接觸式IC卡接口原理與不同實現方式對比

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：北京交通大學 李永清   人氣： 發表時間：2011年11月04日

摘要：詳細介紹接觸式IC卡讀寫原理；結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，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卡讀寫芯片進行了詳細的對比分析。

引 言

IC卡 (Integrated Circuit Card，集成電路卡)是繼磁卡之后出現的又一種新型信息工具。IC卡在有些國家和地區也稱智能卡(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標準的卡基中，做成卡片形式；已經十分廣泛地應用于包括金融、交通、社保等很多領域。

　　IC卡讀寫器是IC卡與應用系統間的橋梁，在ISO國際標準中稱之為接口設備IFD(Interface Device)。IFD內的CPU通過一個接口電路與IC卡相連并進行通信。IC卡接口電路是IC卡讀寫器中至關重要的部分，根據實際應用系統的不同，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卡接口技術原理

　　IC卡讀寫器要能讀寫符合ISO7816標準的IC卡。IC卡接口電路作為IC卡與IFD內的CPU進行通信的唯一通道，為保證通信和數據交換的安全與可靠，其產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，有很嚴格的時序要求。如果不能滿足相應的要求，IC卡就不能正常進行操作；嚴重時將損壞IC卡或IC卡讀寫器。

(1)激活過程
為啟動對卡的操作，接口電路應按圖1所示順序激活電路：
◇RST處于L狀態；
◇根據所選擇卡的類型，對VCC加電A類或B類，正常操作條件下VCC的電特性見表1；
◇VPP上升為空閑狀態；
◇接口電路的I/O應置于接收狀態；
◇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線路應在時鐘信號加于CLK的200個時鐘周期(ta)內被置于高阻狀態Z(ta 時間在t’a之后)。時鐘加于CLK后，保持RST為狀態L至少400周期(tb)使卡復位(tb在t’a之后)。在時間t’b，RST被置于狀態H。I/O上的應答應在RST上信號上升沿之后的400~40 000個時鐘周期(tc)內開始(tc在t’b之后)。

　　在RST處于狀態H的情況下，如果應答信號在40 000個時鐘周期內仍未開始，RST上的信號將返回到狀態L，且IC卡接口電路按照圖2所示對IC卡產生釋放。
　　　　
(2)釋放過程
當信息交換結束或失敗時(例如，無卡響應或卡被移出)，接口電路應按圖2所示時序釋放電路：
◇RST應置為狀態L；
◇CLK應置為狀態L(除非時鐘已在狀態L上停止)；
◇VPP應釋放(如果它已被激活)；
◇I/O應置為狀態A(在td時間內沒有具體定義)；
◇VCC應釋放。

1.2 通過觸點向卡提供穩定的電源

　　IC卡接口電路應能在表1規定的電壓范圍內，向IC卡提供相應穩定的電流。

1.3 通過觸點向卡提供穩定的時鐘

　　IC卡接口電路向卡提供時鐘信號。時鐘信號的實際頻率范圍在復位應答期間，應在以下范圍內：A類卡，時鐘應在1～5MHz；B類卡，時鐘應在1～4MHz。

　　復位后，由收到的ATR(復位應答)信號中的F(時鐘頻率變換因子)和D(比特率調整因子)來確定。

　　時鐘信號的工作周期應為穩定操作期間周期的40%～60%。當頻率從一個值轉換到另一個值時，應注意保證沒有比短周期的40%更短的脈沖。

2 幾種實現方式的對比與分析

　　IFD內的IC卡讀寫芯片，按其與IFD內的CPU的通信方式進行分類，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。這個系統可以同時對6片IC卡進行操作，其中每一個IC卡讀寫芯片都可以驅動2片IC卡。應用系統可以根據實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標準的T0和T1傳輸協議的IC卡。它采用并行的方式與IFD內的CPU通信；可以檢查到卡的插入與拔出，并自動產生激活與釋放時序。CTS56I01內部每個通道都有發送緩沖空、ATR超時、釋放檢測完成、TS沒有收到等10個獨立的中斷源，當CTS56I01內部的狀態發生變化時，可以產生中斷信號。系統通過P0口與CTS56I01的數據線相連，地址選擇用P2[2:0]，兩個中斷信號經過或門后接到89C51的INT0上。對IC卡的所有操作，只是對CTS56I01內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備與IC卡的通信開發而推出的一款IC卡讀寫芯片，硬件平臺采用ST7261單片機，內部掩膜有握奇公司對IC卡進行讀寫操作的全部程序；支持ISO/IEC 7816 T=0、T=1異步傳輸協議的各種智能卡，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。系統用P1.1和P1.2模擬一個串口與WatchCore進行通信。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生產的支持兩個獨立IC卡的讀寫芯片，IFD內的CPU采用I2C的方式向TDA8020發送命令和讀取狀態，通過TDA8020的I/OuC端口向IC卡發送和接收數據。它支持符合ISO/IEC7816-3 T=0、T=1標準的IC卡，也支持符合EMV3.1.1(Europay，MasterCard，VISA)標準的卡。與它Pin-to-Pin兼容的芯片還有ST公司生產的ST8020等。TDA8020有2個地址選擇引腳。本系統的地址引腳接地，兩個IC卡對應的地址分別為0x40和0x48。I2C的時鐘信號和數據信號分別由89C51的P1.3和P1.4進行模擬，IC卡的數據通道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計

