（电路与系统专业论文）通用型双界面ic卡读写器的设计.pdf

硕。l 论文通用型职界面i c 卡读写嚣的设计 摘要 i c 卡读写器在金融、交通等许多领域有着广泛静应爝。本谍遂的 壬务怒设计一释 通用鳖i c 卡读写器。该读写器黻a t 8 9 c 5 2 萃瓣m fr e 5 0 0 芯片为核心器传，惫括与i e 卡 的接舷式界溢和非接触式界蔷之闯豹接溜，构成了完整豹琰传系统，摄握电路愿理图 设计了印刷电路板，制作了实际豹骥件。在上位橇端臻c 添言稠w i n d o w sa p i 涵数缡 写了若干可供调用鹊函数，逶过串行通信的方式控剿读写器实现对 e 卡数控制髑凌写 功畿；在读写器瑞瘸c 5 1 语善编利了程序，姻应上位枧均会令，实现对i e 卡的操髂。 关键调；双界骥i c 卡，读写器，软硬4 牛设计，串 亍通馈 颟论文莲臻垄双势舞i c 卡凄写器瓣醺诤 a b s t r a c t i cc a r dr e a d e rw r i t e rh a sw i d ea p p l i c a t i o n si nm a n yf i e l d 8s u c ha sf i h e n c e a n dt r a f f i c t h et a s ko ft h i sa r t i c i eisd e s i g n i n gak i n do fg e n e r a lp u r p o s e i cc a r dr e a d e r w r i t e r t h i sr e a d e r - w r i t e rt a k e sa t 8 9 c 5 2a n dm fr c 5 0 0a sc o r e d e v i e e 。i ti n c l u d e si n t e r f a c ee i r c u i to fc o n t a c ti n t e r f a c ea n dc o n t a c t i e s s i n t e r f a c eo fi cc a r d ，f o r m sc o m p l e r eh a r d w a r es y s t e m id e s i g n e dp r i n t e dc i r c u i t b o a r da c c o r d i n gt ot h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ec i r c u i t ，m a d ea c t u a lh a r d w a r e 1w r o t es o m ef u n c t i o n st h a tc a nb ec a l l e du s i n gc l a n g u a g ea n dw i n d o w sa p i f u n c t i o n sa tt h eh o s tp o r t w h i e hc o n t r o lt h er e a d e r w r i t e rt oi m p l e m e n tt h e f u n e t i o no fc o n t r o l li n g ，r e a d i n gf r o ma n dw r i t i n gt oi cc a r db ym e a n so fs e r i a l c o m m u n i c a t i o n 1w r o t ep r o g r a m su s i n gc 5 1l a n g u a g ea tt h er e a d e r w r i t e r 。w h i c h r e s p o n s et ot h ec o a n d sf r o mt h eh o s ta n di m p l e m e n to p e r a t i o n st oi cc a r d 。 k e y 霄o r d s ：d u a l i n t e r f a c ei cc a r d ，r e a d e r w r i t e r ，h a r d w a r e s o f t w a r ed e s i g n s e r i a lc o 嘲u n i c a t i o n 2 硕 ：论义通用型双界面i c 卡读写器的设计 1 引言 1 1 双界面i c 卡的技术背景及其读写设备的研制现状 1 1 1 双界面i c 卡介绍 i c 卡，英文名称是i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ，是将一个集成电路芯片镶嵌于塑 料基片中，封装成卡的形式，其外形与覆盖磁条的磁卡相似。 