基于单片机的可控制两块IC卡设计与实现.doc

基于单片机的可控制两块IC卡设计与实现第1章绪论1.1课题背景及应用概述1.1.1课题背景当今世界信息技术的发展日新月异，一个以采集、开发、利用信息资源为特征的信息技术革命正席卷全球，信息技术已广泛地渗透到社会各领域，在世界经济和社会发展中发挥着越来越重要的作用。我国自1993年启动了以电子货币应用为重点的各类卡基应用系统工程-金卡工程1，经过十几年的发展，已构建起一个以磁卡和IC卡(Integrated Circuit card)为信息媒介的经济信息系统，为银行、商贸和旅游等部门服务，取得了较好的社会效益和经济效益。磁卡和IC卡作为较成熟的信息媒介技术，已成为卡基数据媒介技术的主流。磁卡技术起步发展较早，已具备较完整的技术规范，且在银行系统中得到了广泛的应用。而近年来蓬勃发展的IC卡，与磁卡相比，它具有存储容量大，保密性强，抗磁电干扰能力强，网络要求低，易携带，寿命长等优点，因此，IC卡替代磁卡服务于大众是大势所趋。IC卡按照与外界数据传输的形式不同，可划分为接触式IC卡和非接触式IC卡两种。当前使用较广泛的是接触式IC卡。非接触式IC卡成功地将射频识别技术和大规模集成电路技术结合起来，通过无线方式传输能量和数据，解决了片内无源和免接触的难题2。接触式IC卡作为新兴的技术，已经广泛的应用于很多领域。例如：移动通信，金融/银行业，社保/医疗卡，公交卡等领域3。但目前国内的接触式IC卡应用都比较单一，大部分应用产品都是针对某一特定的IC卡，或者某一特定的IC卡驱动程序而设计，目前国内也有将接触式、非接触式IC卡两者结合的研究趋势，尽管如此，对于可以控制两块，或者多块智能IC的研究方面几乎是空白，本文正是在这样一个背景下，针对这样一个问题所提出。1.1.2 IC卡在国内的应用情况自1993年我国实施金卡工程以来，IC卡行业取得了长足的进步。2001年，我国总计发放IC卡3.2亿张，2002年增长20%，2003年增长率超过了40%，到了2007年，全国平均每人就拥有1张IC卡。作为IC卡低端产品应用的大行业，公用电话IC卡无疑是多年来发卡量最大的对象。就2007而言，全国安装IC卡公用电话达2000多万台，IC卡公用电话己经进入农村、山区以及少数民族地区等，而且这一推广远没有结束13。在港台方面，台湾发展IC卡不仅在于台湾本身的应用，还在于要发展成为世界上最重要的IC卡生产基地。金融IC卡将把公共汽车卡、加油卡、停车卡、家庭/企业银行卡、自动售货卡五者结合成为五合一卡。香港是世界上三大金融中心之一，信用卡的发卡两超过500万张，平均每人2张以上。香港有两大ATM自动提款机网络，汇丰系统有1300台ATM机，银通系统有1000余台ATM机。另外还有大大小小80个网络支持着300万台阅读器组成的信用卡/储蓄卡网络。可以看到我国的一些领域，如电信、交通、医疗等等部门，使用IC卡也己经很普遍，很多单位也已经使用IC卡来进行人员和财务管理。在金融上我国还基本上是使用磁卡，但是由于IC卡的诸多优点，在不久将来用IC卡取代磁卡己经是必然趋势。随着智能卡技术的发展，人们在工作和生活各个领域都能感受到智能科技带来的便利：科技的发展、市场的需求、发展的空间更显示出了中国智能卡市场发展的新机遇，IC卡产业的收入将成为信息产业收入增长的主要动力。1.1.3 IC卡在国外的应用情况IC卡的应用在国外发展很快。法国作为IC卡的诞生地，也是IC卡应用的先驱。据Innovation国际发明组织的统计，1988.10至1989.9全世界IC卡硬件产品中，IC卡及读写器产量分别为4200万张和87700台，其中法国分别占98%和71%，处于领先地位。现在，法国在IC卡应用的广泛程度和普及性方面也都处于先进行列8。美国是信用卡的发源地，拥有两家最大的发卡组织Master和VISA，从本世纪六十年代就开始发IC卡的应用，到1988年发卡量已超过10亿张，人均约5张，消费金额达到4695亿美元。1993年仅Master卡和VISA卡的发卡量即达6.6亿张，消费额达8250亿美元。