一種智能卡讀寫(xiě)器的設計與實(shí)現

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：楊志峰 王志新   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月20日

1引言　　智能卡也稱(chēng)CPU卡，是一類(lèi)將處理器、存儲設備和一定規模的操作系統集成一體，具備較強 功能和較高安全性的IC卡。智能卡讀寫(xiě)器是智能卡應用過(guò)程中卡與用戶(hù)間的交互平臺，是能將數據信息“寫(xiě)入”卡和將卡內部的數據信息“讀出”的接口體系，是開(kāi)發(fā)智能卡相關(guān)產(chǎn) 品及系統集成所必備的前端處理設備。本文闡述了設計實(shí)現一種基于智能卡應用的IC卡 讀寫(xiě)器。此讀寫(xiě)器在智能卡應用的基礎上突出通用性，能夠對以智能卡為主的各類(lèi)IC卡 進(jìn)行操作。根據目前智能卡應用中的實(shí)際需求，讀寫(xiě)器主要具備以下基本功能：　　(1) 向IC卡提供穩定的電源和時(shí)鐘信號?！　?2) 實(shí)現讀寫(xiě)器與IC卡之間的數據交換，并提供控制信號?！　?3) 具有和外部用戶(hù)交換信息的接口，并提供相應的控制信號?！　?4) 有基本的加/解密安全體系?！　?5) 適用于對多種IC卡的操作?！　≡O備同時(shí)具有開(kāi)放性的軟、硬件接口，能夠與PC機等用戶(hù)平臺進(jìn)行連接，從而為后期用戶(hù)提 供良好的二次開(kāi)發(fā)方面的支持。 2硬件結構　　讀寫(xiě)器的硬件組成如圖1所示。包括電源、單片機系統、RS 232接口、IC卡讀寫(xiě)接口、多路 時(shí)鐘系統和復位電路等幾個(gè)主要部分。 　　單片機系統由89C52CPU、三態(tài)地址鎖存器和靜態(tài)存貯器組成。89C52的P0口與三態(tài)地址鎖存 器形成地址總線(xiàn)的低8位，即A0~A7，以及數據總線(xiàn)D0~D7；89C52的P2.0~P2.6形成地址 總線(xiàn)的高8位，即A8~A12。靜態(tài)存貯器用于保存讀寫(xiě)器運行過(guò)程中預設的一系列軟件指令。串行接口用于實(shí)現讀寫(xiě)器與用戶(hù)端設備，如PC機等之間的數據通信。在當前系統中采用了一片MAX232，其中的RXD、TXD做為數據的I/O通道接CPU串行口，完成讀寫(xiě)器CPU與外部間的數據交換。同時(shí)，外部用戶(hù)端還可通過(guò)串口的RTS信號對IC卡讀寫(xiě)器進(jìn)行軟件上的復位?！　⊥ㄓ玫闹悄芸ǘ酁楫惒叫虲PU卡，在其時(shí)鐘方面多需要不同的控制和發(fā)生體系。因此在讀寫(xiě) 器中設置有專(zhuān)門(mén)的時(shí)鐘電路和時(shí)鐘控制電路，主要由74LS253雙四選一電路及D觸發(fā)器等組成 。晶振提供的脈沖經(jīng)分頻產(chǎn)生時(shí)鐘信號分別送到四選一電路輸入端。另外2個(gè)輸入端分別接地和T0（89C52CPU的T0引腳）,T0信號通過(guò)軟件編程分頻后向IC卡提供時(shí)鐘信號，時(shí)鐘頻率、脈沖寬度可由具體編程決定。四選一電路的選擇控制端分別接P1.0和P1.1、P1.0和P1.1，分別對應于不同的頻率關(guān)系?！　≡谧x寫(xiě)器的硬件構成上，還提供有上/下電控制電路。這部分電路用于控制對卡的上電和下 電操作，也就是提供對卡的電源開(kāi)關(guān)控制。主要由89C52的P1.7、R3，R4和三極管Q2等組成開(kāi)關(guān)電路來(lái)控制對卡的上/下電。當需要給IC卡加電時(shí)，通過(guò)預先設定的程序使P17置“0”，使Q2導通，VCC通過(guò)Q2將CVCC送至IC卡；當I C卡下電時(shí)，置P1.7為“1”使Q2截止，從而禁止向IC卡供電。詳細電路如圖2所示。 　作為用戶(hù)與IC卡之間的交互平臺，讀寫(xiě)器需要分別建立與外部用戶(hù)和內部IC卡之間的數據通 信體系。