i c 卡的概念是2 0 世纪7 0 年代初提出来的，法国布尔( b u l l ) 公司于1 9 7 6 年首先 创造出i c 卡产品，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、身份证明等多个行业，它 将微电子技术和计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度。 根据卡中所镶嵌的集成电路的不同，i c 卡可以分为以下三类： 1 存储器卡：卡中的集成电路为p r o m ( 电可擦除的可编程只读存储器) 。 2 逻辑加密卡：卡中的集成电路具有加密逻辑和酽p r o m 。 3 c p u 卡：卡中的集成电路包括中央处理器c p u 、掣p r o m 、随机存储器r a m 以及固 化在只读存储器r o m 中的片内操作系统c o s ( c h i po p e r a t i n gs y s t e m ) 。 另外还有一种a s i c ( 专用集成电路) 卡，它是在逻辑加密卡基础上增加一些专用 电路，例如完成加密解密运算的电路等，但由于卡内没有c p u ，所以完成的功能是固 定的，没有灵活性。 一般认为，智能卡( s m a r tc a r d ) 是指上述的第三种i c 卡，即c p u 卡。但也有的 文献把存储器卡和微处理器卡统称为智能卡0 3 。 智能卡上通常安装有智能卡操作系统。智能卡操作系统是以功能函数的形式对智 能卡的具体应用进行操作和管理的一种系统软件。从接口设备的角度来看，智能卡操 作系统相当于一个命令解释器，它通过指令访问智能卡内部的命令解释器。当智能卡 接收到命令后，卡操作系统经过指令分析，再转到相应的功能模块，完成规定的操作。 智能卡操作系统一般具有输入输出模块、安全管理模块、命令解释模块、文件管理模 块、内存管理模块”1 。目前国内常见的智能卡操作系统有t i m e c o s 、z c o s 、z t c o s 等“1 。 按卡与外界数据传送的形式来分，i c 卡可以分为接触式i c 卡和非接触式i c 卡两 种。目前使用较多的是接触式i c 卡( 对应国际标准为i s o i e c7 8 1 6 ) ，在这种卡片上， i c 芯片有8 个触点可与外界接触。接触式i c 卡又可分为同步卡和异步卡。同步型i c 卡的时钟与读写过程同步，无需提前加载：异步型i c 卡则必须加载一稳定的时钟。非 接触式i c 卡的集成电路不向外引出触点，它内部带有射频收发电路。按照读取范围的 不同，非接触式i c 卡可以分为三种”1 ：紧耦合( c l o s e c o u p l ir i g ) i c 卡( 对应国际标 准为i s o i e c1 0 5 3 6 ) ，这类卡在操作时，卡必须插入插槽罩或放在终端表面的标记区 域上；近耦合i c 卡( 对应国际标准为i s o i e c1 4 4 4 3 ) ，其工作范围大约为l c m 到l o c m ， 碗j 。论文通用型双界面i c 卡读写器的设计 这类卡根据操作初始化和防冲突采取协议的不同又可分为t y p ea 型和t y p eb 型；免 手持集成电路卡( 对应国际标准为i s o i e c1 5 6 9 3 ) ，其作用范围可达1 m 。 人们在接触式i c 卡的制造方面已经积累了丰富的经验，使它的可靠性持续得到了 改进和提高。但是，接触式i c 卡存在着一些固有的缺点。电接触点仍然是机电系统中 最频繁的故障原因之一。而非接触式i c 卡可以完美地解决这些问题。非接触卡除了它 的技术优势之外，也给卡的发行者和持卡人提供了令人感兴趣的新的潜在应用领域， 比如进出控制系统、室内公共交通等。 i c 卡的进一步发展是将非接触的和接触的i c 卡合并为双界面卡( 或称复合卡。“) ， 在一块单一的芯片上将两种功能联合起来。对双界面卡可以按需要经非接触或接触的 接口访问。这种思想的基础是i c 卡的界面和i c 卡的逻辑之间完全独立。界面形成了 应用的最下层，对数据传输来说是透明的，这意味着从应用软件的观点看来与使用何 种界面是不相干的，界面可按意愿予以改变。对使用者和系统操作人员来说，双界面 卡的最大好处是：在引入新的应用时可任意选用已经存在的基础设施。 