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接触式IC卡接口原理与不同实现方式对比
作者：北京交通大学 李永清
来源：RFID世界网
日期：2005-05-19 10:18:28
摘要：详细介绍接触式IC卡读写原理；结合一个基于不同读写芯片、可以同时操作6片接触式IC卡的系统，对包括并行通信、半双工串行通信和I2C通信的几种不同接口形式的IC卡读写芯片进行了详细的对比分析。
摘要：详细介绍接触式IC卡读写原理；结合一个基于不同读写芯片、可以同时操作6片接触式IC卡的系统，对包括并行通信、半双工串行通信和I2C通信的几种不同接口形式的IC卡读写芯片进行了详细的对比分析。
引 言
IC卡 (Integrated Circuit Card，集成电路卡)是继磁卡之后出现的又一种新型信息工具。IC卡在有些国家和地区也称智能卡(smart card)、智慧卡(intelligent card)、微电路卡(microcircuit card)或微芯片卡等。它是将一个微电子芯片嵌入符合ISO 7816标准的卡基中，做成卡片形式；已经十分广泛地应用于包括金融、交通、社保等很多领域。
IC卡读写器是IC卡与应用系统间的桥梁，在ISO国际标准中称之为接口设备IFD(Interface Device)。IFD内的CPU通过一个接口电路与IC卡相连并进行通信。IC卡接口电路是IC卡读写器中至关重要的部分，根据实际应用系统的不同，可选择并行通信、半双工串行通信和I2C通信等不同的IC卡读写芯片。
1 接触式IC卡接口技术原理
IC卡读写器要能读写符合ISO7816标准的IC卡。IC卡接口电路作为IC卡与IFD内的CPU进行通信的唯一通道，为保证通信和数据交换的安全与可靠，其产生的电信号必须满足下面的特定要求。
1.1 完成IC卡插入与退出的识别操作
IC卡接口电路对IC卡插入与退出的识别，即卡的激活和释放，有很严格的时序要求。如果不能满足相应的要求，IC卡就不能正常进行操作；严重时将损坏IC卡或IC卡读写器。
(1)激活过程
为启动对卡的操作，接口电路应按图1所示顺序激活电路：
◇RST处于L状态；
◇根据所选择卡的类型，对VCC加电A类或B类，正常操作条件下VCC的电特性见表1；
◇VPP上升为空闲状态；
◇接口电路的I/O应置于接收状态；
◇向IC卡的CLK提供时钟信号(A类卡1～5MHz，B类卡1～4MHz)。
如图1所示，在t’a时间对IC卡的CLK加时钟信号。I/O线路应在时钟信号加于CLK的200个时钟周期(ta)内被置于高阻状态Z(ta 时间在t’a之后)。时钟加于CLK后，保持RST为状态L至少400周期(tb)使卡复位(tb在t’a之后)。在时间t’b，RST被置于状态H。I/O上的应答应在RST上信号上升沿之后的400~40 000个时钟周期(tc)内开始(tc在t’b之后)。
在RST处于状态H的情况下，如果应答信号在40 000个时钟周期内仍未开始，RST上的信号将返回到状态L，且IC卡接口电路按照图2所示对IC卡产生释放。
(2)释放过程
当信息交换结束或失败时(例如，无卡响应或卡被移出)，接口电路应按图2所示时序释放电路：
◇RST应置为状态L；
◇CLK应置为状态L(除非时钟已在状态L上停止)；
◇VPP应释放(如果它已被激活)；
◇I/O应置为状态A(在td时间内没有具体定义)；
◇VCC应释放。
1.2 通过触点向卡提供稳定的电源
IC卡接口电路应能在表1规定的电压范围内，向IC卡提供相应稳定的电流。
1.3 通过触点向卡提供稳定的时钟
IC卡接口电路向卡提供时钟信号。时钟信号的实际频率范围在复位应答期间，应在以下范围内：A类卡，时钟应在1～5MHz；B类卡，时钟应在1～4MHz。
复位后，由收到的ATR(复位应答)信号中的F(时钟频率变换因子)和D(比特率调整因子)来确定。