讀寫(xiě)器中的IC卡接口即提供讀寫(xiě)器與IC卡間進(jìn)行數據交換的通道。根據目前通用的IC卡接口標準，與IC卡的接口基本上由8個(gè)信號組成：CLK時(shí)鐘、I/O數據、RST復位等，另外有3個(gè)NC信號供用戶(hù)自己定義。將他們分別與讀寫(xiě)器中CPU接口線(xiàn)相連，再由CPU通過(guò)預設的軟件指令控制和實(shí)現與IC卡間的數據交換，如圖3所示。 3讀寫(xiě)器的軟件體系　　用戶(hù)以何種方式和過(guò)程使用讀寫(xiě)器是讀寫(xiě)器開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵部分之一，其核心目標是在設備硬件體系的基礎上，開(kāi)發(fā)并提供一個(gè)使用戶(hù)能夠對硬件進(jìn)行直接操作的軟件層，這個(gè)軟件層部分包括的主要是一系列的應用協(xié)議和與其相配合的控制程序。在使用讀寫(xiě)器的過(guò)程中，PC機或其他外部用戶(hù)系統必須遵循或借助于這些協(xié)議，才能夠與讀寫(xiě)器內部的控制程序正確互動(dòng)和協(xié)調一致，以實(shí)現對設備有效的使用。依據實(shí)際的應用要求，該讀寫(xiě)器的軟件體系主要包含以下幾個(gè)組成部分。3.1對讀寫(xiě)器的啟動(dòng)　　用戶(hù)在開(kāi)始使用讀寫(xiě)器，也就是要求與讀寫(xiě)器進(jìn)行數據通信前，首先需對設備進(jìn)行復位，使其加電啟動(dòng)系統并進(jìn)入待機狀態(tài)?！　【唧w實(shí)施過(guò)程為PC機端首先通過(guò)已選擇好的串口，根據標準串口通信協(xié)議發(fā)送一個(gè)正脈沖至 讀寫(xiě)器端的RTS引腳。同時(shí)在讀寫(xiě)器中，為了使用戶(hù)(如PC機)能夠驗證設備的當前復位狀態(tài)，在讀寫(xiě)器被正確復位后，其上的控制系統會(huì )發(fā)送一個(gè)第一響應碼至用戶(hù)端，在用戶(hù)正確接收到后，需返回一個(gè)第二響應碼至讀寫(xiě)器，使讀寫(xiě)器端與用戶(hù)端能夠相互確認并建立起正確有效的通信體系。否則在用戶(hù)端需要繼續等待，讀寫(xiě)器在一定限時(shí)內會(huì )重發(fā)第一響應碼。但如果用戶(hù)端長(cháng)時(shí)間未能收到正確數據，此時(shí)重新進(jìn)行復位操作。3.2通信“握手”　　為保證數據通信過(guò)程的正確有效，使讀寫(xiě)器保持較好的通信質(zhì)量，在協(xié)議中規定對用戶(hù)設備 與讀寫(xiě)器間建立的通信信道的可靠性進(jìn)行實(shí)時(shí)的校驗。即在對讀寫(xiě)器進(jìn)行復位啟動(dòng)后，還需要在用戶(hù)端與讀寫(xiě)器間進(jìn)行一個(gè)稱(chēng)為通信“握手”的校驗程序，目的在于檢驗當前通信信道的工作狀態(tài)是否正常。其具體內容主要是對一組預定義的數據，在用戶(hù)端與讀寫(xiě)器之間進(jìn)行通信傳輸，通過(guò)驗證通信結果是否符合預設的數據內容，校驗當前通信信道是否正確可靠。通常為用戶(hù)發(fā)送第一響應碼至讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器正確接收到則返回第二響應碼至用戶(hù)端，而用戶(hù)端若正確接收到第二響應碼則繼續下一步工作，否則等待讀寫(xiě)器端重發(fā)數據。但如果在限時(shí)內未收到正確的第二響應碼數據則確認為當前通信出現異常，并提示系統報告當前錯誤情況。3.3指令格式　　讀寫(xiě)器的用戶(hù)在與讀寫(xiě)器進(jìn)行數據通信時(shí)，根據智能卡應用規范，用戶(hù)端都應當遵循一定的 格式組織和創(chuàng )建指令及提供所需的相關(guān)數據，目前在讀寫(xiě)器的控制與使用協(xié)議中定義并使用了以下的一種指令格式?！　　　