支持B類CPU卡的5 V接觸式讀寫器設(shè)計(jì)
接觸式集成電路（IC）卡國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC 7816）由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國(guó)際電子技術(shù)委員會(huì)(IEC)共同制定，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接觸式IC卡領(lǐng)域的物理特性、電信號(hào)和傳輸協(xié)議等各個(gè)方面進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)范。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，按照供給卡的電源電壓不同而將卡分為A、B兩類，即5 V電壓的A類卡和3 V電壓的B類卡[1]。傳統(tǒng)的接觸式IC卡讀寫器大多采用A類接口設(shè)備或B類接口設(shè)備，只能對(duì)單一的A類卡或B類卡進(jìn)行操作，而具有AB類接口設(shè)備的讀寫器卻應(yīng)用不多。隨著接觸式IC卡在日常生活中的廣泛應(yīng)用，具有AB類接口的讀寫器將有廣闊的市場(chǎng)。本文設(shè)計(jì)的讀寫器采用5 V的電源電壓供電，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)B類卡的全功能讀寫，該技術(shù)可以解決在5 V的系統(tǒng)中對(duì)A類卡和B類卡進(jìn)行同時(shí)讀寫的問(wèn)題。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文中的IC卡讀寫器采用ATMEL公司的高性能、低功耗的8位AVR微處理器ATMEGA32，電平轉(zhuǎn)換芯片采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（National Semiconductor）的LM1117-3.3，可以給卡座提供3.3 V的電源電壓。微處理器與卡座之間的接口轉(zhuǎn)換電路采用德州儀器公司(TI)的SN74TVC3010器件,該芯片可以對(duì)10路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完全可滿足讀寫器設(shè)計(jì)的需要。讀寫器硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，該讀寫器主要由3部分組成。
(1)電源。主要是為整個(gè)讀寫器提供穩(wěn)定的5 V和3 V的電源電壓。5 V電源通過(guò)USB口由上位機(jī)直接提供，可以作為讀寫器內(nèi)微處理器、蜂鳴器電路、光電指示電路的電源。5 V電源電壓通過(guò)LM1117-3.3芯片的轉(zhuǎn)換后可以得到穩(wěn)定的3.3 V的電平,為后續(xù)的SN74TVC3010接口電路、卡座提供電源電壓。具體的電路如圖2所示。
(2)數(shù)據(jù)交換。PC機(jī)與讀寫器的數(shù)據(jù)交換也即是與ATMEGA32單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，PC機(jī)通過(guò)上位機(jī)軟件向單片機(jī)發(fā)送命令以實(shí)現(xiàn)對(duì)卡片的讀寫操作。本讀卡器采用RS232串口與PC機(jī)進(jìn)行通信，由于接口電平的不同，在讀卡器內(nèi)部應(yīng)用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)了不同電平間的轉(zhuǎn)換[2]。
(3)讀寫器與CPU卡的通信。在讀卡器上有一個(gè)常閉型接觸卡座，這是讀寫器與CPU卡進(jìn)行通信的接口，通過(guò)符合ISO 7816標(biāo)準(zhǔn)要求的8個(gè)觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與CPU卡的連接[3]。
SN74TVC3010為一雙向電平轉(zhuǎn)換器件，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不需要方向控制信號(hào)。SN74TVC3010芯片包含由11個(gè)N 溝道導(dǎo)通晶體管組成的晶體管陣列，陣列中的所有晶體管都具有相同的電氣特性，它們的門在內(nèi)部連接在一起，因此，其中的任一個(gè)晶體管都可以作為參考晶體管，其他的作為導(dǎo)通晶體管，每個(gè)導(dǎo)通晶體管的低壓端上的最大正電壓限制為由參考晶體管設(shè)置的電壓。由于晶體管是對(duì)稱制造的，且I/O 信號(hào)是雙向經(jīng)過(guò)每個(gè)晶體管，所以每位的任一端口連線可用作低壓端[4]。
