支持B類CPU卡的5 V接觸式讀寫器設計

秦?？?，劉旭儒，史儀凱

（1.西北工業(yè)大學 機電學院，陜西 西安 710072；2.航天信息股份有限公司，北京 100086）

自從1993年推出“金卡工程”以來，我國金融和流通領域逐漸進入了電子貨幣時代，各種接觸式IC卡讀寫器得到了廣泛應用。它將微電子技術和計算機技術結合在一起，提高了人們生活和工作的現(xiàn)代化程度。

接觸式集成電路（IC）卡國際標準（ISO/IEC 7816）由國際標準化組織(ISO)和國際電子技術委員會(IEC)共同制定，該標準對接觸式IC卡領域的物理特性、電信號和傳輸協(xié)議等各個方面進行了統(tǒng)一規(guī)范。根據(jù)該標準，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類接口設備或B類接口設備，只能對單一的A類卡或B類卡進行操作，而具有AB類接口設備的讀寫器卻應用不多。隨著接觸式IC卡在日常生活中的廣泛應用，具有AB類接口的讀寫器將有廣闊的市場。本文設計的讀寫器采用5 V的電源電壓供電，可以實現(xiàn)對B類卡的全功能讀寫，該技術可以解決在5 V的系統(tǒng)中對A類卡和B類卡進行同時讀寫的問題。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1 系統(tǒng)硬件設計

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，電平轉換芯片采用美國國家半導體公司 （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換電路采用德州儀器公司(TI)的SN74TVC3010器件,該芯片可以對10路信號同時進行轉換，完全可滿足讀寫器設計的需要。讀寫器硬件電路結構如圖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USB口由上位機直接提供，可以作為讀寫器內微處理器、蜂鳴器電路、光電指示電路的電源。5 V電源電壓通過LM1117-3.3芯片的轉換后可以得到穩(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機與讀寫器的數(shù)據(jù)交換也即是與ATMEGA32單片機之間的數(shù)據(jù)交換，PC機通過上位機軟件向單片機發(fā)送命令以實現(xiàn)對卡片的讀寫操作。本讀卡器采用RS232串口與PC機進行通信，由于接口電平的不同，在讀卡器內部應用MAX232芯片實現(xiàn)了不同電平間的轉換[2]。

(3)讀寫器與CPU卡的通信。在讀卡器上有一個常閉型接觸卡座，這是讀寫器與CPU卡進行通信的接口，通過符合ISO 7816標準要求的8個觸點實現(xiàn)與CPU卡的連接[3]。

SN74TVC3010為一雙向電平轉換器件，在轉換過程中不需要方向控制信號。SN74TVC3010芯片包含由11個N溝道導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，它們的門在內部連接在一起，因此，其中的任一個晶體管都可以作為參考晶體管，其他的作為導通晶體管，每個導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置的電壓。由于晶體管是對稱制造的，且I/O信號是雙向經過每個晶體管，所以每位的任一端口連線可用作低壓端[4]。

本文設計的讀寫器中參考晶體管的一端通過1個200 kΩ電阻接5 V電源，另一端接 3.3 V電源，如圖3所示。當數(shù)據(jù)從卡座向單片機傳輸時，電壓達到3.3 V，導通晶體管關閉，單片機管腳上的電平通過上拉電阻拉至5 V。當數(shù)據(jù)從單片機向卡座傳輸時，卡座端的電壓被鉗位在3.3 V左右。這樣可準確地實現(xiàn)單片機與卡片之間的正常通信。

2 底層固件設計

本讀寫器固件編程采用C語言編寫，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。固件的整體結構如圖4所示。

單片機通過RS232串口接收上位機發(fā)送的命令，主程序按照預先設計的通信協(xié)議格式對其解析之后，如果是正確的命令，則轉到相應的命令處進行執(zhí)行，否則向上位機返回錯誤信息，并繼續(xù)接收新的命令。該固件程序可以實現(xiàn)讀寫器與上位機之間通信速率在9 600 b/s、19 200 b/s、38 400 b/s、57 600 b/s、76 800 b/s、115 200 b/s內任意選擇。

圖4 底層固件結構圖

本讀寫器可以對符合T=0、T=1協(xié)議的B類CPU卡進行讀寫操作，也可以對其他的存儲卡、邏輯加密卡進行程序擴展。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)議卡以有一定長度的數(shù)據(jù)分組為傳輸?shù)幕締挝?。程序設計過程中，通過判斷復位應答來獲得卡片的協(xié)議類型，再根據(jù)不同協(xié)議的要求執(zhí)行相應的處理。如圖5所示為主程序執(zhí)行流程。

圖5 主程序流程圖

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)聲光電路的指示設置等，如果發(fā)光二極管顯示正常，表明讀寫器已經打開，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?，說明卡片已到位，此時按照從串口接收的有效命令對卡進行復位、密碼校驗、讀寫數(shù)據(jù)等操作。

3 應用軟件設計

讀寫器的應用軟件是讀寫器系統(tǒng)的一個重要組成部分，它主要實現(xiàn)對讀寫器參數(shù)的設置、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]。

該應用軟件的設計環(huán)境為Microsoft Visual C++6.0。在軟件設計過程中采用了Visual C++提供的ActiveX控件MSComm來實現(xiàn)對串口的訪問，該控件的使用不需要了解較為復雜的API函數(shù)就可以非常方便地進行串口編程[6]。

該應用軟件界面友好、使用非常方便，只需要把串口通信的串口號、通信速率設置好，就能成功對讀寫器進行操作,其界面如圖6所示。設置好串口參數(shù)，輸入相應的讀寫指令后，在OUTPUT框內就可以看到讀寫器返回的結果。

該接觸式讀寫器經檢測在Windows環(huán)境能夠對B類CPU卡進行全功能讀寫，可以廣泛應用于金融、醫(yī)療、保險等行業(yè)。同時該讀寫器的讀寫速度沒有因應用了電平轉換電路而受到明顯的影響，所以真正實現(xiàn)了在5 V的系統(tǒng)中對B類卡的讀寫，這對設計AB類接口設備具有指導意義。

[1]王愛英.智能卡技術-IC卡(第二版)[M].北京：清華大學出版社,2000.

[2]何英慧,張其善.接觸式智能卡讀寫器的研制[J].電子測量技術,2006,29(3):65-66.

[3]張國云.加密型IC卡與AT89C51單片機接口程序設計[J].電子與自動化,2000(5):32-34.

[4]Texas Instruments Incorporated.SN74TVC3010 10-bit voltage clamp datasheet,1999.

[5]李瀛,王欣,吳曉波,等.基于 USB接口的 lC卡讀寫器[J].東北大學學報,2004,25(11):1046-1049.

[6]李現(xiàn)勇.Visual C++串口通信技術與工程實踐（第二版）[M].北京：人民郵電出版社,2004.