用DSP的GPIO管腳實(shí)現與IC卡通信
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：北京郵電大學(xué) 張彬 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年11月03日
IC卡可以分為接觸式的和非接觸式(射頻卡)，本文主要討論存儲卡和智能卡(CPU卡)這兩種接觸式IC卡的結構特點(diǎn)和讀寫(xiě)操作，詳細敘述如何使用DSP的GPIO(通用輸入輸出)管腳實(shí)現與各種IC卡進(jìn)行通信，并給出了DSP函數實(shí)現。
常見(jiàn)與IC卡連接的都是基于單片機的系統，但是某些應用要求IC卡讀寫(xiě)終端具有較強的實(shí)時(shí)運算和控制能力，這時(shí)DSP就是最好的選擇。以TI公司的C5409為例，它的8根HPI管腳(HD0～HD7)可以配置成GPIO使用，配置方法是在復位時(shí)將HPI16管腳置高或者HPIENA管腳置低，這樣就可以通過(guò)配置DSP內部GPIOCR和GPIOSR兩個(gè)寄存器來(lái)控制這8根GPIO管腳的輸出和輸入。GPIOCR寄存器的低8位用來(lái)控制每個(gè)GPIO管腳的方向，若管腳為輸出則對應位設為“1”，若為輸入則設為“0”(DSP復位后GPIOCR缺省值為“0”，即GPIO管腳默認為輸入)。GPIOSR寄存器的低8位用來(lái)控制每個(gè)GPIO管腳的值，若為輸出，向對應位寫(xiě)“1”，則該管腳輸出高，寫(xiě)“0”則該管腳輸出低；若為輸入，則對應位的值為管腳上輸入的值，向其寫(xiě)操作無(wú)效。
下面給出了控制GPIO的函數(控制低兩位GPIO管腳，即HD0和HD1)：
#define gpio_dir *(short *)0x3c
#define gpio_val *(short *)0x3d //定義兩個(gè)寄存器的地址
void gpio_setval(short i,short j) //設置GPIO的輸出
{
if(i==0) //控制HD0管腳
gpio_val=gpio_val&0xfffe; //設為0
else if(i==1)
gpio_val=gpio_val|0x0001; //設為1
if(j==0) //控制HD1管腳
gpio_val=gpio_val&0xfffd;
else if(j==1)
gpio_val=gpio_val|0x0002;
wait();
}
void gpio_setdir(short i) //控制GPIO的方向
{
if(i==1)
gpio_dir=gpio_dir|0x0001; //設為輸出
else if(i==0)
gpio_dir=gpio_dir&0xfffe; //設為輸入
}
short gpio_getval(short i) //讀入GPIO的值
{
short j;
if(i==0) j=gpio_val&0x0001;
else if(i==1) j=(gpio_val&0x0002)>>1;
return j;
}
常見(jiàn)的接觸式IC卡可以分為存儲卡和智能卡(又叫作CPU卡)，下面分別介紹DSP如何與這兩種卡進(jìn)行連接通信。
DSP和存儲卡的連接
存儲卡只具有簡(jiǎn)單存儲功能，實(shí)際上是一片串行EEPROM的IC卡模式，以Atmel公司的AT24C16SC為例，它實(shí)質(zhì)上就是兩線(xiàn)串行EEPROM AT24C16，兩者接口時(shí)序基本一樣。存儲卡的管腳如圖1所示。AT24C16SC同時(shí)支持3V和5V，訪(fǎng)問(wèn)速度分別可以達到100Kbps(3V)和400Kbps(5V)；內部容量為16Kb，分為128頁(yè)，每頁(yè)16字節；雙向數據線(xiàn)(SDA)為OD(Open－Drain)驅動(dòng)，需要加上拉電阻才能正常通信。