当前，金融中已开始用IC卡取代磁卡。IC卡目前在银行卡、医疗卡、校园卡、交通卡、军人身份证卡、作战指挥卡等领域都得到了广泛的应用，基本上由各种智能卡支付工具主宰金融市场9。德国的德意志银行从1993年5月起，为它的160万客户提供了智能卡，持卡者不仅可以在德意志银行国内1400个ATM(Automatic Teller Machine)机中提款，还可在17000个其他银行的ATM机中提款，并且还适用于全欧4万个ATM机10。德国从1994年年底开始，还把使用了近100年的医疗证退役，由智能IC卡取代。1992年在西班牙塞维利亚世界博览会上，用CP8智能IC片作为个人参观证进行出入控制，卡上存有持卡人的指纹信息。在亚洲的日本、马来西亚、新加坡及港台地区，智能IC卡在金融、医疗等领域都得到了广泛的应用。总之，IC卡在国内外的应用已经从开始的推广阶段，发展到了现在的成熟阶段，随着科技的进步，IC卡将会有更广阔的发展空间，可以预计未来的时代将是一个充满高科技含量的卡片时代。1.2本文的主要内容本课题主要研究可以控制两块智能IC卡的接口芯片的设计，课题在收集大量资料的前提下，参照已有接口芯片资料重新设计了读卡器芯片，该芯片能够提供两个同时满足ISO7816标准及EMV(Europay、万事达MCI、Visa三方共同制定的应用标准)标准的IC卡读写接口，这种特性满足课题所提出的要求。基于此，本文的主要内容如下：1.分析课题背景，研究IC卡的发展状况，及在国内外的应用情况。2.对IC卡的相关理论进行研究，包括IC卡的种类，特点及优势，IC的基本功能及应用，IC卡芯片的结构特点，以及IC卡的接口设备，并在此基础上，设计读卡器芯片，并分析接口电路的工作过程，为设计打下基础。3.完成对接口芯片的具体设计，包括芯片整体的模块，芯片内部寄存器的设计，芯片内部各模块的设计。4.对读卡器的硬件电路进行设计，提出总体结构框图，并完成各环节具体的电路设计，确定元器件的选择。为下文的软件实现提供硬件平台。5.接口芯片控制两块智能IC卡的具体软件实现，完成了对芯片读写电路控制模块，初始化模块，读、写寄存器操作模块，中断处理模块，卡片上电及下点控制模块，解析数据交换模块，至此，实现了对两块智能卡的控制芯片设计。6.总结，对设计的总体思路，实现的具体过程进行总结，并提出改进意见。第2章IC卡概述IC卡是集成电路卡(Integrated Circuit Card)的简称，有些国家和地区称之为微芯片卡(Microchip card)或微电路卡(Microcircuit Card)。IC卡的大小和磁卡相同，它把集成电路镶在塑料卡片上，芯片一般是不易挥发性存储器(ROM，EPROM，EZPROM)，保护逻辑电路，甚至于CPU。本章介绍了IC卡的一些基本知识，包括IC卡种类，IC卡的特点及具有的特殊优势，IC卡接口设备等等14。由于研究课题所涉及的IC卡为接触型卡，所以以下的具体内容也以这种卡为重点。2.1 IC卡的种类按照IC卡与读写设备的数据交换方式，IC卡可分为接触型IC卡和非接触型IC卡15：l接触型IC卡就是在使用时，通过有形的电极触点将卡的集成电路与外部接口设备直接接触连接来进行数据交换的IC卡。l非接触型IC卡是通过无线电波或电磁场感应的方式，将卡中集成电路内的数据与外部设备接口设备通信，卡片不用直接接触接口设备的电极就可以进行数据读写。按照IC卡的功能和结构又可以把IC卡分为存储型IC卡和智能型IC卡：l存储型IC卡是一种被动型IC卡，它只能实现数据的输入/输出功能。这种类型IC卡又可以分成非加密型存储卡(Memory Card)和加密型存储卡(Memory card with Security Logic)两类。前者只有数据存储功能，而后者具有数据存储功能和数据加密功能，它们有暂时或永久的数据存储能力，其内容可供处理或判断之用。l智能型IC卡就是带有微处理器电路的IC卡。它是一种主动型IC卡，不仅能够管理各种数据的I/O操作，校验来自接口设备的个人密码，而且能够根据应用系统的要求主动识别与之连接的接口设备。