时钟信号的工作周期应为稳定操作期间周期的40%～60%。当频率从一个值转换到另一个值时，应注意保证没有比短周期的40%更短的脉冲。
2 几种实现方式的对比与分析
IFD内的IC卡读写芯片，按其与IFD内的CPU的通信方式进行分类，有并行通信、半双工串行通信和I2C通信的读写芯片。图3是一个基于三种不同通信方式读写芯片的通用IC卡读写器的原理示意。这个系统可以同时对6片IC卡进行操作，其中每一个IC卡读写芯片都可以驱动2片IC卡。应用系统可以根据实际情况合理选用其中的一种或多种读写芯片。
2.1 IC卡读写芯片的硬件对比分析
(1)通信方式为并行通信的CTS56I01
CTS56I01支持两个符合ISO/IEC7816-3标准的T0和T1传输协议的IC卡。它采用并行的方式与IFD内的CPU通信；可以检查到卡的插入与拔出，并自动产生激活与释放时序。CTS56I01内部每个通道都有发送缓冲空、ATR超时、释放检测完成、TS没有收到等10个独立的中断源，当CTS56I01内部的状态发生变化时，可以产生中断信号。系统通过P0口与CTS56I01的数据线相连，地址选择用P2[2:0]，两个中断信号经过或门后接到89C51的INT0上。对IC卡的所有操作，只是对CTS56I01内部寄存器的读写操作，方便可靠。CTS56I01采用LQFP-32封装，仅占很小的空间。
(2)通信方式为半双工串行通信的WatchCore
WatchCore是握奇公司为了方便各种嵌入式设备与IC卡的通信开发而推出的一款IC卡读写芯片，硬件平台采用ST7261单片机，内部掩膜有握奇公司对IC卡进行读写操作的全部程序；支持ISO/IEC 7816 T=0、T=1异步传输协议的各种智能卡，支持对Memory卡操作，支持双卡头操作，与接口CPU采用半双工串行通信。系统用P1.1和P1.2模拟一个串口与WatchCore进行通信。WatchCore采用SO-20装封，占PCB板很小的位置。
(3)通信方式为I2C的TDA8020
TDA8020是Philips生产的支持两个独立IC卡的读写芯片，IFD内的CPU采用I2C的方式向TDA8020发送命令和读取状态，通过TDA8020的I/OuC端口向IC卡发送和接收数据。它支持符合ISO/IEC7816-3 T=0、T=1标准的IC卡，也支持符合EMV3.1.1(Europay，MasterCard，VISA)标准的卡。与它Pin-to-Pin兼容的芯片还有ST公司生产的ST8020等。TDA8020有2个地址选择引脚。本系统的地址引脚接地，两个IC卡对应的地址分别为0x40和0x48。I2C的时钟信号和数据信号分别由89C51的P1.3和P1.4进行模拟，IC卡的数据通道I/OuC连89C51的P1.5和P1.6。TDA8020也采用LQFP-32装封。
2.2 IC卡读写芯片的软件设计
2.2.1 通信方式为并行通信的CTS56I01
CST56I01只有3根地址线，内部却有37个寄存器。其中有8个寄存器可以直接访问，另外的29个寄存器要通过索引地址寄存器(IAR)来访问。其访问分为两步：第一步是将要间接访问的寄存器的地址写到IAR寄存器中；第二步就是从数据寄存器(DR)中读出数据或写入数据到DR寄存器中，来完成对要间接访问的寄存器的访问。
下面的C51子程序是基于图3的写一个字节到要间接访问的寄存器中的子程序。
#define SN2_IAR XBYTE[0x0000]
#define SN2_DR XBYTE[0x0100]
void WriteByteIndexed(BYTE bIndex, BYTE bData) {
P1.0=0;
SN2_IAR = bIndex;
SN2_DR = bData;
}
2.2.2 WatchCore的软件设计