≈噶钣?個(gè)基本字節組成：字節1：CLA，指令標識符一；字節2：INS，指令標識符二；字節3，4：P1和P2，指令參數；字節5：LC，數據長(cháng)度?！　∮脩?hù)端依據這樣格式建立和發(fā)送指令序列至讀寫(xiě)器，其中字節1和字節2形成一個(gè)二級的指令標識，說(shuō)明當前指令操作碼的含義；字節3和字節4提供一個(gè)參數空間，輔助說(shuō)明指令操作碼；字節5說(shuō)明當前指令操作數的數據長(cháng)度，主要是針對于非定長(cháng)數據的通信傳輸過(guò)程。3.4操作流程　　在用戶(hù)實(shí)際使用讀寫(xiě)器操作智能卡的過(guò)程中，絕大部分操作都是在完成一個(gè)由用戶(hù)端發(fā)送指令和數據至讀寫(xiě)器，由讀寫(xiě)器解釋執行并轉發(fā)至智能卡，最后由智能卡端返回結果至讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器最終返回至用戶(hù)端的一個(gè)操作過(guò)程。因此也以他作為主要依據來(lái)規范相關(guān)的軟件協(xié)議，具體如下所示：　　復位啟動(dòng)讀寫(xiě)器協(xié)議要求中的第一步工作?！　　　⊥ㄐ拧拔帐帧睘榇_保通信過(guò)程的正確有效，用戶(hù)與讀寫(xiě)器進(jìn)行數據通信 前都將要先進(jìn)行這一步工作?！　　　“l(fā)送指令用戶(hù)向讀寫(xiě)器發(fā)送操作指令時(shí)，指令組建必須要符合協(xié)議中的 規定格式?！　　　“l(fā)送數據對于含有操作數的指令，在送出指令碼后，還必須將相關(guān)的 數據送至讀寫(xiě)器?！　　　〗邮諣顟B(tài)碼讀寫(xiě)器在接收到并執行用戶(hù)指令后，會(huì )根據執行結果的內容返回執行狀態(tài)碼和結果數據至PC機，由此用戶(hù)可得到指令的執行結果?！　　　〗邮諗祿绻斍坝脩?hù)指令要求讀寫(xiě)器提供結果數據，讀寫(xiě)器在返回執行狀態(tài)碼后，需繼續送結果數據至PC機。根據協(xié)議，結果數據的長(cháng)度由指令碼中的LC字節說(shuō)明?！　?4對智能卡的操作COS命令接口　　讀寫(xiě)器作為用戶(hù)端與IC卡間的操作平臺，在接受用戶(hù)端控制與使用的同時(shí)，還有一個(gè)重要的 功能就是實(shí)現對智能卡的操作。COS命令接口就是對智能卡操作的前端實(shí)現部分。通常在智能卡應用當中，智能卡本身都具備一個(gè)COS系統，由他協(xié)調并控制卡上的所有指令和數據處理過(guò)程，讀寫(xiě)器必須借助于COS系統才能夠實(shí)現相應的功能。COS命令接口做為讀寫(xiě)器端的CO S數據通道直接影響到讀寫(xiě)器對卡的操作。在這一部分協(xié)議中規定讀寫(xiě)器向IC卡發(fā)送一組定制的指令數據，IC卡接收到這組協(xié)議數據后，通過(guò)解釋這組指令數據的具體含義、形成操作指示，再進(jìn)一步轉換為讀、寫(xiě)、比較、認證及其他控制操作，然后將操作結果返回給接口設備，從而完成一次對卡的操作過(guò)程。讀寫(xiě)器向卡發(fā)送的具有特定操作含義的數據塊就是對智能卡的操作命令；而從卡返回讀寫(xiě)器的狀態(tài)及數據信息即為執行結果。其詳細過(guò)程如圖4所示。 5結語(yǔ)　　智能卡作為IC卡家族中最重要的成員之一，得到了越來(lái)越廣泛的應用，由于其自身的眾多優(yōu)勢，隨著(zhù)設計和生產(chǎn)水平的不斷提高，必將成為未來(lái)IC應用方面的主流。而讀寫(xiě)器作為卡與使用者之間的交互平臺，其設計與開(kāi)發(fā)直接關(guān)系到智能卡應用的整個(gè)過(guò)程。實(shí)踐證明本文中闡述的智能卡讀寫(xiě)器具有良好的性能，特別是在通用性、穩定性方面和批數據操作中表現突出，具有很好的應用前景和應用價(jià)值。