STM32單片機(jī)的PSAM卡驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

張國鵬，蔡鈞

（揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院，揚(yáng)州225127）

引 言

刷卡消費(fèi)隨著人們生活水平的提高已經(jīng)成為常用的支付方式之一。為了保證刷卡消費(fèi)的安全性，將PSAM卡內(nèi)嵌于各種終端刷卡設(shè)備中。PSAM（Purchase Secure Access Module，銷售點(diǎn)終端安全存取模塊），由IC卡發(fā)行主管部門或者應(yīng)用主管機(jī)構(gòu)發(fā)行，是可以用于對(duì)IC卡進(jìn)行脫機(jī)消費(fèi)交易認(rèn)證的安全認(rèn)證卡，主要應(yīng)用于商用POS、網(wǎng)點(diǎn)終端、直連終端等設(shè)備上，支持多級(jí)發(fā)卡機(jī)制，適用于多應(yīng)用的環(huán)境，符合識(shí)別卡、帶觸點(diǎn)的集成電路卡標(biāo)準(zhǔn)、ISO／IEC 7816－1／2／3／4以及《中國人民銀行PSAM卡規(guī)范》。

1 PSAM卡簡(jiǎn)介

PSAM卡是接觸式CPU卡的一種。CPU卡也稱智能卡，卡內(nèi)集成電路帶有微處理CPU，存儲(chǔ)單元（包括隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、電可擦除存儲(chǔ)器EEPROM、程序存儲(chǔ)器R0M）及芯片操作系統(tǒng)（Chip Operating System，COS）。裝有COS的CPU卡不僅具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，同時(shí)具有命令處理和數(shù)據(jù)安全保護(hù)等功能。CPU卡芯片相當(dāng)于芯片內(nèi)裝置了一個(gè)微處理器，其功能大致與一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)相同。在生活中，人們常使用的集成電路卡（IC卡）上的金屬片就是CPU芯片。由于CPU卡具有存儲(chǔ)空間大、處理能力強(qiáng)、信息存儲(chǔ)安全、支持一卡多用以及讀取速度快等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛用于金融、交警、保險(xiǎn)和政府行業(yè)等領(lǐng)域，并通過國家密碼委和中國人民銀行的認(rèn)證。

就外型而言，CPU卡與普通IC卡、射頻卡相比無明顯差別，但是使用性能、安全性卻有巨大提升，這主要源于CPU卡內(nèi)含有隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、3DES加碼算法、硬件DES和3DES加密算法等，配合操作系統(tǒng)就可以達(dá)到金融級(jí)別的安全等級(jí)［1]。減值密鑰一般存儲(chǔ)在PSAM卡中，通過PSAM卡對(duì)IC卡進(jìn)行減值操作，實(shí)現(xiàn)安全扣款。在非接觸邏輯加密卡的系統(tǒng)中，PSAM卡主要使用卡片認(rèn)證密鑰和各扇區(qū)的KEYA、KEYB密鑰來產(chǎn)生非接觸邏輯加密卡操作所需要的各扇區(qū)的KEYA和KEYB認(rèn)證碼，交易信息不直接參與運(yùn)算。而在非接觸CPU卡系統(tǒng)中，PSAM卡通常用來計(jì)算和校驗(yàn)消費(fèi)交易過程中出現(xiàn)的MAC碼，同時(shí)在計(jì)算的過程中，交易時(shí)間、交易金額、交易類型等交易信息也都參與運(yùn)算，使得交易更安全可靠。某些情況下，非接觸CPU卡系統(tǒng)中的PSAM卡還可以用來支持安全報(bào)文更新數(shù)據(jù)時(shí)MAC的計(jì)算，以及交易TAC的驗(yàn)證。

卡片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示［2]。

圖1 卡片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

其中CPU及加密邏輯保證EEPROM中數(shù)據(jù)的安全，使外界不能使用非法手段獲得EEPROM中的數(shù)據(jù)。RAM是在COS工作時(shí)存放命令參數(shù)、返回結(jié)果、安全狀態(tài)以及臨時(shí)工作密鑰的區(qū)域。ROM用于存放COS程序。EEPROM中存放用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)域，COS將用戶數(shù)據(jù)以文件的形式保存在EEPROM中，當(dāng)安全條件滿足規(guī)定時(shí)，可以讀／寫文件。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 PSAM卡電路設(shè)計(jì)

