DSP與IC卡接口設計

文章出處：http://5052h112.com 作者：北京郵電大學 張彬   人氣： 發表時間：2011年11月02日

摘　要: 本文給出兩種IC卡(存儲卡和智能卡)結構、讀寫操作以及與DSP接口設計。
關鍵詞: IC卡；存儲卡；智能卡；DSP

圖1 AT24C16SC結構框圖

圖2 AT24C16SC時序圖

　　隨著社會信息化程度的提高，IC卡的使用越來越普遍。IC卡分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式IC卡分為存儲卡和智能卡(又叫作CPU卡)。本文討論了如何使用DSP的GPIO(通用輸入輸出)接口實現與IC卡的通信。

　　圖3 寫卡操作命令時序圖

　　圖4 讀卡操作命令時序圖

　　DSP和存儲卡接口
　　存儲卡只具有存儲功能，是一片串行的EEPROM。以AT24C16SC為例，支持3V和5V電源，存取速度可達100KHz(3V)和400KHz(5V)；容量為16Kbit，分為128頁面；雙向數據線(SDA)為OD(Open Drain)驅動，需加上拉電阻方可實施通信。該芯片可擦寫10萬次，內部數據可保持100年，具有3000V以上高壓保護。內部結構如圖1。
　　存儲卡訪問時序為I2C標準時序：在時鐘線(SCL)為低時通過SDA實施對芯片讀寫；當SCL為高時，SDA處于保持狀態(即數據有效期)。當SCL為高時，SDA的變化表示芯片處于不同狀態：
　　●　開始狀態：當SCL為高時，SDA由高變低表示一個開始狀態，任何操作前均需一個開始狀態。
　　●　停止狀態：當SCL為高時，SDA由低變高表示一個停止狀態，跟在每個操作后，將卡置于等待(Stand by)模式。
　　在讀寫時，地址和數據都是按照8bit的大小進行傳輸，接收的一方需要返回一個ACK信號表示確認，這個ACK信號用在第9bit的位置返回一個‘0’來表示。在讀卡操作時，DSP在收到8bit后，第9個clock時應向卡發送‘0’，表示收到了正確的數據同時要求卡繼續發送下一組8bit數據，如果沒有這個ACK信號，則卡就會中止當前讀操作返回等待模式。在寫卡操作時，卡收到DSP發送的地址和數據后也應返回一個ACK信號，表示收到了正確的命令。開始和停止狀態、確認信號時序圖如圖2。
　　一個讀寫操作的開始需要先發送一個Device Address字節，這個字節的高4bit是“1010”，接著3bit是卡的高位地址，比如AT24C16SC需要有11位地址(2K字節的大小)，高3bit地址就是這里來指示，最后1bit是讀寫控制bit，若為‘1’，則表示后面進行一個讀操作，若為‘0’，則表示后面進行一個寫操作。
　　寫卡操作分為字寫和頁寫。字寫時，當發送完Device Address字節(最后1bit為‘0’)后，發送一個Word Address字節(卡的低8位地址)，接著發送一個字節的數據，最后發送停止狀態。頁寫時，可連續發送16個字節數據后再發送停止狀態位。需要注意的是頁寫時，低4位地址是卡內部自增的，當到達頁末地址時會自動返回頁首地址，所以要正確發送停止狀態，否則繼續寫入的字節就會覆蓋原來的數據(命令時序圖見圖3)。
讀卡操作分為讀當前地址、讀任意地址和順序讀三種方式。以讀任意地址為例，在發送完Device Address字節(最后1bit為‘1’指明讀操作)后，發送Word Address字節，這一過程是要裝載要讀的地址，再發送一個Device Address字節(同樣最后1bit為‘1’指明讀操作)，便可從卡讀取一個連續8bit數據，最后發送停止狀態(而不是ACK信號)結束讀操作(命令時序圖見圖4)。
　　以上分析可見，DSP與存儲卡接口的關鍵就是如何產生SCL和SDA時序。將DSP的GPIO接口分別與存儲卡的SCL、SDA連接。需要注意的是，因為DSP的工作頻率很高，改變狀態之前需要插入等待周期。
寫卡的函數編程實例從略(基于C5409)。


圖5 智能卡的復位應答



圖6智能卡的訪問時序


　　DSP與智能卡接口
　　智能卡內部有CPU、ROM、RAM、EEPROM等資源，卡內駐有智能卡操作系統(COS)，實施對卡的管理和維護。因為卡內有CPU和RAM，可根據需要進行一些運算和數據加密，卡內EEPOM用于存放用戶資料(容量也較存儲卡大)。智能卡較存儲卡功能更強，更安全(數據都受到加密保護)，因而應用面更廣，價格也比存儲卡高。
　　智能卡的操作遵循ISO7816－3規范，通信時序類似于雙向RS－232通信協議。操作前需要對卡進行激活，激活的步驟為：VCC供電、RST為低、I/O設為輸入、提供CLK；之后對卡進行復位，復位分為冷復位和熱復位，兩者區別在于冷復位時RST由低變高，而熱復位時RST由高變低再變高。復位后，卡應發出復位應答；DSP接收到卡的復位應答后，便可向卡發送指令。取卡前需要進行“釋放”，步驟順序與激活相反：RST變低，CLK變低，VCC掉電。
　　卡的復位應答信息的組成如圖5。
　　TS：初始化字節，用來進行bit同步和指示后續通信的編碼方式，例如0x3f表示反碼編碼，0x3b表示正常編碼；
　　T0：格式字節，高4個bit用來指示是否傳輸TA1、TB1、TC1、TD1，低4個bit用來指示有多少個歷史字符；
　　TAi、TBi、TCi：接口字節，用來設置操作的一些參數，比如速率，保護時間，編程電壓等；
　　TDi：接口字節，高4bit用來指示是否傳輸TAi+1、TBi+1、TCi+1，低4個bit用來指示傳輸類型T。T＝0，字符半雙工模式；T＝1，塊半雙工模式，其他的T值保留。我們常用T＝0即字符模式；
　　T1_TK：歷史字符，由制卡商提供；
　　TCK：校驗位，是T0_TK所有字節的異或，T＝0時不傳此字節。
　　訪問卡的時序如圖6所示。
　　可以看出，1個字節幀由13位組成，包括1個起始位、8個數據位、1個校驗位、2個保護時間位。在外部提供時鐘方式(常用方式)下，圖6中每個位占的時間間隔(ETU)默認為外部時鐘周期的372倍。例如，外部時鐘為3.57MHz時，位的間隔是9600，相當于速率為9600。保護時間最長可以為外部時鐘周期的254倍。
　　DSP與智能卡的連接跟存儲卡不同，RST引腳用來對卡內CPU復位，可與DSP一個GPIO連接；智能卡的CLK為卡內CPU工作時鐘，速度高(1MHz~5MHz)，要求穩定，用DSP的GPIO產生這樣的時鐘不可能。通常使用DSP一個串口McBSP發送的時鐘CLKX作為智能卡的時鐘。與存儲卡相同，DSP的一個GPIO與智能卡I/O相連。I/O是雙向，需要正確設置DSP的GPIO方向，且有精確的速率要求的，即為CLK速率的1/372，可以采用DSP內部定時器產生。
　　讀卡函數編程實例從略(基于C5409)。■

參考文獻：
1． TMS320C54x DSP Reference Set：Enhanced Periherals，Texas Instruments，1999
2． TMS320C54x DSP Reference Set：CPU and Periherals，Texas Instruments，2001
3． AT24C16SC：2-Wire EEPROM Card Module，Atmel，2000