命令處理函數和下電關閉函數。測試結果表明接口的設計符合ISO7816的要求。

　　(1)上電復位測試

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

　　(2)選擇應用目錄命令測試

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

　　應答數據的最后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。

　　(3)讀取用戶卡號命令測試

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

　　應答數據的前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)下電關閉測試

　　在MCU執(zhí)行cpu_deactivation ()函數之后，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卡已下電關閉成功。

　　5 結論

　　本文是在具體的項目開發(fā)過程中，根據ISO7816系列標準，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動設計，此設計方案已在實際應用中得到了驗證，效果良好。讀者稍加修改或不用修改便可以把本文的設計應用到其他CPU卡系統(tǒng)項目中。

　　參考文獻

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