2.2.1 通信方式為并行通信的CTS56I01

　　CST56I01只有3根地址線，內部卻有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；第二步就是從數據寄存器(DR)中讀出數據或寫入數據到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的軟件設計

　　WatchCore是不帶硬件的UART，其串行通信是用軟件實時仿真的。通信速度采用9600bps；通信字節格式為1位起始位，8位數據位，1位偶校驗位，2位停止位。TXD與RXD電氣信號是標準的CMOS電平，可直接與TTL的電路相連。以下是通信時的數據包格式。

(1)命令包
命令包是IC卡讀寫器內的CPU發往WatchCore的數據，其包格式如下：

NAD為卡頭選擇， NAD=0x00/0x12為主卡頭，NAD=0x13為從卡頭；
PCB與通信無關，CPU卡T=1時使用，PCB通常設置為0x00；
LEN為數據的字節長度(僅DATA段的字節數)；
DATA為發送WactchCore或IC卡內的命令(命令參考ISO7816-4的標準)；
BCC為異或校驗字節(BCC段前的4段所有字節的異或和)。

(2)數據包
數據包是WatchCore 收到命令包后返回的數據，其包格式如下：

NAD* 是WatchCore把命令包中NAD字節的高低4位互換后的返回。例如，命令包發送NAD=0x12，WatchCore則返回NAD*=0x21；
其它各段與命令包相同。
通信舉例(以下數據都用十六進制表示)
對主卡進行復位
發送命令包如下：
12 00 05 00 12 00 00 00 05
若主卡頭中無卡，則WatchCore返回：
21 00 02 62 00 41
若主卡頭有一張T=0的CPU卡，則可能返回：
21 00 11 3B 7A 18 00 00 21 08 11 12 13 14 15 16 17 18 90 00 D8

2.2.3 TDA8020的軟件設計

　　TDA8020與IFD內CPU的通信是用I2C總線方式進行的。通過I2C接口，IFD內的CPU可以向TDA8020發送命令或讀取TDA8020的狀態。TDA8020有兩個地址選擇引腳(SAD0和SAD1)。在圖3中，這兩個地址選擇引腳接地，對應兩個IC卡的I2C總線地址分別是40H和48H。如果系統中有別的I2C總線器件，可以按表2的方式進行尋址。
　　　　　　　　　
(1)向TDA8020寫入命令的格式
圖4為向TDA8020寫入命令的格式。按圖3所示，對卡1的地址和寫的字節為40H。
其中控制字節各位的含義如表3所列。



　　　　　　　　　　　
(2)讀TDA8020內部狀態的數據格式
從TDA8020讀出狀態的格式如圖5所示。按圖3所示，對卡1的地址和讀的字節為41H。
其中狀態字節中各位的含義如表5所列。



3 總 結

　　以上比較詳細地介紹了三種不同接口的IC卡讀寫芯片。這三種方式最大的區別在于其與IFD內的CPU的通信方式不一樣，并且也都符合ISO/IEC7816的標準。但是，這三個讀寫芯片有一些地方也存在一些差異。

　　TDA8020支持A類和B類卡，但是WatchCore和SNIPER II CST56I01只支持A類卡。(雖然SNIPER II CST56I01內部寄存器中有一位是卡類選擇，但卻只支持A類卡。)

　　TDA8020和SNIPER II CST56I01其ESD保護達6kV，但是WatchCore卻沒有ESD保護功能。

　　TDA8020對卡的電源可以直接支持，并有過流保護功能；但是WatchCore和SNIPER II CST56I01卻只有通過一個功放管來實現，并且沒有過流保護功能，只有外接保護電路(如加可復位保險絲)。

　　就其接口方式來說，I2C總線的TDA8020和串口的WatchCore雖然與IC卡讀寫器內的CPU的連接方便，但是一般CPU沒有多余的串口和I2C總線接口給這兩個芯片，一般要用通用I/O口來模擬串口和I2C總線接口才能進行通信。而SNIPER II CST56I01與IFD內的CPU的并行通信雖然連接線較多，但其相應的軟件就方便多了。

　　綜上所述，這三個IC卡讀寫芯片各有不同，在實現應用的過程中，只有根據不同的資源情況來選用不同的讀寫芯片。

　　　　　　　　　　　　　　　　　參考文獻
1 CTS56I01 Data Sheet REV1.0.2. 2002
2 TDA8020HL Data Sheet. 2002
3 WatchCore用戶手冊. 2002-05
4 陸永寧. IC卡應用系統. 南京：東南大學出版社, 2000
5 張毅剛, 等. MCS-51單片機應用設計. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社 , 1997