存儲卡的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)序為I2C標準時(shí)序。首先，正常通信中只有在時(shí)鐘線(xiàn)(SCL)為低時(shí)SDA才可變化，即在SCL為高時(shí)，SDA必須保持狀態(tài)(數據有效期)，而在SCL為高時(shí)，SDA的變化表示下面兩種控制狀態(tài)：開(kāi)始狀態(tài)：當SCL為高時(shí)，SDA由高變低表示一個(gè)開(kāi)始狀態(tài)，通常任何操作前均需要一個(gè)開(kāi)始狀態(tài)；停止狀態(tài)：當SCL為高時(shí)，SDA由低變高表示一個(gè)停止狀態(tài)，通常跟在每個(gè)操作后，從而將卡置于等待模式。
在讀寫(xiě)中，地址和數據都是按照8位的大小進(jìn)行傳輸，接收的一方需要返回一個(gè)ACK信號表示確認，這個(gè)ACK信號是在第9位的位置返回一個(gè)“0”來(lái)表示。如在讀卡的時(shí)候，DSP在收到8位后，在第9個(gè)時(shí)鐘應向卡發(fā)送“0”表示收到了正確的數據，同時(shí)要求卡繼續發(fā)送下一個(gè)8位數據，如果沒(méi)有這個(gè)ACK信號，則將會(huì )中止當前讀操作返回等待模式。寫(xiě)卡的時(shí)候，卡在收到DSP發(fā)送的地址和數據后也應該返回ACK信號以表示收到了正確的命令。開(kāi)始和停止狀態(tài)、確認信號時(shí)序如圖2所示。
一個(gè)讀寫(xiě)操作的開(kāi)始需要先發(fā)送一個(gè)器件地址(device address)字節，該字節的高4位是“1010”，接著(zhù)3位是卡的高位地址，如AT24C16SC需要有11位地址(2K字節的大小)，高3位地址就是這里來(lái)指示，最后1位是讀寫(xiě)控制位，若為“1”，則表示后面進(jìn)行一個(gè)讀操作，若為“0”，則表示后面進(jìn)行一個(gè)寫(xiě)操作。
寫(xiě)卡操作分為字寫(xiě)和頁(yè)寫(xiě)。字寫(xiě)時(shí)，當發(fā)送完器件地址字節(最后1位為“0”指明寫(xiě)操作)后，接著(zhù)再發(fā)送一個(gè)字地址(word address)字節，即為卡的低8位地址，然后就可送入一個(gè)字節的數據，最后發(fā)送停止狀態(tài)。對于頁(yè)寫(xiě)時(shí)，可以連續發(fā)送16個(gè)字節后再發(fā)送停止狀態(tài)，需要注意的是，當頁(yè)寫(xiě)時(shí)，低4位地址在卡內部自動(dòng)遞增，當到達頁(yè)末地址時(shí)會(huì )自動(dòng)返回頁(yè)首地址，所以要正確發(fā)送停止狀態(tài)，否則繼續寫(xiě)入的字節就會(huì )覆蓋原來(lái)的數據。
讀卡操作分為讀當前地址、讀任意地址和順序讀幾種方式。幾種方式大同小異，下面主要介紹讀任意地址的操作，另兩種方式都較簡(jiǎn)單。讀任意地址時(shí)，在發(fā)送完器件地址字節(最后1位為“1”指明讀操作)后，發(fā)送字地址字節，這一過(guò)程是裝載要讀的地址，下面再發(fā)送一個(gè)器件地址字節(同樣最后1位為“1”指明讀操作)，然后便可從卡讀到一個(gè)連續8位數據，然后DSP發(fā)送停止狀態(tài)(而不是ACK信號)結束讀操作。
通過(guò)以上介紹可以看出，DSP與存儲卡連接的關(guān)鍵就是如何做出SCL和SDA的時(shí)序，也就是I2C時(shí)序。用DSP的兩根GPIO分別連接存儲卡的SCL和SDA，然后同時(shí)設置兩者的高低關(guān)系并且正確改變連接SDA那根GPIO的輸入和輸出方向，我們就可以解決這個(gè)問(wèn)題。例如，對于圖3這個(gè)數據有效期的時(shí)序，我們可以將兩根GPIO依次設置為：“01”、“11”、“01”，需要注意的是，改變狀態(tài)之間需要插入等待周期，因為DSP的工作時(shí)鐘很高，其GPIO的改變遠高于I2C時(shí)序的要求。
下面給出一個(gè)寫(xiě)卡函數：
short write_ic(short page,short addr,short length,short *buff)
//page－要訪(fǎng)的問(wèn)高3位地址，addr－要訪(fǎng)問(wèn)的低8位地址，length－要寫(xiě)入的數據長(cháng)度，通常為16，buff－要寫(xiě)入的數據
{