WatchCore是不带硬件的UART，其串行通信是用软件实时仿真的。通信速度采用9600bps；通信字节格式为1位起始位，8位数据位，1位偶校验位，2位停止位。TXD与RXD电气信号是标准的CMOS电平，可直接与TTL的电路相连。以下是通信时的数据包格式。
(1)命令包
命令包是IC卡读写器内的CPU发往WatchCore的数据，其包格式如下：
NAD为卡头选择， NAD=0x00/0x12为主卡头，NAD=0x13为从卡头；
PCB与通信无关，CPU卡T=1时使用，PCB通常设置为0x00；
LEN为数据的字节长度(仅DATA段的字节数)；
DATA为发送WactchCore或IC卡内的命令(命令参考ISO7816-4的标准)；
BCC为异或校验字节(BCC段前的4段所有字节的异或和)。
(2)数据包
数据包是WatchCore 收到命令包后返回的数据，其包格式如下：
NAD* 是WatchCore把命令包中NAD字节的高低4位互换后的返回。例如，命令包发送NAD=0x12，WatchCore则返回NAD*=0x21；
其它各段与命令包相同。
通信举例(以下数据都用十六进制表示)
对主卡进行复位
发送命令包如下：
12 00 05 00 12 00 00 00 05
若主卡头中无卡，则WatchCore返回：
21 00 02 62 00 41
若主卡头有一张T=0的CPU卡，则可能返回：
21 00 11 3B 7A 18 00 00 21 08 11 12 13 14 15 16 17 18 90 00 D8
2.2.3 TDA8020的软件设计
TDA8020与IFD内CPU的通信是用I2C总线方式进行的。通过I2C接口，IFD内的CPU可以向TDA8020发送命令或读取TDA8020的状态。TDA8020有两个地址选择引脚(SAD0和SAD1)。在图3中，这两个地址选择引脚接地，对应两个IC卡的I2C总线地址分别是40H和48H。如果系统中有别的I2C总线器件，可以按表2的方式进行寻址。
(1)向TDA8020写入命令的格式
图4为向TDA8020写入命令的格式。按图3所示，对卡1的地址和写的字节为40H。
其中控制字节各位的含义如表3所列。
(2)读TDA8020内部状态的数据格式
从TDA8020读出状态的格式如图5所示。按图3所示，对卡1的地址和读的字节为41H。
其中状态字节中各位的含义如表5所列。
3 总 结
以上比较详细地介绍了三种不同接口的IC卡读写芯片。这三种方式最大的区别在于其与IFD内的CPU的通信方式不一样，并且也都符合ISO/IEC7816的标准。但是，这三个读写芯片有一些地方也存在一些差异。
TDA8020支持A类和B类卡，但是WatchCore和SNIPER II CST56I01只支持A类卡。(虽然SNIPER II CST56I01内部寄存器中有一位是卡类选择，但却只支持A类卡。)
TDA8020和SNIPER II CST56I01其ESD保护达6kV，但是WatchCore却没有ESD保护功能。
TDA8020对卡的电源可以直接支持，并有过流保护功能；但是WatchCore和SNIPER II CST56I01却只有通过一个功放管来实现，并且没有过流保护功能，只有外接保护电路(如加可复位保险丝)。
就其接口方式来说，I2C总线的TDA8020和串口的WatchCore虽然与IC卡读写器内的CPU的连接方便，但是一般CPU没有多余的串口和I2C总线接口给这两个芯片，一般要用通用I/O口来模拟串口和I2C总线接口才能进行通信。而SNIPER II CST56I01与IFD内的CPU的并行通信虽然连接线较多，但其相应的软件就方便多了。
综上所述，这三个IC卡读写芯片各有不同，在实现应用的过程中，只有根据不同的资源情况来选用不同的读写芯片。
参考文献
1 CTS56I01 Data Sheet REV1.0.2. 2002
