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接触式IC卡接口原理与不同实现方式对比
摘要：详细的介绍接触式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：详细的介绍接触式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。
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，结合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。
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，其产生的电信号一定要满足下面的特定要求。
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。若无法满足相应的要求，IC卡就异常做相关操作；严重时将损坏IC卡或IC卡读写器。
◇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；
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。
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：
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。
IFD内的IC卡读写芯片，按其与IFD内的CPU的通信方式来进行分类，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。这个系统能同时对6片IC卡做相关操作，其中每一个IC卡读写芯片都可以驱动2片IC卡。应用系统能根据实际情况合理选用其中的一种或多种读写芯片。
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；能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内部的状态发生明显的变化时，可以产生中断信号。系统通过P0口与CTS56I01的数据线]，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。
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。
CST56I01只有3根地址线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。
WatchCore是不带硬件的UART，其串行通信是用软件实时仿线bps；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。
命令包是IC卡读写器内的CPU发往WatchCore的数据，其包格式如下：
TDA8020与IFD内CPU的通信是用I2C总线C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H。如果系统中有别的I2C总线的方式来进行寻址。
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。
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。
以上比较详细地介绍了三种不同接口的IC卡读写芯片。这三种方式最大的不同之处在于其与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，并没过流保护功能，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。
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
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