对双界面i c 卡来说，触点和高频界面之间的转接可通过智能卡操作系统或通过芯 片上附加的开关矩阵来完成。用开关矩阵自动转接时，由来自高频界面或通过触点馈 给的供电电压作为选择标准。当卡插入到接触式阅读器时或在接近非接触阅读器时， 由首先给芯片供应的电源选择界面，另一个界面则完全去活化。所以，经两个界面同 时操作是不可能的。自动换接的另一种可能方法是可测定时钟信号是经过高频界面还 是由触点提供给芯片的。用操作系统本身执行转接时，以经一个或两个接口收到的数 据的有效性作为选择的标准。 一种典型的双界面卡是m i f a r e 系列双界面卡，其芯片是由菲利浦半导体公司和西 门子h l 公司联合研制成的。芯片的核心部分是一个8 k 字节的e 2 p r o m ，其中存储着应 用数据。对e 2 p r o m 存储器的访问是经过两个完全分离的逻辑结构进行的，可以按需要 经过两个分别的接口访问。经两种界面对酽p r o m 的访问权由访问配置矩阵管理。对于 两种界面，访问配置矩阵可以把单独的访问权分配到选定的存储区。m i f a r e 系列双界 面i c 卡的非接触式接口符合i s o i e c1 4 4 4 3t y p ea 标准( 草案) ，接触式接口符合 i s o i e c7 8 1 6 标准。该系列双界面卡是目前非接触式智能卡的工业标准，在所有非 接触式智能卡方案中占有8 5 的份额，在世界范围内有超过4 5 0 0 万的m i f a r e 双界面 卡和超过4 5 万台读写器f 在使用。 1 1 2 双界面i c 卡读写设备及研制现状 为了使用i c 卡，需要有与i c 卡配合工作的接口设备i f d ( i n t e r f a c ed e v i c e ) ， 或称为“读写设备读写器”。i c 卡读写设备就是指能将数据信息“写入”i c 卡芯片 或将i c 卡内部的数据信息“读出”或“擦除”的电子接口设备。i c 卡读写器是连接 壤土论文逶霜型取器嚣l e 卡凌笃嚣熬璇诤 i c 卡与应用系统间的桥梁，怒i c 卡应用中至关重要的个环节。i c 卡接口设备的种 类很多，功能上由于不同的应用需要，差异办很大，假就其对卡( 以接触式卡为例) 豹撩雩筝功篷来说，都应其备一下足个基本功缝”1 ： 1 i c 卡的攒入退出的识别与控制( 缓触式卡) ：i c 卡迸出r f 区的识别和控制 ( 非接触式卡) 。 2 向i c 卡提供其所需的稳定的电源与时钟信号。 3 实现与卡瓣数据交系，并提供辖应鹣控割信号。 4 对于加密数据系统，应提供相应的加密解密处理发密钥管理机制。 5 提供相应的外部控制信息及与其他设备的信息交换。 擞据应凄蓖强魏不同，i c 紊接露设套分隽通爱型积专疆型嚣季孛。邋蠲i e 卡接弱设 备有台式和手掩式两种形式，台式一般通邋r s 2 3 2 接翻直接和计算机相连。手持式读 写器的特点是：体积小，重墩轻，便于随射携带。通用i c 卡接口设备一般与运行成用 程廖的计算机( 域其它设备) 相连接。运行应用程序的设备可称之为“应用设备”。 巅露逶灞i e 卡应蘑设餐秘或 e 卡癍雳系统是一个代价较高兹方案，毽它凌镞了 一个多场合应用的手段，系统组织也更加灵活、方便，对于小应用系统，无疑是一种 较饿的选择方棠。 l 卡读写爨豹拣瑾包揍三方嚣建套“3 ；应弱与读霹器戆接口据壤、读霉爨零巍戆 标准、读写器与i c 卡之间的标准。1 9 9 9 年下半年，在我国信息产业部领导下，中豳电 予技术标准化研究所和有关读写器主要生产厂家一起制定了集成电路( i c ) 卡读写 枫遴用援范，现以上报国豢技术监督局( 待批准) 。另外，应用设备与读写器之闯 的接口规范也燕在讨论过程中。将俸先行渡标准提交绘信息产韭部我准。僵这鍪蠢容 尚朱正式通过w 。 在接触式i c 卡接口设备中，用于接触式i c 卡的邋配插座是一个很重要的部件， 它楚稳藏 e 卡与1 0 卡接露浚鍪阙兹魏褒连接熬部馋。囱予涉及虱援入霹懿手感凝强 拔寿命要求较商等因素，i c 卡座在设计和制造中比普通按插件的要求更高，难度亦较 大。 c 卡适配卡嶷骞多秘多榉，区分方法遵霄多秘。 校据i c 卡谯插入或逐暖辩，接魅点聪触和脱离的方式区分主要翁两静，一种怒涛 触式结构( s l i d i n g ) ，触点处于固定位鬣，i c 卡在插入或退出时，滑过与之不相关的 饺鬣，并滑接农圈定豹位置上。另一类是祷陆式结构( 1 a n d i n g ) ，i c 卡在插入过嘏中， 魅熙与i c 卡霹爹运蘑，逐步下压，著稳定与最终谴鬟。这摹孛方式露g - 戆瘗按较小。 