智能卡支付终端设计实例

文章出处：http://www.nexussmartsolutions.com 作者： 人气： 发表时间：2011年12月12日

    本应用笔记介绍了一个基于DS8007多协议双智能卡接口芯片和DS5002安全微控制器的智能卡支付交易系统。该系统可实现基本的智能卡存款、取款交易以及卡的初始化功能。虽然系统没有进行任何与“实际”支付交易系统有关的安全测试，但这里演示的功能对于此类系统极具代表性。

    演示中使用的硬件是DS8007评估(EV)板。该评估套件提供了一个方便的、经过验证的平台，用于测试基于DS8007器件的智能卡操作。评估板包括：作为主处理器的DS5002安全微控制器、一个2行20字符的液晶显示(LCD)模块、两个智能卡插槽(分别为信用卡尺寸和SIM尺寸)。此外还提供一个DB-9连接器，用于通过RS-232串行接口传输信号。使用本公司的微控制器工具包(MTK)软件(下载)，用户可将PC与RS-232口连接下载程序或数据文件，也可以与应用系统通信。评估板还包括512k x8的电池备份SRAM，用于存储程序和数据信息。DS5002安全处理器为电池备份的SRAM提供电源检测和控制电路。

    开发该应用系统使用的软件工具集是Keil公司的PK51专业开发工具套件，包括μVision3集成开发环境(IDE)和CX51 ANSI C编译器。PK51包提供汇编器、连接器、仿真器和调试器的完整开发环境。它生成的十六进制文件可使用MTK软件直接从PC下载到DS8007评估板。

    应用实例

    本应用笔记提供的交易功能可看作是应用笔记4036：利用DS8007评估套件进行设计中描述的低层功能之上的附加层。

    本交易实例可执行和正确管理应用协议数据单元(APDU)的发送和接收。APDU由ACOS3智能卡EMV规范定义。通过生成和发送适当的APDU并处理其可能的响应，可演示典型的支付交易操作。

    用于本应用系统的C语言源代码可提供下载，文件名为AN4120_SW.zip。前面提到的应用笔记4036中的代码是这些交易实例的核心，它提供DS8007的所有基本接口/驱动函数和所有直接的低层智能卡接口函数。AN4036中的代码也在相同的网址提供下载，文件名为AN4036_SW.zip。

    交易实例详述

    为创建一组有代表性的交易功能，本实例实现了三种主要的智能卡操作：
    * 取款交易，即扣除信用卡余额
    * 存款交易，即增加信用卡余额
    * 信用卡初始化交易，将信用卡余额和交易次数设定为初始值

    卡中初始金额为$100.00，初始交易次数在初始化交易过程中被设定为1。为简化实例，每次存款、取款交易都固定在信用卡余额中增加或扣除$10.00。

    为了提供一个合理的演示，首先要考虑的是如何利用DS8007评估板上的资源建立一个用户接口。由于设计目标之一是无需借助其它设备就能单机运行，因此评估板上的RS-232串口不能作为用户接口。最方便作为用户输入接口的硬件是开关SW4，当该开关按下时，会将处理器的端口引脚P3.2下拉至地电平。P3.2是一个多功能端口引脚，还可用作外部中断输入(INT0)。但是本应用实例软件中不使能该中断，因此，引脚P3.2通常由处理器的引脚驱动电路上拉到高电平，按下开关SW4时通过一个1kΩ电阻拉至低电平。应用系统可简单通过读取该引脚的电平检测开关是否闭合。

    板载LCD模块可作为用户接口的输出器件。DS8007评估板的LCD模块是一个2行20字符的显示器。它包含液晶驱动电路，并为处理器提供8位并行接口。通过向模块写入必要的控制和字符就可进行显示操作，由模块管理实际的LCD。

    用户完成一次输入，软件就以重复顺序在LCD上显示三种可能的交易类型供用户选择。按下开关SW4时，软件执行选中的交易。

    智能卡详述

    本应用实例中选用的智能卡是香港Advanced Card Systems Limited(ACS)公司生产的ACOS3卡。该卡内含嵌入式处理器，运行ACS智能卡操作系统版本3 (ACOS3)的操作系统，具有如下特性：
    * 16kB应用数据EEPROM存储器
    * 符合ISO 7816-1/2/3标准，T=0协议
    * 兼容数字加密标准(DES)、3DES和信息验证能力(MAC)
    * 5个安全码+发行密码
    * 卡持有者可更新PIN码
    * 密钥对相互验证
    * 会话密钥采用随机数字
    * 线性文件具有固定的记录长度
    * 帐户数据结构可实现安全支付应用系统
    * ACOS3性能的全部说明可在ACS网站上找到。对于本应用实例，没有使用智能卡的任何安全功能，只使用其文件结构和EEPROM存储空间。

    智能卡存储空间

    本交易实例中，选用的智能卡必须包含一定的非易失存储器空间，用于保存信息。仅有两个数值保存在卡中：记录成功处理的交易次数的"计数器"和虚拟帐户的"余额"。对于该计数器，选用1个字节的无符号数，它可表示0至255次交易数。对于余额，选用16位整数，可表示数值-32,768至+32,767。这种方式允许用户透支卡中的可用余额(即产生负的余额)。因此，本实例中总共需要3个字节的非易失存储器。

    ACOS3的文件结构

    制造ACOS3卡时，其16kB EEPROM存储器划分成内部数据存储区和用户数据存数区两部分。内部数据存储区保存配置数据，通常被操作系统用于管理特定的功能。用户数据存储区保存"实际"交易控制下正常使用智能卡的操作数据。在本实例代码中，只使用内部数据存储区，后续讨论中将重点关注内部数据存储区。