2.1.1 PSAM卡電源切換模塊

ISO7816協(xié)議里規(guī)定2種使用較多的PSAM卡的類別（A類、B類），A類需要提供5V電壓，B類需要提供3 V電壓，為了保證對(duì)于兩種類別卡的兼容性，要求設(shè)計(jì)的讀寫器，可以提供選擇5 V或者3V的電壓。于是本論文設(shè)計(jì)了如圖2所示的電源切換模塊。其工作原理是：PSAM＿POW為高時(shí)，P溝道的MOS管導(dǎo)通，提供5V電壓給PSAM＿VDD，PSAM＿POW為低時(shí)，P溝道的MOS管不導(dǎo)通，提供3.3V電壓，再經(jīng)過二極管的壓降，提供3V電壓。

圖2 PSAM卡電源切換模塊

2.1.2 PSAM卡復(fù)位信號(hào)

同樣考慮到PSAM卡的兩種類別，尤其是當(dāng)PSAM卡為A類的時(shí)候，主要考慮MCU的I／O口電壓是3.3 V，而PSAM卡需要的是5V，防止復(fù)位電平不夠，將PSAM＿RST1信號(hào)通過三極管與SAM＿RST1相連，以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。其中PSAM＿RST1與MCU相連，SAM＿RST1與PSAM卡相連。具體電路如圖3所示。

2.1.3 PSAM卡數(shù)據(jù)口電平轉(zhuǎn)換電路

為了保證MCU接收到的信號(hào)是3.3V，設(shè)計(jì)了PSAM卡數(shù)據(jù)口電平轉(zhuǎn)換電路，具體電路如圖4所示，當(dāng)PSAM卡是A類的時(shí)候，需要將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，這時(shí)在圖4電路中，只需要焊接上兩個(gè)三極管（Q1、Q2），不需要焊接電阻R，當(dāng)PSAM卡是B類的時(shí)候，只需要焊接上電阻R，不需要焊接兩個(gè)三極管（Q1、Q2）。

2.1.4 PSAM卡卡槽電路接口

PSAM卡卡槽電路接口如圖5所示。由于是低電平復(fù)位，在RST端口需要接上PSAM＿VDD信號(hào)，在正常工作的時(shí)候?qū)㈦娖嚼?。?shù)據(jù)腳（DATA）正常情況下也需要上拉，這是為了防止電平幅度不夠，尤其在5V的時(shí)候，通過電平切換的信號(hào)是3.3V，必須上拉到5V才行。

圖3 PSAM卡復(fù)位信號(hào)

圖4 PSAM卡數(shù)據(jù)口電平轉(zhuǎn)換電路

圖5 PSAM卡卡槽電路接口

2.2 主控模塊設(shè)計(jì)

圖6為主控模塊以及相關(guān)的外圍電路的原理圖。主控模塊選用的是STM32F103C8T6芯片。OSC32＿IN、OSC32＿OUT兩個(gè)引腳外接32.768kHz的低速外部晶振，可以用其驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC。OSC＿IN、OSC＿OUT兩個(gè)引腳外接8MHz晶振，通過設(shè)置STM32的相關(guān)寄存器經(jīng)過PLL倍頻之后產(chǎn)生72MHz的STM32系統(tǒng)時(shí)鐘（SYSCLK）。C1、C2作為晶體的匹配電容。為了使晶振更加容易啟振，在晶振旁邊并聯(lián)1MΩ電阻（R）。主控模塊低電平復(fù)位，電阻上接高電平，電容在下接地，中間位RST。具體工作原理是在上電時(shí)給電容充電，電容給RST一個(gè)短暫的低電平，此低電平隨著VCC給電容充電的過程中變高。

3 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于PSAM卡的軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)要符合ISO7816－4協(xié)議。應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU）可包含有命令報(bào)文或響應(yīng)報(bào)文，它從接口設(shè)備發(fā)送到卡，或者相反地由卡發(fā)送到接口設(shè)備。

APDU指令的格式如表1所列。

表1 APDU指令的格式

APDU指令的命令頭內(nèi)容如表2所列。

圖6 主控模塊以及相關(guān)的外圍電路的原理圖

表2 APDU指令的命令頭內(nèi)容

APDU指令響應(yīng)結(jié)構(gòu)如表3所列。

表3 響應(yīng)APDU結(jié)構(gòu)

