雙界面卡的發(fā)展研究及其技術(shù)構架
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：楊慶森、周曉方 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月15日
1.引言
1.1. 非接觸卡與接觸卡的介紹
如今，接觸式IC卡(下簡(jiǎn)稱(chēng)接觸卡)在人們的日常生活中得到了普遍的應用。在接觸卡的普及過(guò)程中，逐漸發(fā)現了許多的弊端：卡在讀寫(xiě)器上經(jīng)常拔插造成的磨損導致接觸不良，從而引起數據傳輸錯誤，并且卡與讀寫(xiě)器之間的磨損也大大縮短了卡和讀寫(xiě)器的使用壽命；另外，接觸卡的通訊速率較低，再加上插拔卡的動(dòng)作延誤，造成每一筆交易需要較長(cháng)時(shí)間的等待。
為了解決這些問(wèn)題，非接觸式IC卡(下簡(jiǎn)稱(chēng)非接觸卡)應運而生。非接觸卡的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的：它通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波與讀寫(xiě)設備進(jìn)行通訊，無(wú)裸露觸點(diǎn)，與讀寫(xiě)器間也無(wú)機械接觸，可靠性和使用壽命高；它的通訊速率高于接觸卡，在一定距離范圍內可以從任意方向與讀寫(xiě)設備通訊，從而使操作更為方便、快捷。因此，非接觸卡在很多場(chǎng)合已經(jīng)取代了接觸卡，在卡市場(chǎng)所占的份額越來(lái)越大。非接觸卡也存在缺陷：當卡片彎曲過(guò)度時(shí)，卡片容易因線(xiàn)圈焊點(diǎn)斷裂而失效；在一些場(chǎng)合的通訊容易受環(huán)境干擾而失??；加密方法較簡(jiǎn)單，安全性低于接觸卡等。
總的來(lái)說(shuō)，接觸卡和非接觸卡因使用環(huán)境不同各有利弊，因此在實(shí)際應用中都得到了廣泛的應用。相對來(lái)說(shuō)，在安全要求較高，操作速度要求不高的應用如銀行卡中通常使用接觸卡；而在安全要求較低，操作速度要求較高的應用如公共交通中，通常使用非接觸卡。
非接觸式IC卡與接觸式IC卡的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。
1.2. 非接觸卡應用發(fā)展
隨著(zhù)技術(shù)和應用的發(fā)展，非接觸式卡的應用越來(lái)越廣泛，功能也越來(lái)越強大。應用中出現了非接觸式IC卡和接觸式IC卡結合的雙接口IC卡，雙接口IC卡既具有非接觸卡的耐用性和方便性，又不失安全性。
越來(lái)越多的應用除了對非接觸卡的接口提出了要求，還對傳統非接觸卡的應用開(kāi)發(fā)提出了進(jìn)一步的要求。原來(lái)非接觸卡的指令比較簡(jiǎn)單，功能比較少。要完成一個(gè)復雜的操作如建立一個(gè)文件需要對非接觸卡的數據結構十分了解而且要編寫(xiě)許多條指令。特別的，非接觸卡中存放的許多資料是比較敏感，的如金額之類(lèi)，在對這些資料進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，如果發(fā)生意外使操作中斷，如何正確恢復資料是一個(gè)很頭痛的問(wèn)題，這需要很高軟件技巧。所有這些大大阻礙了非接觸卡的應用開(kāi)發(fā)。因此在非接觸卡集成入CPU，通過(guò)COS軟件來(lái)提供一個(gè)簡(jiǎn)單、強大的應用軟件開(kāi)發(fā)接口是一個(gè)很好的解決方法。
2.研究目標與內容
本文的研究目標是設計一個(gè)帶串行接觸接口和非接觸式接口的CPU卡芯片。我們稱(chēng)這個(gè)設計為雙界面卡。
