IC卡接口芯片TDA8007的读写器设计

文章出处：http://www.nexussmartsolutions.com 作者：罗勇进 路林吉   人气： 发表时间：2011年11月03日

摘要：
　　阐述T=0传输协议，给出IC卡读写器中使用的IC卡APDU指令流程和原理框图；重点介绍其中的IC卡接口芯片Philips的TDA8007，给出通过TDA8007对CPU IC卡上下电过程、具体程序及TDA8007使用中应注意的问题。
　　IC卡（Integrated Circuit card）即集成电路卡，是将一个集成电路芯片镶嵌于朔料基片中，封装成卡的形式，外形与常用的覆盖磁条的磁卡相似。IC卡芯片具有写入和存储数据的能力。IC卡存储器中的内容根据需要可以有条件地供外部读取，或供内部信息处理和判定。根据卡中所镶嵌的集成电路的不同，可以分成存储器卡、逻辑加密卡、CPU卡三类。其中CPU卡即为由中央处理器CPU、EEPROM、随机存储器RAM以及固化在只读存储器ROM中的片内操作系统COS（Chip Operation System）组成的IC卡。IC卡按与外界数据传送的形式来分，有接触式和非接触式两种。
图1 T=0的CPU卡APDU指令实现流程

　　1 CPU IC卡T=0的协议介绍　　
目前大多数CPU IC卡采用T=0模式。所谓T=0，即CPU IC卡与接口设备（即读写器）中数据传输方式为异步半双工字符传输模式。　　
　　从T=0协议的功能出发，该协议的实现可以分为物理层、数据链路层、终端传输层和应用层。其中物理层和数据链路层可以具体参看ISO7816标准。在T=0协议应用，终端传输层和应用层实际上是不易分割来说明的，下面简单说明。　　
　　终端传输层根据卡片返回的过程字符和状态字节执行相应的操作，使读写器对数据的处理过程明朗清晰。卡片返回的过程字节和状态字节跟应用层发送给卡的APDU（Application Protocol Data Unit，应用协议数据单元）和VPP使用等有关。表1为VPP未用时的终端传输层中返回的过程字节。
表1

应用层即为由CLA、INS、P1、P2、P3作为命令头组成的命令消息体的APDU响应和应答处理层。其中CLA为指令类别，INS为指令码，P1、P2为参数，P3为根据APDU的不同格式为发送给卡的数据长度或期望响应的数据长度。APDU的几种情况如表2所列。
表2

CPU卡对接口设备（即读写器）的应答APDU情况如表3所列。
表3　　

　　其中体中的数据字节数由命令APDU中的LE指出；SW1、SW2是必备的，可以指明命令APDU执行正确或执行出错的错误类型。　　
　　2 基于T=0传输协议的CPU IC的APDU指令流程　　
　　根据目前CPU卡的常用T=0协议、自带编程升压电路的应用情况，以及本读写器接收IC卡数据报文直接发送PC机处理的特点，本读写器可行的APDU命令和响应的处理流程如图1所示。　　
　　3 读写器的硬件组成　　
　　读写器的硬件部分主要由IC接口管理芯片TDA8007、MCUAT89C52、外部数据存储器W24257S、串口电平转换芯片MAX3226、安全IC卡座（即SAM卡座）、应用IC卡座、键盘口供电的串口通信线及其它相关元器件组成。　　
　　图2所示为通过PC机控制管理的外置于PC机的接触式CPU IC卡读写器。通过定制的数据线，该读写器的5V直流电源可直接由键盘口提供，同时数据线还负责PC机与读写器的串行数据交换。在大部分IC卡读写应用中，都涉及到IC卡的认证和数据读写的国解密问题，所以本读写器除了提供一个供用户使用的IC卡接口卡座外，还内置了一个SAM卡，即安全IC卡卡座，以方便安装SAM卡，保证应用IC卡读写时的数据安全，保护用户的利益。