按照卡的谶退形式，现猩市场上的i c 卡插座主要谢如下几种形式“1 ：推入一拉出 结构、推入一报入弹出结构、压入一弹出结构、压入一电磁弹出结构、电动式入出卡 羧铡结构。 矮l j 论文 运臻型黢弹嶷 e 卡读写嚣翦致诤 非接触式【c 卡读写机具内设置有r f 电路和天线，难度大一些，出现得较晚，能 提供产品的厂商还不太多。在国外，菲利浦公司捌有非接触式i c 卡t y p ea 型的专利， 磅零l 接魅式卡豹读写撰具较孚；以色到瓣o t i 公司露菲接皴式系统夔发翦移接浚部 分肖深入的研究，处于领先魄位n l 。 国内公司在非接触式i c 卡的读写机鼠方面起步较晚，能独立提供产品的还不多。 握奇公司和广系德生科技有嫩公司都有接触式和或非接触式i c 卡静读写器产品。广 末德生秘接畜陵公司垂冬t s w - f 2 m 墅i c 卡读写器是一耱敞莽瑟多卡褒舞置式i e 卡读写 器。该产品采用交流电源，通过r s2 3 2 接口与计算机遇接，共有三个接触式卡縻，分 别是主卡座( 推推式卡座) 、第二卡座( 插拔式卡座。只能读c p u 卡) 和嵌入式卡座 ( 爵读写符台i s 0 7 8 1 6 援范旋嵌入式s i m 专、s a m 卡) ，还骞一个表鬻感应区，可潋对 菲接触式i e 卡避行读写。该产品可以读写的i c 卡类型有：s i e m e n s 、g e m p l u s 、a t m e l 等公司的符合i s 0 7 8 1 6 规范的逻辑加密卡、存储器卡和c p u 卡，符台i s o1 4 4 4 3 舰范 的m i f a r el i g h t 、m i f a r eo n e 卡翻m i f a r ep r o 双界面卡”3 。同对还随产品提供主椒端 豹读写程序、动态链接疼翻开发铡程。 1 2 i c 卡相关国际标准简介 与i e 卡及旗读写设各鞠联系的有一系列謦际和国内毒嚣准，比如翦文提到过的接触 式l e 卡国际搽礁i s o i e c7 8 1 6 、紧藕合l e 卡国际标漆i s o i e c1 0 5 3 6 、近耦台l c 卡 囡际标准i s o i e c1 4 4 4 3 、免手持集成电路卡国际标准i s o i e c1 5 6 9 3 ，我国的集成 电路( i c ) 卡读写机通用规范和应用设备与读写器之问的接口规范。此外，对特定 豹旋鬻矮藏有专耀貔蠡凑，絮鼹l c 专在念黩镢蠛靛瘦瘸，国舔主蠢i s o9 9 9 2 标壤“3 ， 戏幽制定了中豳会融集成嗽路( i c ) 卡规范。本课题所采用的i c 卡是符合i s o i e c 7 8 1 6 和i s o i e c1 4 4 4 3 标准的双界面i c 卡，所以对这两种标准的相关内容做一简介。 1 2 。l 接触式l e 卡星际糠准 s 影i e c7 8 1 6 i s o i e c7 8 1 6 标准包括以下部分： 第1 部分：i s o i e c7 8 1 6 l ，物理特性。 第2 邦分：i s o i e c7 8 1 6 2 ，融点尺寸秘短受。 第3 部分：i s o i e c7 8 1 6 3 ，电信爵和传输协议。 第4 部分：i s o i e c7 8 1 6 4 ，行业问交换用命令。 第5 部分：i s o i e c7 8 1 6 5 ，应用标识符的编号系统和注册过程。 第6 部分：i s o i e c7 8 1 6 一s ，行鼗阀数蠢元。 第7 部分：i s o i e c7 8 1 6 7 ，关于结构化卡询问语言的行业间命令。 第8 部分：i s o i e c7 8 1 6 8 ，与安全有关的行业间命令。 硕十论文通用型双界面i c 卡读写器的设计 第9 部分：i s o i e c7 8 1 6 9 ，附加的行业间命令和复位应答。 第l o 部分：i s o i e c7 8 1 6 一l o ，用于同步卡的电信号和复位应答。 i s o i e c7 8 1 6 2 规定了接触式i c 卡各触点的尺寸、位置和功能。接触式i c 卡有 8 个触点，从c l 到c 8 ，触点的位置如下图所示。每个触点的功能如表l _ 1 所示。 左边 图1 1 触点的位置 触点编号功能触点编号功能 c 1v e o ( 电源电压)c 5g n d ( 地) c 2r s t ( 复位信号)c 6v p p ( 编程电压) c 3c l k ( 时钟)c 7i 0 ( 数据) c 4 保留于将来使用 c 8保留于将来使用 表1 1 触点功能 i c 卡支持两种传输协议：同步传输协议和异步传输协议。