本文研究的思路是怎樣合理的設計芯片架構，使CPU、操作系統軟件和外部界面接口無(wú)關(guān)，盡量利用原有設計資源完成芯片設計。
2.1 芯片架構
芯片主要由CPU系統、界面接口和存儲器三個(gè)主要部分組成。界面接口負責和外界進(jìn)行命令和資料的傳輸，本芯片提供了ISO/IEC 14443-A的非接觸接口和基于串行通迅的接觸接口。
CPU系統是兼容8051指令的高速微處理器、外設、RAM、ROM和EEPROM組成。
芯片的架構如圖1所示。
這個(gè)架構的基本思想是使智能卡的CPU系統與界面之間接口相對獨立。使界面接口形成應用的底層，操作系統軟件的應用處理不必關(guān)心接口的具體實(shí)現。這意味著(zhù)從應用軟件開(kāi)發(fā)的角度看到的資料是與應用正在使用何種具體接口是不相關(guān)的。接口可以隨著(zhù)應用的發(fā)展而改變，可以是接觸和非接觸的組合，甚至可以是藍牙、WLAN、IrD、并行接口等其他種類(lèi)的接口組合。
這種接口和CPU系統在遵循統一訪(fǎng)問(wèn)規范的基礎上可以任意組合的特點(diǎn)，提供了對用戶(hù)、芯片設計者和系統軟件設計者很大的好處：在引入新應用或開(kāi)發(fā)新系統時(shí)可任意選用已存在的成熟的基本模塊，以加快開(kāi)發(fā)的進(jìn)度，降低開(kāi)發(fā)的成本和風(fēng)險。
2.2 界面與CPU系統的接口
為了達到界面接口與軟件的獨立性，CPU系統與各種界面接口之間需要建立一個(gè)簡(jiǎn)單的標準接口。在本文設計中使用增加8051系列處理器的特殊功能寄存器(SFR)的方法作為訪(fǎng)問(wèn)CPU不同界面接口的標準。
非接觸界面的接收解調和發(fā)射調制電路是在原非接觸卡的設計中已有模塊，對原來(lái)的接收、發(fā)射寄存器組進(jìn)行SFR編址以及增加一些控制寄存器和邏輯電路就可以容易的在非接觸接口中設計出支持特殊功能寄存器(SFR)的接口。
接觸界面的接口就是一個(gè)支持特殊功能寄存器(SFR)的接口的串行(UART)模塊，與標準的UART不同的是，這個(gè)模塊的發(fā)送和接收是一個(gè)開(kāi)漏的雙向數據線(xiàn)，這意味著(zhù)接觸的串行接口只能以半雙工的方法進(jìn)行通訊。
在完成與外界的數據通訊后，用中斷請求信號來(lái)喚醒處于休眠模式的CPU。在本設計中，非接觸接口使用8051的外部中斷INT1，而接觸接口使用內部的串行中斷。
2.3 電源產(chǎn)生
在雙界面卡中一個(gè)困難的問(wèn)題是如何提供CPU系統一個(gè)可靠的系統時(shí)鐘和電源。因為兩個(gè)界面都會(huì )產(chǎn)生時(shí)鐘和電源，所以系統需要能正確相互切換，而不產(chǎn)生沖突。
本設計提出了一個(gè)簡(jiǎn)單可靠的方法來(lái)產(chǎn)生電源和時(shí)鐘。特別的，本文描述的方法還可以支持兩個(gè)界面同時(shí)工作。
上圖表示兩個(gè)接口電源的切換方法。電容C1是芯片的儲能電容，在非接觸供電和操作時(shí)，C1可以存儲電荷；在接觸操作使用外部電源時(shí)，C1可以穩定Vdd電壓。為了防止電流可能的倒流，這里使用二極管D1來(lái)保證電流的單向流動(dòng)。當然，D1存在會(huì )使Vdd與外部Ext_Vdd存在一個(gè)電壓差，解決方法是采用特殊的低閾值MOS管來(lái)代替普通的二極管。需要指出的是，來(lái)自非接觸界面的電壓產(chǎn)生電路是橋式整流結構，電流不會(huì )反向流動(dòng)，所以不需要串一個(gè)象D1那樣的二極管。
DC-DC模塊是為了在不同的電源電壓下，提供系統一個(gè)較低的、穩定的工作電壓。這有利于降低芯片的功耗和適應不同應用場(chǎng)合的電源電壓的要求。
2.4 復位信號產(chǎn)生