2 TDA8020HL Data Sheet. 2002
3 WatchCore用户手册. 2002-05
4 陆永宁. IC卡应用系统. 南京：东南大学出版社, 2000
5 张毅刚, 等. MCS-51单片机应用设计. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社 , 1997
引 言
IC卡 (Integrated Circuit Card，集成电路卡)是继磁卡之后出现的又一种新型信息工具。IC卡在有些国家和地区也称智能卡(smart card)、智慧卡(intelligent card)、微电路卡(microcircuit card)或微芯片卡等。它是将一个微电子芯片嵌入符合ISO 7816标准的卡基中，做成卡片形式；已经十分广泛地应用于包括金融、交通、社保等很多领域。
IC卡读写器是IC卡与应用系统间的桥梁，在ISO国际标准中称之为接口设备IFD(Interface Device)。IFD内的CPU通过一个接口电路与IC卡相连并进行通信。IC卡接口电路是IC卡读写器中至关重要的部分，根据实际应用系统的不同，可选择并行通信、半双工串行通信和I2C通信等不同的IC卡读写芯片。
1 接触式IC卡接口技术原理
IC卡读写器要能读写符合ISO7816标准的IC卡。IC卡接口电路作为IC卡与IFD内的CPU进行通信的唯一通道，为保证通信和数据交换的安全与可靠，其产生的电信号必须满足下面的特定要求。
1.1 完成IC卡插入与退出的识别操作
IC卡接口电路对IC卡插入与退出的识别，即卡的激活和释放，有很严格的时序要求。如果不能满足相应的要求，IC卡就不能正常进行操作；严重时将损坏IC卡或IC卡读写器。
(1)激活过程
为启动对卡的操作，接口电路应按图1所示顺序激活电路：
◇RST处于L状态；
◇根据所选择卡的类型，对VCC加电A类或B类，正常操作条件下VCC的电特性见表1；
◇VPP上升为空闲状态；
◇接口电路的I/O应置于接收状态；
◇向IC卡的CLK提供时钟信号(A类卡1～5MHz，B类卡1～4MHz)。
如图1所示，在t’a时间对IC卡的CLK加时钟信号。I/O线路应在时钟信号加于CLK的200个时钟周期(ta)内被置于高阻状态Z(ta 时间在t’a之后)。时钟加于CLK后，保持RST为状态L至少400周期(tb)使卡复位(tb在t’a之后)。在时间t’b，RST被置于状态H。I/O上的应答应在RST上信号上升沿之后的400~40 000个时钟周期(tc)内开始(tc在t’b之后)。
在RST处于状态H的情况下，如果应答信号在40 000个时钟周期内仍未开始，RST上的信号将返回到状态L，且IC卡接口电路按照图2所示对IC卡产生释放。
(2)释放过程
当信息交换结束或失败时(例如，无卡响应或卡被移出)，接口电路应按图2所示时序释放电路：
◇RST应置为状态L；
◇CLK应置为状态L(除非时钟已在状态L上停止)；
◇VPP应释放(如果它已被激活)；
◇I/O应置为状态A(在td时间内没有具体定义)；
◇VCC应释放。
1.2 通过触点向卡提供稳定的电源
IC卡接口电路应能在表1规定的电压范围内，向IC卡提供相应稳定的电流。
1.3 通过触点向卡提供稳定的时钟
IC卡接口电路向卡提供时钟信号。时钟信号的实际频率范围在复位应答期间，应在以下范围内：A类卡，时钟应在1～5MHz；B类卡，时钟应在1～4MHz。
复位后，由收到的ATR(复位应答)信号中的F(时钟频率变换因子)和D(比特率调整因子)来确定。
时钟信号的工作周期应为稳定操作期间周期的40%～60%。当频率从一个值转换到另一个值时，应注意保证没有比短周期的40%更短的脉冲。
2 几种实现方式的对比与分析