    不论是内部数据存储区还是用户数据存储区，访问ACOS3卡的存储器都要通过数据文件和数据记录进行。每个数据文件都由一定数量的数据记录组成，最多可达255个。不同数据文件的记录长度可以不同，但对于给定的数据文件其记录长度总是固定的。内部数据文件的文件结构(文件大小、记录长度等)由操作系统定义且不能更改，但对于用户数据存储区，可由卡发行人在进行个性化智能卡设置时确定其文件结构。为简单起见，只使用卡中已有的内部数据文件系统，不再生成一个专门的用户数据文件系统。

    所有文件都可通过ACOS3的读记录和写记录命令进行访问。这些命令发送到智能卡，而任何响应都会被应用笔记4036中提供的APDU函数接收。每个文件都由2字节的文件标识符来识别。对于所有内部数据文件，标识符的第一个字节固定为0xFF。表1列出了内部数据文件的文件名、文件标识符和记录结构。

    个性化文件ID=0xFF 0x02，包含三个记录共12字节，各记录的长度为4个字节。第一个记录包含智能卡中某些选项的配置信息，而第二和第三个记录则没有预先定义。因此，这两个记录被用于保存本应用实例中智能卡的交易次数和帐户余额。虽然单个记录具有足够的存储空间(4个字节)来保存交易次数和帐户余额所需的三个字节，但这两个数据还是存储在不同的记录中以便操作。这也使得增大这两个数据的值成为可能。交易次数存储在记录2的第一个字节，而帐户余额则存储在记录3的前两个字节，高字节在前(大端)。

    ACOS3命令结构

    ACOS3卡有13条基本命令，本应用实例中主要用到其中的三条命令。它们分别是文件选择、读记录和写记录命令。这三条命令都将在后面进行说明。ACOS3卡的所有命令都符合EMV规范描述的应用协议数据单元(APDU)的格式。APDU的一般格式包括如下几部分：
    * CLA命令类
    * INS指令代码
    * P1指令参数1
    * P2指令参数2
    * Lc(P3)命令数据域给出的字节数(可选)
    * 命令发送数据字节中的数据序列
    * Le应答中数据域所期望的数据字节最大长度(可选)

    文件选择命令

    文件选择命令可打开文件，从而读/写文件的记录。它是一个7字节命令，格式为：

    个性化文件是本应用中用到的唯一文件(见表1)，它的文件ID 0xFF 0x02为命令的最后两个字节。与所有ACOS3命令一样，执行成功后返回2字节状态信息，其数值为0x90 0x00。若返回任何其它数值则表明命令执行错误。在前面提到的ACS网站上，ACOS3参考手册中列出了所有可能的错误状态字节及其含义。

    读记录命令

    读记录命令可从当前所选文件的已识别记录中读取指定数量的字节。它是一个5字节命令，格式为：

    可以看出，该命令包含两个可变字节：一个字节指示记录号，另一个字节指示要从指定记录中读取的字节数(长度)。在本应用实例中，每次都读取个性化文件记录的全部四个字节，因此长度固定为0x04。若读记录命令执行成功，将返回6字节数据：记录中存储的4字节信息，2字节状态信息。若返回的状态字节数值不是0x90 0x00，则表明命令执行错误，应丢弃返回的数据。

    写记录命令

    写记录命令可向当前所选文件的指定记录写入数据。该命令的长度可以随着要写入的字节数变化。在本实例中，每次都写入4个字节，因此该命令具有如下所示的格式：

    可以看出，该命令总共包含6个可变字节；一个字节指示记录号(0至N-1)，另一个字节指示要写入的字节数(长度 = 0x04)，此外还有四个数据字节。若写记录命令执行成功，将返回两字节状态信息(执行成功时返回0x90 0x00)。

    装载可执行文件

    DS8007评估板出厂时已装有本智能卡交易实例的软件。若要验证是否安装了该软件，可以给评估板通电然后观察显示屏。如果显示屏上出现"在下面的大插槽中插入智能卡" (图1)，则表明已经加载了程序。如果没有显示这条信息，则可通过MTK软件将交易软件装载到板上的电池备份SRAM中。应用笔记4036 (参看上文)说明了如何装载应用程序。要装载的文件为Trans.hex，包含在AN4120_SW.zip中，可从上面提到的ftp网站下载。

    在安装完交易软件并断开引导加载程序之后，处理器就立即开始运行应用程序。如果评估板此时仍然连接至PC，则MTK屏幕上会显示应用程序的RS-232串行输出。这些信息可用于分析和调试，但可以忽略。用户应按照LCD模块上显示的指令进行操作。如果必要，可分析源代码以确定串行输出的含义。

    插入智能卡后，LCD上会短暂的显示智能卡的当前交易次数和帐户余额。然后，LCD上就开始循环显示交易选项 — 取款、存款和智能卡初始化，大约每两秒钟按顺序变化一次。当期望的交易选项出现时，按下SW4开关就可执行该项交易。这时LCD上会显示交易执行情况。之后显示交易完成信息，指示用户取下智能卡。此时，交易选项将循环显示，等待智能卡插入。

    结束语

    本应用笔记介绍一个基于DS8007多协议双智能卡接口芯片和DS5002安全微控制器的智能卡支付交易系统。系统中使用具有16kB EEPROM存储器的ACOS3智能卡，并利用它的读记录和写记录命令将信息存储到非易失存储器中。反馈信息通过板载的2行20字符LCD提供给用户。系统可实现存款、取款交易和智能卡初始化功能。提供源代码文件下载，可以此为基础开发真正的支付交易系统。