　　硬件的其它组成部分，如处理器，目前采用Atmel的89C52。其4KB的Flash程序存储器可以满足读写器的程序空间需要。由于PC机与89C52、89C52与TDA8007的数据交换要求的暂存数据空间比较大，89C52提供的256字节不够，需外加一片数据存储器。本读写器中使用的是华邦的W24257S。其有32KB存储容量，IC接口部分的主要芯片为Philips的TDA8007。　　
　　4 IC卡接口芯片应用　　
　　下面介绍一下TDA8007及其应用。TDA8007的原理结构如图3所示。　　
　　TDA8007芯片能够提供两个能同时满足ISO7816标准及EMV和GSM11-11标准的IC卡读写接口。在本读写器中，一个用于与应用IC通信，另一个用于与安全IC卡通信。与上文CPU卡的触点图相对应，CLKi、RSTi、VCCi、I/Oi、GNDCi、PRESi、C4i、C8i（其中i=1,2；C4i、C8i未用；PRESi可用于检测IC卡是否插入。具体应用可参看TDA8007的技术文档）都直接由TDA8007提供给IC卡接口相连，MCU只需通过其接口控制并行通信来管理TDA8007，便可实现对IC卡的上电、下电及读写数据处理。其中，微处理器既可以通过总线复用把TDA8007内部的所有寄存器作为外部存储器，用MOVX寻址，也可以通过非总线复用方式访问，此时TDA8007用AD0～AD3来区分内部各寄存器。另外，TDA8007的片选信号和外部中断信号线可以方便读写器处理多个IC卡头。TDA8007的特别硬件ESD处理、接口短路处理、电源出错处理等也给IC卡和IC卡读写器提供了比较高的安全保护；同时，TDA8007内部集成的电源管理功能允许TDA8007的供电范围可达2.7～6.0V，并且TDA8007通过电源管理可以给IC卡提供5.0V、3.0V及1.8V的电源，以适合不同工作电压的IC卡应用。
图3 IC卡接口芯片TDA8007的原理框图

本读写器是通过总线复用对TDA8007的寄存器进行控制的。其中MCU的P1.5为TDA8007的片选，P0口为与之通信的8位数据线，TDA8007的各寄存器预先被宏定义的成微处理器的一个外部数据单元（下面电程序处的定义），从而方便MCU访问。下面结合TDA8007寄存器的定义和位分配，给出应用TDA8007接口芯片对IC卡进行上电激活和下电的程序。TDA8007的寄存器主要三类。第一类，通用寄存器：①卡槽选择CSR；②硬件状态HSR；③定时器TOR1、TOR2、TOR3。第二类，ISO7816串行处理寄存器：①串行状态USR；②混合状态MSR；③串行发送UTR；④串行接收URR；⑤队列控制FCR。第三类，卡专属寄存器：①可编程分频PDR；②保护时间GTR；③串行控制UCR1、UCR2；④时钟配置CCR；⑤上电控制PCR。注意：对于卡专属的寄存器，即卡接口1、卡接口2分别对应的寄存器，逻辑上具有相同的名及访问地址，因而，对不同的瞳操作，需要通过CSR选择对应的卡槽来切换卡专卡属寄存器的映射的物理空间。所以，接口设备每次从一个卡的上下电或读写转向另一卡，都需要访CSR设定对应的卡槽。对于每个寄存器的位定义不再多述，主动性者可参看TDA8007的技术文档。　　
　　5 上下电过程及具体程序　　
　　图4为IC卡的上电时序图。要实现之，需对PCR进行写操作。其中START=PCR.0，RSTIN=PCR.2，VUP上升表示激活了TDA8007中的电压转换电路。当START置高时，只要能检测到选定卡槽中的IC卡存在，且没有TDA8007能检测到并在HSR中指示的硬件错误出现，则对应IC卡接口的VCC1或VCC2将能被提供响应的电平（5V、3V或1.8V）。随后对应卡的I/O数据线被置成高状态（Z状态），给IC卡提供设定的时钟信号，常用为3.5712MHz。大约在START置高108ETU后，RSTIN置高。因为RST为RSTIN的拷贝，则对应卡的RST被置高。然后，用TDA8007提供的定时器TOR3、TOR2设定对ATR（Answer To Request）即复位应答首字节的最大等待时间120ETU（Element Time Unit），TOC设定定时器工作方式，便开始等待ATR首字节到来后做相应处理。至此，IC卡上电激活工作完成，随后可以根据ATR字节的要求的工作方式对IC卡进行相应的读写处理。具体见上电程序。
图4 TDA8007产生满足ISO 7816标准诉IC卡上电激活时序