APDU指令響應(yīng)內(nèi)容如表4所列。

表4 響應(yīng)APDU內(nèi)容

（1）主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（2）主要功能函數(shù)

①函數(shù)名：PSAM＿APDU＿Out

功能描述：讀取智能卡的數(shù)據(jù)。

參數(shù)：＊Data＿out，返回從智能卡中讀出的數(shù)據(jù)；PSAMConfig，智能卡的配置。

返回值：讀取數(shù)據(jù)成功標(biāo)志（0為失敗，1為成功）。

②函數(shù)名：PSAM＿APDU＿In

功能描述：向智能卡寫數(shù)據(jù)。

參數(shù)：＊Data＿in，向卡上寫入的數(shù)據(jù)；PSAMConfig，智能卡的配置。

返回值：寫入數(shù)據(jù)成功標(biāo)志（0為失敗，1為成功）。

③函數(shù)名：PSAM＿Send1Byte

功能描述：向智能卡發(fā)送1字節(jié)數(shù)據(jù)，并判斷接收方是否成功接收。如果沒有成功，則向收方發(fā)送兩次該數(shù)據(jù)。

參數(shù)：SendByte，待發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)。

返回值：SendStatus，數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功標(biāo)志（成功為0x01，失敗為0x00，超時(shí)為0xFF）。

④函數(shù)名：PSAM＿Send1Block

功能描述：向智能卡發(fā)送n個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

參數(shù)：＊SendPtr，待發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)指針；DataLen，傳送的字節(jié)數(shù)；ByteDir，字節(jié)方向。

返回值：SendStatus，數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功標(biāo)志（成功為0x01，失?。?x00）。

⑤函數(shù)名：PSAM＿Receive1Byte

功能描述：接收智能卡的1字節(jié)數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到奇偶出錯(cuò)時(shí)，可請(qǐng)求2次智能卡從發(fā)當(dāng)前字節(jié)數(shù)據(jù)。

參數(shù)：無。

返回值：DataBuf，其中高字節(jié)是數(shù)據(jù)接收是否成功標(biāo)志（成功為0x01，失敗為Parity error（0x55），timeout overflow（0xff））低字節(jié)是收到的有效字節(jié)數(shù)據(jù)。

⑥函數(shù)名：PSAM＿Reset

功能描述：對(duì)智能卡進(jìn)行復(fù)位操作，并等待智能卡的應(yīng)答，如果應(yīng)答成功則返回復(fù)位成功標(biāo)志，否則返回復(fù)位失敗標(biāo)志。

參數(shù)：＊uiATR，保存復(fù)位應(yīng)答信息的指針。

返回值：復(fù)位成功標(biāo)志（0x01為復(fù)位成功，0x00為復(fù)位失?。?/p>

4 模塊測(cè)試

通過串口調(diào)試助手對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，分析發(fā)送和返回的數(shù)據(jù)，判斷該模塊工作是否正常。圖7為發(fā)送對(duì)PSAM卡的復(fù)位操作的命令。圖8為發(fā)送對(duì)PSAM卡進(jìn)行透明數(shù)據(jù)流傳輸?shù)拿睢?/p>

圖7 PSAM卡復(fù)位

結(jié) 語

圖8 PSAM卡透明數(shù)據(jù)流傳輸

本文設(shè)計(jì)的PSAM卡驅(qū)動(dòng)模塊，根據(jù)上述軟件和硬件的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行的設(shè)計(jì)得到了實(shí)際的驗(yàn)證，取得了令人滿意的效果。無論是軟件的代碼還是硬件的電源轉(zhuǎn)換模塊都具有很好的可移植性，方便在不同的系統(tǒng)中應(yīng)用，并且提供了對(duì)外的接口函數(shù)，方便上層系統(tǒng)應(yīng)用工程師的調(diào)用。該模塊可以應(yīng)用到固網(wǎng)支付、POS終端等設(shè)備上。

［1] 白翠翠，夏春雷，戴曙光.非接觸式CPU卡讀卡器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J] .無線電通信技術(shù)，2012（5）.

［2] 北京握奇數(shù)據(jù)系統(tǒng)有限公司.TimeCOS／PBOC專用技術(shù)參考手冊(cè)，2002.