IFD内的IC卡读写芯片，按其与IFD内的CPU的通信方式进行分类，有并行通信、半双工串行通信和I2C通信的读写芯片。图3是一个基于三种不同通信方式读写芯片的通用IC卡读写器的原理示意。这个系统可以同时对6片IC卡进行操作，其中每一个IC卡读写芯片都可以驱动2片IC卡。应用系统可以根据实际情况合理选用其中的一种或多种读写芯片。
2.1 IC卡读写芯片的硬件对比分析
(1)通信方式为并行通信的CTS56I01
CTS56I01支持两个符合ISO/IEC7816-3标准的T0和T1传输协议的IC卡。它采用并行的方式与IFD内的CPU通信；可以检查到卡的插入与拔出，并自动产生激活与释放时序。CTS56I01内部每个通道都有发送缓冲空、ATR超时、释放检测完成、TS没有收到等10个独立的中断源，当CTS56I01内部的状态发生变化时，可以产生中断信号。系统通过P0口与CTS56I01的数据线相连，地址选择用P2[2:0]，两个中断信号经过或门后接到89C51的INT0上。对IC卡的所有操作，只是对CTS56I01内部寄存器的读写操作，方便可靠。CTS56I01采用LQFP-32封装，仅占很小的空间。
(2)通信方式为半双工串行通信的WatchCore
WatchCore是握奇公司为了方便各种嵌入式设备与IC卡的通信开发而推出的一款IC卡读写芯片，硬件平台采用ST7261单片机，内部掩膜有握奇公司对IC卡进行读写操作的全部程序；支持ISO/IEC 7816 T=0、T=1异步传输协议的各种智能卡，支持对Memory卡操作，支持双卡头操作，与接口CPU采用半双工串行通信。系统用P1.1和P1.2模拟一个串口与WatchCore进行通信。WatchCore采用SO-20装封，占PCB板很小的位置。
(3)通信方式为I2C的TDA8020
TDA8020是Philips生产的支持两个独立IC卡的读写芯片，IFD内的CPU采用I2C的方式向TDA8020发送命令和读取状态，通过TDA8020的I/OuC端口向IC卡发送和接收数据。它支持符合ISO/IEC7816-3 T=0、T=1标准的IC卡，也支持符合EMV3.1.1(Europay，MasterCard，VISA)标准的卡。与它Pin-to-Pin兼容的芯片还有ST公司生产的ST8020等。TDA8020有2个地址选择引脚。本系统的地址引脚接地，两个IC卡对应的地址分别为0x40和0x48。I2C的时钟信号和数据信号分别由89C51的P1.3和P1.4进行模拟，IC卡的数据通道I/OuC连89C51的P1.5和P1.6。TDA8020也采用LQFP-32装封。
2.2 IC卡读写芯片的软件设计
2.2.1 通信方式为并行通信的CTS56I01
CST56I01只有3根地址线，内部却有37个寄存器。其中有8个寄存器可以直接访问，另外的29个寄存器要通过索引地址寄存器(IAR)来访问。其访问分为两步：第一步是将要间接访问的寄存器的地址写到IAR寄存器中；第二步就是从数据寄存器(DR)中读出数据或写入数据到DR寄存器中，来完成对要间接访问的寄存器的访问。
下面的C51子程序是基于图3的写一个字节到要间接访问的寄存器中的子程序。
#define SN2_IAR XBYTE[0x0000]
#define SN2_DR XBYTE[0x0100]
void WriteByteIndexed(BYTE bIndex, BYTE bData) {
P1.0=0;
SN2_IAR = bIndex;
SN2_DR = bData;
}
2.2.2 WatchCore的软件设计
WatchCore是不带硬件的UART，其串行通信是用软件实时仿真的。通信速度采用9600bps；通信字节格式为1位起始位，8位数据位，1位偶校验位，2位停止位。TXD与RXD电气信号是标准的CMOS电平，可直接与TTL的电路相连。以下是通信时的数据包格式。
(1)命令包
命令包是IC卡读写器内的CPU发往WatchCore的数据，其包格式如下：
