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接觸式IC卡接口原理與不同實現(xiàn)方式對比
摘要：詳細介紹接觸式IC卡讀寫原理；結(jié)合一個基于不同讀寫芯片、可以同時操作6片接觸式IC卡的系統(tǒng)，對包括并行通信、半雙工串行通信和I2C通信的幾種不同接口形式的IC卡讀寫芯片進行了詳細的對比分析。引 言
??IC卡 (Integrated Circuit Card，集成電路卡)是繼磁卡之后出現(xiàn)的又一種新型信息工具。IC卡在有些國家和地區(qū)也稱智能卡(smart card)、智慧卡(intelligent card)、微電路卡(microcircuit card)或微芯片卡等。它是將一個微電子芯片嵌入符合ISO 7816標(biāo)準的卡基中，做成卡片形式；已經(jīng)十分廣泛地應(yīng)用于包括金融、交通、社保等很多領(lǐng)域。
IC卡讀寫器是IC卡與應(yīng)用系統(tǒng)間的橋梁，在ISO國際標(biāo)準中稱之為接口設(shè)備IFD(Interface Device)。IFD內(nèi)的CPU通過一個接口電路與IC卡相連并進行通信。IC卡接口電路是IC卡讀寫器中至關(guān)重要的部分，根據(jù)實際應(yīng)用系統(tǒng)的不同，可選擇并行通信、半雙工串行通信和I2C通信等不同的IC卡讀寫芯片。
1 接觸式IC卡接口技術(shù)原理
IC卡讀寫器要能讀寫符合ISO7816標(biāo)準的IC卡。IC卡接口電路作為IC卡與IFD內(nèi)的CPU進行通信的唯一通道，為保證通信和數(shù)據(jù)交換的安全與可靠，其產(chǎn)生的電信號必須滿足下面的特定要求。
1.1 完成IC卡插入與退出的識別操作
IC卡接口電路對IC卡插入與退出的識別，即卡的激活和釋放，有很嚴格的時序要求。如果不能滿足相應(yīng)的要求，IC卡就不能正常進行操作；嚴重時將損壞IC卡或IC卡讀寫器。
(1)激活過程
為啟動對卡的操作，接口電路應(yīng)按圖1所示順序激活電路：
◇RST處于L狀態(tài)；
◇根據(jù)所選擇卡的類型，對VCC加電A類或B類，正常操作條件下VCC的電特性見表1；
表1 正常操作條件VCC的電特性
符 號 最小值 最大值條 件
Vvcc/V 4.52.7 5.5
3.3 A類
B類 Icc/mA 60500.5 A類，在最大允許頻率
B類，在最大允許頻率時鐘停止
◇VPP上升為空閑狀態(tài)；
◇接口電路的I/O應(yīng)置于接收狀態(tài)；
◇向IC卡的CLK提供時鐘信號(A類卡1～5MHz，B類卡1～4MHz)。
圖3
如圖1所示，在t’a時間對IC卡的CLK加時鐘信號。I/O線路應(yīng)在時鐘信號加于CLK的200個時鐘周期(ta)內(nèi)被置于高阻狀態(tài)Z(ta 時間在t’a之后)。時鐘加于CLK后，保持RST為狀態(tài)L至少400周期(tb)使卡復(fù)位(tb在t’a之后)。在時間t’b，RST被置于狀態(tài)H。I/O上的應(yīng)答應(yīng)在RST上信號上升沿之后的400~40 000個時鐘周期(tc)內(nèi)開始(tc在t’b之后)。
在RST處于狀態(tài)H的情況下，如果應(yīng)答信號在40 000個時鐘周期內(nèi)仍未開始，RST上的信號將返回到狀態(tài)L，且IC卡接口電路按照圖2所示對IC卡產(chǎn)生釋放。
(2)釋放過程
當(dāng)信息交換結(jié)束或失敗時(例如，無卡響應(yīng)或卡被移出)，接口電路應(yīng)按圖2所示時序釋放電路：
◇RST應(yīng)置為狀態(tài)L；
◇CLK應(yīng)置為狀態(tài)L(除非時鐘已在狀態(tài)L上停止)；
◇VPP應(yīng)釋放(如果它已被激活)；
◇I/O應(yīng)置為狀態(tài)A(在td時間內(nèi)沒有具體定義)；
◇VCC應(yīng)釋放。
圖4
1.2 通過觸點向卡提供穩(wěn)定的電源
IC卡接口電路應(yīng)能在表1規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，向IC卡提供相應(yīng)穩(wěn)定的電流。
1.3 通過觸點向卡提供穩(wěn)定的時鐘
IC卡接口電路向卡提供時鐘信號。時鐘信號的實際頻率范圍在復(fù)位應(yīng)答期間，應(yīng)在以下范圍內(nèi)：A類卡，時鐘應(yīng)在1～5MHz；B類卡，時鐘應(yīng)在1～4MHz。
復(fù)位后，由收到的ATR(復(fù)位應(yīng)答)信號中的F(時鐘頻率變換因子)和D(比特率調(diào)整因子)來確定。
時鐘信號的工作周期應(yīng)為穩(wěn)定操作期間周期的40%～60%。當(dāng)頻率從一個值轉(zhuǎn)換到另一個值時，應(yīng)注意保證沒有比短周期的40%更短的脈沖。
2 幾種實現(xiàn)方式的對比與分析
IFD內(nèi)的IC卡讀寫芯片，按其與IFD內(nèi)的CPU的通信方式進行分類，有并行通信、半雙工串行通信和I2C通信的讀寫芯片。圖3是一個基于三種不同通信方式讀寫芯片的通用IC卡讀寫器的原理示意。這個系統(tǒng)可以同時對6片IC卡進行操作，其中每一個IC卡讀寫芯片都可以驅(qū)動2片IC卡。應(yīng)用系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況合理選用其中的一種或多種讀寫芯片。
2.1 IC卡讀寫芯片的硬件對比分析
(1)通信方式為并行通信的CTS56I01
CTS56I01支持兩個符合ISO/IEC7816-3標(biāo)準的T0和T1傳輸協(xié)議的IC卡。它采用并行的方式與IFD內(nèi)的CPU通信；可以檢查到卡的插入與拔出，并自動產(chǎn)生激活與釋放時序。CTS56I01內(nèi)部每個通道都有發(fā)送緩沖空、ATR超時、釋放檢測完成、TS沒有收到等10個獨立的中斷源，當(dāng)CT
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