因此，在智能型IC卡中能够建立各种应用系统的授权，存放多个应用系统的相关数据，并实现对数据信息存储的高可靠性、高安全性控制，可以进行复杂的信息处理和计算。2.2 IC卡的特点及优势IC卡比磁卡存储容量大，可靠性和安全性高，在应用上除了覆盖磁卡的全部应用范围以外，还提供了许多磁卡所不具备的应用特性。正是这些特性，使IC卡在脱机业务处理和联网数据一致性等方面表现出前所未有的优势16。IC卡虽然有很强的功能，但仅当IC卡加入到应用系统中，构成发行商、应用系统和持卡人之间的数据传输媒介时，才能有效地发挥其优势。一个好的IC卡应用系统，应具备良好的应用特性和性能价格比，还要有好的安全特性。IC卡最初是为了解决金融交易中的安全性问题而设计的，它带来全新的交易概念与巨大的优势。很快，这一优势也为其他应用部门所看中，使之广泛应用于电话、医疗保健、路禁控制和门锁控制等等系统中。随着时间的推移，应用范围还在不断扩大，使用IC卡的数量呈几何级数增长。同时，为了不同应用场合的需求，IC卡制造商们在不断地向市场推出新的IC卡，IC卡的价格将随着使用量的增加而逐年下降，所有这些，无疑又会大大推进IC卡在各个领域的普及。IC卡在应用中的技术优势在于良好的机器读写能力、共同认可的安全防范技术和相对较大的数据存储能力17：1.良好的机器读写性能便于人-机-卡之间的会话IC卡是一种电路卡，它在机器读写性能上远优于磁卡和光卡，无需往复的机械动作即可完成人一机一卡之间的多次会话过程，使卡在应用时更容易进行操作与相互验证，给卡的应用开发者和使用者都带来了极大的便利。2.良好的安全防范技术是卡能够脱离网络使用IC卡采用了半导体密码存放软件加密技术，该技术为国际上各种开发者与使用者所共同认可，它可以有效地阻止卡的非法复制与数据的篡改。应用设备可以在脱离网络的情况下，不需要人工干预，即可对IC卡进行鉴别，以确定该卡是否是本系统所许可的，是否可在该应用场合中使用等。通过持卡人输入PIN，与卡内一组密码比较，可以确认持卡人的身份。这些特点使IC卡能成为传导媒体，再加上认证和数据加密等功能，使卡能够脱离网络使用。3.大容量的数据存储能力使IC卡成为数据媒体在一个应用系统使用中，系统必须对所有持卡人建立一份身份与使用的档案。在磁卡系统中，这组档案存放在中心数据库系统内，持卡人每次使用都需通过终端，以网络形式从数据库系统中提出那份与自己相关的档案。现在IC卡的存储能力增加了，这份相关信息可以存放在IC卡中，终端设备交易的实时性明显改善，使用的灵活性也大大增加。IC卡三大特点的结合，构成了IC卡应用的强大优势，它一方面降低了对网络的依赖程度，提高了相应速度；另一方面对发行商、应用商和持卡者三方面的利益提供了有效的保护手段，解决了以前所难于解决的关键问题，为IC卡的广泛应用铺平了道路。2.3 IC卡芯片的结构特点由于IC卡最主要的应用特性是作为一种电子信息的载体，因此各种IC卡的应用特点主要体现在IC卡存储器的类型、存储器容量的大小和卡片电路的附加功能等几个方面。在IC卡中使用的存储器类型主要分为两大类：易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器指当电源被关断以后，数据随即消失的存储器(如RAM(Random Access Memory)随机存储器)。这种存储器一般采用CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)技术以降低功耗。并且采用并行方式传输数据，因而具有高速存储数据的能力。易失性存储器在IC卡中使用不多，一般只用在CPU(Central Process Unit)卡中作为卡中CPU的内存储器使用。非易失性存储器指无论电源是否关断，都具有保持数据能力的存储器。在无源型IC卡中，绝大部分都是采用这种类型存储器。在非易失性存储器的IC卡中又可分为如下几种20：l掩膜只读型，即ROM型(Read Only Memory)，这种卡片是在制造时就将所需数据一次性写入，并永久性固化在芯片中。卡片数据只可读，无法重写。特点是存储容量大，价格低，性能稳定，存储数据可靠。