TDA8007寄存器访问的预定义　　
　　#include　　
　　#define XXX XBYTE[0x8000]//XXX表示CSR等各寄存器上电程序如下：　　
　　P1.5=0; //片选TDA8007　　
　　CSR&=0xf8；　　
　　CSR|=ncard; //选择卡，ncard=1,2　　
　　CSR&=0xf7；　　
　　CSR|=0xf7;　　
　　CSR|=0x08; //复位UART的寄存器　　
　　UCR2&=0xf7； //异步模式，SAN=0　　
　　CCR&=0xdf； //时钟停止于低电平　　
　　UCR2|=0x60; //关闭附加中断及收发中断　　
　　GTR=0xff; //保持时间12ETU　　
　　If(v==1) //v为函数变量　　
　　PCR|=0x08; //1.8V卡用　　
　　else if(v==3)　　
　　PCR|=0x02; //3V卡用　　
　　Else　　
　　PCR&=0xfd; //5V卡用　　
　　UCR2&=0xfc; //CKU=PSC=0,--31　　
　　FCR=0x00; //1奇偶校验1FIFO　　
　　PDR=0x0c; //Divider=12　　
　　CCR=0x00; //不分频　　
　　PCR&=0xfb; //RSTIN=0　　
　　UCR2|=0x04; //不自动转换　　
　　UCR1=0x01; //正向约定　　
　　UCR1&=0xf7； //接收模式　　
　　flag3=0; //复位定时标志　　
　　flagatr=0; //接收ATR首字节定时标志　　
　　PCR|=0x01; //激活　　
　　TOR2=0x6c;　　
　　TOR3=0x00;　　
　　TOC=0x61; //RST拉高前等待108ETU　　
　　while(flag3==0)； //定时时间到，在中断中设置flag3=1　　
　　TOC=0x00； //关闭定时器　　
　　PCR|=0x04; //给复位拉高　　
　　TOR2=0x78;　　
　　TOR3=0x00;　　
　　TOC=0x61; //RST拉高前等待　　
　　flagatr=1;　　
　　ATR(); //复位应答处理函数　　
图5为IC卡的下电时序图。



相对于上电时序，下电过程对时间的要求不是很严格，只要设计者控制TDA8007按照一定的顺序置低START、RSTIN和停止CLK即可，然后TDA8007会自动逐步释放RST、I/O、Vcc及VUP。具体处理见下电程序。　　
　　下电程序：　　
　　P15=0；　　
　　PCR&=0xfe; //START=0；下电　　
　　PCR&=0xfb; //卡的复位脚保持0　　
　　CCR&=0xdf； //停止时钟于低　　
　　CCR|=0x10; //停止时钟　　
P15=1；


6 使用TDA8007应当注意的问题　　
　　TDA8007对于Vcc、RST出错，芯片过热（如图IC卡为电源短路卡或金属片），或IC卡插入拔出时都会产生中断输出。每次中断处理结束，应注意把HSR中的值读入一个临时地址，以便清楚HSR中的标志。　　
　　每次发送数据到IC前，即接收IC卡的最后一个数据之前，应设置寄存器UCR1中的LCT位，以便接收完IC卡的数据后，自动切换成发送状态。　　
　　对TDA8007部分布线时应注意，时钟信号线与其它线的隔离：最好被地线包围。　　
　　对于电路板上TDA8007部分的电容应尽量靠近TDA8007，其中电容Cap、Cbp、Cup尤其如此，并最好不要在这些电容连向TDA8007引脚过程中使用过孔；同时，Cap、Cup、Cbp电容的ESR要尽量小。　　
　　对TDA8007处理的两个IC卡座中的任何一个执行上电、下电、读写卡操作之前，必须执行选择卡座的操作函数，以便选中具体的IC卡进行处理。　　
　　对IC卡操作中上电时序中的定时，读写卡字节间等待定时等都可使用TDA8007中的定时器及定时控制器操作，注意其定时器为向下计数方式。　　
　　结语　　
　　本文主要从CPU IC卡的T=0的协议出发，介绍此类IC读写器设计的一些技术问题。值得指出的是，T=0协议仅仅是IC卡与外界数据交换的一种传输协议，只要在软件上适当修改并利用接口芯片TDA8007突出的处理能力，本读写器完全可以实现对其它ISO7816卡、EMV、GSM`11-11卡的读写。