本文設(shè)計(jì)的讀寫器中參考晶體管的一端通過(guò)1個(gè)200 kΩ電阻接5 V電源，另一端接3.3 V電源，如圖3所示。當(dāng)數(shù)據(jù)從卡座向單片機(jī)傳輸時(shí)，電壓達(dá)到3.3 V，導(dǎo)通晶體管關(guān)閉，單片機(jī)管腳上的電平通過(guò)上拉電阻拉至5 V。當(dāng)數(shù)據(jù)從單片機(jī)向卡座傳輸時(shí)，卡座端的電壓被鉗位在3.3 V左右。這樣可準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與卡片之間的正常通信。
2 底層固件設(shè)計(jì)
本讀寫器固件編程采用C語(yǔ)言編寫，編程環(huán)境為IAR Embedded Workbench，仿真及下載底層固件在AVR Studio 4中完成。固件的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。
單片機(jī)通過(guò)RS232串口接收上位機(jī)發(fā)送的命令，主程序按照預(yù)先設(shè)計(jì)的通信協(xié)議格式對(duì)其解析之后，如果是正確的命令，則轉(zhuǎn)到相應(yīng)的命令處進(jìn)行執(zhí)行，否則向上位機(jī)返回錯(cuò)誤信息，并繼續(xù)接收新的命令。該固件程序可以實(shí)現(xiàn)讀寫器與上位機(jī)之間通信速率在9 600 b/s、19 200 b/s、38 400 b/s、57 600 b/s、76 800 b/s、115 200 b/s內(nèi)任意選擇。
本讀寫器可以對(duì)符合T=0、T=1協(xié)議的B類CPU卡進(jìn)行讀寫操作，也可以對(duì)其他的存儲(chǔ)卡、邏輯加密卡進(jìn)行程序擴(kuò)展。T=0的協(xié)議卡以單字節(jié)的字符為基本單位，T＝1的協(xié)議卡以有一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)分組為傳輸?shù)幕締挝?。程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)判斷復(fù)位應(yīng)答來(lái)獲得卡片的協(xié)議類型，再根據(jù)不同協(xié)議的要求執(zhí)行相應(yīng)的處理。如圖5所示為主程序執(zhí)行流程。
系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化，包括串口的初始化、系統(tǒng)聲光電路的指示設(shè)置等，如果發(fā)光二極管顯示正常，表明讀寫器已經(jīng)打開，可以正常工作。在卡片插入之后，常閉型接觸卡座的查詢卡片狀態(tài)管腳被彈開，電壓變?yōu)楦唠娖剑f(shuō)明卡片已到位，此時(shí)按照從串口接收的有效命令對(duì)卡進(jìn)行復(fù)位、密碼校驗(yàn)、讀寫數(shù)據(jù)等操作。
3 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
讀寫器的應(yīng)用軟件是讀寫器系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它主要實(shí)現(xiàn)對(duì)讀寫器參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的讀寫和顯示、IC卡狀態(tài)的判斷等，是操作讀寫器的最直觀接口[3]。
該應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)環(huán)境為Microsoft Visual C++ 6.0。在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了Visual C++提供的ActiveX控件MSComm來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的訪問(wèn)，該控件的使用不需要了解較為復(fù)雜的API函數(shù)就可以非常方便地進(jìn)行串口編程[6]。
該應(yīng)用軟件界面友好、使用非常方便，只需要把串口通信的串口號(hào)、通信速率設(shè)置好，就能成功對(duì)讀寫器進(jìn)行操作,其界面如圖6所示。設(shè)置好串口參數(shù)，輸入相應(yīng)的讀寫指令后，在OUTPUT框內(nèi)就可以看到讀寫器返回的結(jié)果。
該接觸式讀寫器經(jīng)檢測(cè)在Windows環(huán)境能夠?qū)類CPU卡進(jìn)行全功能讀寫，可以廣泛應(yīng)用于金融、醫(yī)療、保險(xiǎn)等行業(yè)。同時(shí)該讀寫器的讀寫速度沒(méi)有因應(yīng)用了電平轉(zhuǎn)換電路而受到明顯的影響，所以真正實(shí)現(xiàn)了在5 V的系統(tǒng)中對(duì)B類卡的讀寫，這對(duì)設(shè)計(jì)AB類接口設(shè)備具有指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
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[6] 李現(xiàn)勇.Visual C++串口通信技術(shù)與工程實(shí)踐（第二版）[M].北京：人民郵電出版社,2004.
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