IC卡接口芯片TDA8007的读写器设计

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IC卡接口芯片TDA8007的读写器设计

作者： 罗勇进 路林吉

2004-5-20

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

Table1

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、MCUATC52、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C52

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C52、C52与TDA8007的数据交换要求的暂存数据空间比较大

C52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