short device_address,ack,i,loop=0;
start_ic(); //發(fā)送一個(gè)開(kāi)始狀態(tài)
device_address=0xa0|(page<<1);
put_ic(device_address); //發(fā)送器件地址字節，0xa0表示寫(xiě)
gpio_setdir(0); //改變GPIO方向為輸入
ack=1;
do
{
ack=get_ic();
loop++;
if(loop>10000)
return 0;
}while(ack!=0); //等待讀入確認信號，否則超時(shí)退出
device_address=addr; //要訪(fǎng)問(wèn)的低8位地址
put_ic(device_address); //發(fā)送字地址字節
gpio_setdir(0);
ack=1;
do
{
ack=get_ic();
loop++;
if(loop>10000)
return 0;
}while(ack!=0);
for(i=0;i{
put_ic(*buff++);
dir(0);
ack=1;
do
{
ack=get_ic();
}while(ack!=0);
} //寫(xiě)入數據
stop_ic();
return 1;
}
void put_ic(short c)
{
short temp,i;
gpio_setdir(1); //改變GPIO為輸出
for(i=7;i>=0;i--)
{
temp=1temp=temp<<(-i);
if(temp==0)
{
gpio_setval(0,0); //設置兩根GPIO的輸出
gpio_setval(1,0);
gpio_setval(0,0);
}
else if(temp==1)
{
gpio_setval(0,1);
gpio_setval(1,1);
gpio_setval(0,1);
}
}
}
DSP和智能卡的連接
智能卡是IC卡中最高級的一種，其內部一般有CPU、ROM、RAM和EEPROM等資源，卡內一般都駐有智能卡操作系統(COS)，該操作系統對卡進(jìn)行維護和管理并解釋終端的各種命令。由于卡內有CPU和RAM，所以可以根據需要進(jìn)行一些運算和數據加密，同時(shí)卡內的EEPROM也可以存放一些用戶(hù)資料(容量也較存儲卡大)。智能卡的管腳如圖4所示。
智能卡的操作遵循ISO7816－3規范，通信時(shí)序類(lèi)似于雙向RS－232通信協(xié)議(RS－232是單向的)。首先，操作前需要對卡進(jìn)行激活，激活過(guò)程必須保證智能卡的觸點(diǎn)接觸良好。激活的步驟為：VCC供電，RST為低，I/O設為輸入，提供CL，然后對卡進(jìn)行復位。復位分為冷復位和熱復位，兩者區別在于冷復位時(shí)RST由低變高，而熱復位時(shí)RST由高變低再變高，在復位后，卡應有復位應答；接受到卡正確的復位應答后，DSP可以向卡發(fā)送命令；取卡前需要進(jìn)行釋放，步驟順序與激活相反：RST變低，CLK變低，VCC掉電。
卡的復位應答可以告訴終端一些卡的原始信息，它的組成如圖5所示：
TS：初始化字節，用來(lái)進(jìn)行位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位用來(lái)指示是否傳輸TA1、TB1、TC1、TD1，低4位用來(lái)指示有多少個(gè)歷史字符；
TAi、TBi、TCi：接口字節，用來(lái)設置操作的一些參數，比如速率，保護時(shí)間，編程電壓等；
TDi：接口字節，高4位用來(lái)指示是否傳輸TAi+1、TBi+1、TCi+1，低4位用來(lái)指示傳輸類(lèi)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(shí)不傳此字節。
訪(fǎng)問(wèn)卡的時(shí)序如圖6所示。
可以看出，1個(gè)字節幀由13位組成，1個(gè)開(kāi)始位、8個(gè)數據位、1個(gè)校驗位和2個(gè)保護時(shí)間位。在外部提供時(shí)鐘方式(常用方式)下，上圖中每個(gè)位所占的時(shí)間(ETU，Elementary Time Unit)默認為外部時(shí)鐘周期的372倍，如當外部時(shí)鐘為3.57M時(shí)，1/ETU約為9600，即工作在9600速率下。保護時(shí)間默認為2個(gè)ETU，最大可以為254個(gè)ETU。