NAD为卡头选择， NAD=0x00/0x12为主卡头，NAD=0x13为从卡头；
PCB与通信无关，CPU卡T=1时使用，PCB通常设置为0x00；
LEN为数据的字节长度(仅DATA段的字节数)；
DATA为发送WactchCore或IC卡内的命令(命令参考ISO7816-4的标准)；
BCC为异或校验字节(BCC段前的4段所有字节的异或和)。
(2)数据包
数据包是WatchCore 收到命令包后返回的数据，其包格式如下：
NAD* 是WatchCore把命令包中NAD字节的高低4位互换后的返回。例如，命令包发送NAD=0x12，WatchCore则返回NAD*=0x21；
其它各段与命令包相同。
通信举例(以下数据都用十六进制表示)
对主卡进行复位
发送命令包如下：
12 00 05 00 12 00 00 00 05
若主卡头中无卡，则WatchCore返回：
21 00 02 62 00 41
若主卡头有一张T=0的CPU卡，则可能返回：
21 00 11 3B 7A 18 00 00 21 08 11 12 13 14 15 16 17 18 90 00 D8
2.2.3 TDA8020的软件设计
TDA8020与IFD内CPU的通信是用I2C总线方式进行的。通过I2C接口，IFD内的CPU可以向TDA8020发送命令或读取TDA8020的状态。TDA8020有两个地址选择引脚(SAD0和SAD1)。在图3中，这两个地址选择引脚接地，对应两个IC卡的I2C总线地址分别是40H和48H。如果系统中有别的I2C总线器件，可以按表2的方式进行寻址。
(1)向TDA8020写入命令的格式
图4为向TDA8020写入命令的格式。按图3所示，对卡1的地址和写的字节为40H。
其中控制字节各位的含义如表3所列。
(2)读TDA8020内部状态的数据格式
从TDA8020读出状态的格式如图5所示。按图3所示，对卡1的地址和读的字节为41H。
其中状态字节中各位的含义如表5所列。
3 总 结
以上比较详细地介绍了三种不同接口的IC卡读写芯片。这三种方式最大的区别在于其与IFD内的CPU的通信方式不一样，并且也都符合ISO/IEC7816的标准。但是，这三个读写芯片有一些地方也存在一些差异。
TDA8020支持A类和B类卡，但是WatchCore和SNIPER II CST56I01只支持A类卡。(虽然SNIPER II CST56I01内部寄存器中有一位是卡类选择，但却只支持A类卡。)
TDA8020和SNIPER II CST56I01其ESD保护达6kV，但是WatchCore却没有ESD保护功能。
TDA8020对卡的电源可以直接支持，并有过流保护功能；但是WatchCore和SNIPER II CST56I01却只有通过一个功放管来实现，并且没有过流保护功能，只有外接保护电路(如加可复位保险丝)。
就其接口方式来说，I2C总线的TDA8020和串口的WatchCore虽然与IC卡读写器内的CPU的连接方便，但是一般CPU没有多余的串口和I2C总线接口给这两个芯片，一般要用通用I/O口来模拟串口和I2C总线接口才能进行通信。而SNIPER II CST56I01与IFD内的CPU的并行通信虽然连接线较多，但其相应的软件就方便多了。
综上所述，这三个IC卡读写芯片各有不同，在实现应用的过程中，只有根据不同的资源情况来选用不同的读写芯片。
参考文献
1 CTS56I01 Data Sheet REV1.0.2. 2002
2 TDA8020HL Data Sheet. 2002
3 WatchCore用户手册. 2002-05
4 陆永宁. IC卡应用系统. 南京：东南大学出版社, 2000
5 张毅刚, 等. MCS-51单片机应用设计. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社 , 1997