上圖是CPU復位信號的產(chǎn)生。上下電檢測模塊負責監視VDD的電壓，在上電過(guò)程或工作電壓過(guò)低時(shí)產(chǎn)生上下電復位信號；WDT模塊是看門(mén)狗電路（watch dog timer），當軟件長(cháng)時(shí)間不對WDT模塊進(jìn)行操作后，WDT會(huì )產(chǎn)生超時(shí)復位信號使CPU復位。CPU對WDT模塊進(jìn)行讀寫(xiě)也是通過(guò)SFR接口。
特別要指出的是，盡管接觸接口有復位信號的輸入腳，但不會(huì )因此產(chǎn)生CPU的復位。當接觸界面的復位信號有效時(shí)，接觸界面會(huì )設置復位標志位并產(chǎn)生中斷，由CPU來(lái)決定如何處理外部接口的復位請求。
2.5 系統時(shí)鐘產(chǎn)生
系統時(shí)鐘有非接觸界面和接觸界面的兩個(gè)來(lái)源，為了使系統可以工作在來(lái)自任意界面的時(shí)鐘下，而且可以同時(shí)和兩個(gè)界面正確通訊，這需要系統有隨時(shí)根據應用切換系統時(shí)鐘的能力。另外，為了盡可能的降低系統的功耗，還需要在CPU不需要工作時(shí)將系統時(shí)鐘關(guān)斷，在中斷產(chǎn)生后把時(shí)鐘恢復。
如上圖所示，芯片通過(guò)一個(gè)時(shí)鐘管理模塊來(lái)完成兩個(gè)界面時(shí)鐘clk1（3.39MHz）和clk2（典型頻率為3.58MHz）到系統時(shí)鐘clk的切換，并可由CPU來(lái)關(guān)斷clk來(lái)節省功耗。在中斷INT1和INT2發(fā)生時(shí)，時(shí)鐘管理模塊負責恢復系統時(shí)鐘。
從系統架構可以看出，在正常工作時(shí)的CPU和兩個(gè)界面的時(shí)鐘并不需要同步，這是因為由功能獨立的界面模塊負責各自通訊，通訊的時(shí)鐘可以獨自由界面產(chǎn)生，CPU做的只是通過(guò)特殊寄存器（SFR）接口訪(fǎng)問(wèn)這兩個(gè)界面模塊。因此在兩個(gè)界面同時(shí)在工作時(shí)，CPU的系統時(shí)鐘可以是clk1和clk2的任何一個(gè)。當兩個(gè)中斷都有效時(shí)，系統時(shí)鐘將從先申請中斷的那個(gè)界面的時(shí)鐘中恢復，并先處理這個(gè)界面的中斷。
上圖是時(shí)鐘管理模塊的電路圖。從CPU來(lái)的stop_clk會(huì )使clk關(guān)斷，而來(lái)自界面的中斷請求INT1、INT2或者來(lái)自定時(shí)器的中斷INT3會(huì )清除關(guān)斷信號，來(lái)由恢復時(shí)鐘選擇模塊來(lái)決定恢復那個(gè)時(shí)鐘。
圖中的clk_timer是給定時(shí)器的時(shí)鐘，clk_timer的輸出在與門(mén)之前是為了保證在系統時(shí)鐘關(guān)閉后，定時(shí)器仍有時(shí)鐘來(lái)計數。
3. 結束語(yǔ)
本文研究了非接觸IC卡和接觸式IC卡的應用，提出一個(gè)支持ISO/IEC 14443-A標準的非接觸卡接口和支持串行接口的雙界面CPU卡平臺的設計方案。應用本方案設計的雙界面CPU卡可以在兼容已有的非接觸卡、接觸式CPU卡的應用的基礎上，提供更強大的應用開(kāi)發(fā)接口并且能作為移動(dòng)設備近距離通訊的載體。
本文提出了一個(gè)新的雙界面卡的架構，這個(gè)架構的好處是：使CPU控制系統和具體的接口類(lèi)型相互獨立，使COS軟件的開(kāi)發(fā)更加容易；盡量利用IP復用技術(shù)，搭積木的設計方法來(lái)縮短芯片的設計周期。
作者簡(jiǎn)介：復旦大學(xué)微電子學(xué)系 楊慶森、周曉方
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