DSP與智能卡的連接跟存儲卡有些差異。首先，智能卡比存儲卡多一個(gè)RST管腳用來(lái)對CPU進(jìn)行復位，可以使用DSP的一根GPIO來(lái)控制；存儲卡的CLK為通信時(shí)鐘，速度不高，沒(méi)有速率要求，可以隨時(shí)停止，只要時(shí)序關(guān)系正確即可，可以由DSP的GPIO實(shí)現；但智能卡的CLK為卡內CPU的工作時(shí)鐘，速度很高(通常介于1M～5M)，并且要求穩定，用DSP的GPIO來(lái)提供該時(shí)鐘是不可能的，因為DSP的GPIO的翻轉速度有限制，并且高速翻轉必定占用大量DSP系統資源。因此可以使用DSP的一個(gè)串口McBSP的發(fā)送時(shí)鐘CLKX來(lái)提供智能卡時(shí)鐘。同時(shí)，還需要DSP的一根GPIO來(lái)連接智能卡的I/O信號，跟智能卡一樣的是，I/O線(xiàn)同樣是雙向的，需要正確改變DSP的GPIO方向，但不同的是智能卡的I/O有精確的速率要求，即為CLK速率的1/372，可以采用DSP內部的定時(shí)器來(lái)結合GPIO實(shí)現。
選擇DSP內部定時(shí)器的周期為提供時(shí)鐘的串口時(shí)鐘周期的372/8倍，當每個(gè)定時(shí)器中斷到來(lái)時(shí)進(jìn)行一次GPIO操作，這樣等于是8倍頻輸出和采入數據，即操作的最小周期是1/8個(gè)ETU，從而確保了精度。從實(shí)現上看，上述過(guò)程類(lèi)似于用定時(shí)器和GPIO來(lái)實(shí)現RS－232協(xié)議。需要注意的是，為了保證中斷響應和系統資源，定時(shí)器中斷程序中最好不進(jìn)行GPIO操作，而只作標志位設置，GPIO操作留給讀寫(xiě)函數實(shí)現。下面為一個(gè)讀卡函數的實(shí)現。
void readword_sim(unsigned short *buff,unsigned short length)
//buff－讀入的數據放的buffer,length－讀入的長(cháng)度
{
short tempbit,tempbyte,i,j,bitcount,parry;
rw=0; //設置GPIO為讀
for(j=0;j{
bitcount=0;
while(!bitcount)
{
ready=0;
while(!ready);
if(simdata==0) bitcount=1;
} //讀入開(kāi)始位
tempbyte=0;
bitcount=0;
for(;bitcount<11;)
{
tempbit=0;
for(i=0;i<8;i++)
{
ready=0;
while(!ready);
if(simdata==1)
tempbit=tempbit+(1<} //讀入一位的8倍采樣
if((tempbit&0x18)==0 && bitcount==0)
bitcount++;
else if(bitcount>0 && bitcount<9)
{
if((tempbit&0x18)!=0)
tempbyte=tempbyte+(1<<(bitcount-1));
bitcount++;
} //組成一個(gè)字節
else if(bitcount==9)
{
if((tempbit&0x18)!=0)
parry=1;
else parry=0;
bitcount++;
} //讀入校驗位
else if(bitcount==10) bitcount++; //保護時(shí)間
}
buff[j]=tempbyte;
}
}
shorterrupt void tshort() //定時(shí)器中斷
{
if(ready==0)
{
if(rw==0)
simdata=gpio_getval();
ready=1;
}
}
上面的程序實(shí)現了智能卡的讀寫(xiě)協(xié)議，余下的就是對卡發(fā)送命令即可，關(guān)于命令的結構和定義本文不作闡述。