对使用来说，它只能是面对专一的用途，并且一次生产的数量要求较大。采用ROM类型存储器的IC卡一般是一次性写入多次读取使用的IC卡，也称ID卡(识别卡)。另外在带有CPU的IC卡中通常将卡的操作系统程序或监控程序置于ROM中。l一次性可编程只读型，即OTPROM型(One Time Programmable ROM)此IC卡与ROM卡绝大多数性能和特点一样。其主要差别只是数据写入是可以由发卡部门来完成。这种方式使得发卡部门有可能对卡片进行个性化处理，一旦写入完成，IC卡就只能读去，不能改写。这种IC卡只是用于一些特殊的标识卡(如会员卡、身份证卡等)。l一次性改写型或称计数型，这种IC卡的内部结构是提供一定数量的计数单元，在计数单元中的数据由生产厂家根据发行部门的要求在生产时预制。计数单元内数据的改写形式有两种：熔丝方式和存储单元锁死方式。采用熔丝方式的电路芯片，其中每一个存储单元都有一个物理熔丝控制，当需要改写内容时，则把相关单元的物理熔丝烧断，使数据状态改变。采用存储单元锁死方式的电路芯片在每个存储单元的控制端增加一个反馈环，当需要改写内容时，把相关的控制端置位，反馈环的作用是通过把数据状态反馈到原控制端，使控制作用失效，是数据无法再改写，这和熔丝熔断效果是一样的。这种卡片操作使用时抗干扰能力强，成本极低。目前这种卡被广泛应用于电话计费卡，加油计费卡等等。l可擦除只读型，即EPROM型(Erasable PROM)。这种IC卡的数据可以通过特定的编程器写入。如果要改写数据，必须首先将卡片通过特制的紫外线光照射，删除存储器中的全部内容，然后再用编程器重新写入数据。这种IC卡在使用时只能整体擦除和写入，制造成木也比较高，所以很快被其他类型的IC卡所取代。l电可擦除型，即EEPROM(Electronically Erasable PROM)。这种存储器芯片与前而所述的几种相比有较大的性能飞跃。首先，芯片的存储单元内容可以用接口设备的电信号直接进行按页或字节，甚至按位改写。而且重复擦除次数多，一般可达万次甚至10万次，数据保持时间也长，数据刷新间隔时间一般可达10年，甚至100年。目前采用EEPROM存储器的非加密型IC卡的容量已达64K位，并还以较高的速度增加。由于EEPROM芯片的特性优良，它已经成为目前IC卡中使用最多的类型。l混合型，在实际的加密型IC卡和带CPU的智能卡芯片一中，常常采用混合型存储器结构，即在芯片内部同时采用了多种存储器电路。这主要是由于不同种类的存储器所占体积不同，而这种体积的差异在超微芯片的生产制造中极其重要，从应用的可靠性和安全性来说，不同类型的存储器具有各自独有的性能特点和优势。采用这种混合类型存储器设计结构的另一个原因是存储器的数据存储速度和数据传送方式的要求。综上所述，在IC卡芯片中，有多种存储器类型结构存在。这种情况的出现是随着半导体电路设计技术和制造技术的逐渐发展而形成的结果。另一方而在实际应用中，各种类型的IC卡对于不同的应用要求又显示出其各自的特色和优势。因此，在实际应用系统中，选择什么类型的IC卡，使得系统的成本和性能达到最佳，需要认真比较，综合分析。2.4 IC卡的接口设备为了使用卡片，还需要有与IC卡设备配合工作的接口设备IFD(interface device)，或称为读写设备/读写器/读写终端。2.4.1 IC卡触点介绍C1 C5 C2 C6 C3 C7 C4 C8上边沿左边沿图2-1 IC卡触点位置如图2-1所示，IC卡接口共包括8个触点，其功能分别是：C1：VCC电源电压。C2：RST复位信号。C3：CLK时钟信号。C4：未用。C5：GND。C6：VPP编程电压。C7：I/O数据输入/输出口线。C8：未用。以上触点中，VPP编程电压触点是厂家生产卡时编程所用，用户卡读写时没有应用。所以准确地说，只有五个触点分别连接来自外部主控制器的五个控制信号。读写器复位后的后续操作可包括卡的地址设定操作、读写操作、擦除操作。针对以上卡的各种操作皆有严格的信号控制时序，详情可参照各种应用卡的DATASHEET。2.4.2 IC接口设备功能IC卡接口设备的种类