前者在i s o i e c7 8 1 6 1 0 中定义，适用于逻辑加密卡，后者在i s o i e c7 8 1 6 3 中定义，适用于c p u 卡。异 步传输协议又可分为面向字符的异步半双工传输协议( t = o ) 和面向块的异步半双工 传输协议( t = 1 ) ”1 。 i s o i e c7 8 1 6 3 中规定了电源及信号的结构，以及i c 卡和接口设备之间的信息 交换规则，包括信号频率、电压电平、电流值、奇偶校验协定、操作过程、传送机制 以及接口设备与i c 卡之间的通信协定等。 接口设备和卡之间的对话通过一下操作顺序实现： 接口设备连接卡并“激活”电路； 卡的冷复位( r e s e t ) ； 卡对复位的应答( a n s w e rt or e s e t ) ： 硕士论文通用型双界面i c 卡读弓器的设计 在卡与接口设备之间连续进行信息交换； 接口设备“释放”电路。 其中，接口设备“激活”电路由以下操作顺序实现： r s t 处于l 状态； v c c 加电； 接口设备的i 0 处于接收方式； v p p 上升为空闲状态( 目前多数的i c 卡已不用v p p 触点) ； 提供稳定的c l k 。 当信息交换结束或异常终止( 卡未响应或检测到卡已拔掉) 时，接口设备“释放” 电路，电路的释放操作应在卡的触点与接口设备触点机械断开之前结束。 接口设备“释放”电路由以下操作顺序实现： r s t 为低电平； c l k 为低电平： v p p 不起作用； i o 为低电平； v c c 不起作用。 i c 卡的复位有冷复位和热复位两种。当i c 卡的电源电压和其它信号从静止状态按 一定顺序加上时，称之为冷复位。在电源电压v c c 和时钟c l k 处于激活状态下，接口 设备发出的复位信号，称之为热复位。 i c 卡的复位应答信号以字符为单位( 称为字符帧) 进行传送。在传送字符前，i 0 处于高阻状念。每个字符由1 0 位组成：起始位( 1 位) 为低电平，8 为数据b 。b ，第 1 0 位b 为偶校验位。每一位在i o 线上的持续时间定义为基本时间单元e t u 。在复位 应答期间，1 e t u = 3 7 2 个时钟周期。一个数据字节由b 一b 。组成b ，是最低位，b 。是最 高位。接收方在每一位的中间采样，采样时间应少于0 2 e t u 。 两个连续字符之间的延时( 两起始位下降沿之间) 至少为1 2 个基本时间单元，包 括字符宽度1 0 个e t u 和一段保护时间，在保护时间内，接口设备和卡都处于接收状态， 因此i 0 线处于高阻状态。在复位应答期间，卡发出的两个连续字符的起始位下降沿 之间的延时不得超过9 6 0 0 e t u ，这个最大值称为初始等待时间。当奇偶校验不正确时， 从起始位下降沿之后的1 0 5 e t u 开始，接收方发送低电平作为出错信号，宽度为1 个 e t u 或2 个e t u 。发方在起始位下降沿之后的1 l e t u 处校验i 0 线，如果处于高阻状态， 则认为接收是j 下确的；如果处于低电平，则认为有错，收方期望发方重发有错的字符。 1 2 2 非接触式i c 卡国际标准i s 0 i e c1 4 4 4 3 i s 0 i e c1 4 4 4 3 标准包括四个部分： 疆 宅文逶蠲墅双器嚣l e 专读写嚣瓣蔽沣 i s o i e c1 4 4 4 3 一l ：物理特性； i s o i e c1 4 4 4 3 - - 2 ：射频能量和信号接口； i s o i e c1 4 4 4 3 - - 3 ：初娥纯露藏；孛突； i s o i e c1 4 4 4 3 4 ：选择应答和传输协议。 i s o i e c1 4 4 4 3 - - 2 中规定了读写器和i c 卡之间的对话操作顺序如下： 读写器的射频场激溜i c 卡； i e 卡等待读写器的命令； 读写器发出一个命令： i c 卡发出一个应答。 读写爨产生鹚合要i e 卡熬射频电磁场( 经过调翱戆缓号) ，矮寒转送能量窝遇落。 i c 卡获得能量籍，将其转换成直流电压。射频场的频率为1 3 5 6 瓣t z 7 k h z 。 i s o i e c1 4 4 4 3 - - 2 中规定了两种信号按口：t y p ea ( a 类) 和t y p eb ( b 类) ， 其嚣别在于信鼍的表示形式不问。在t y p ea 协议中，数据铸输率为1 0 6 k b i t s ，从读 霉糕传送到l c 卡的信号采麓羧迸的m i l l e r 编码懿a s k1 0 0 调幅稍，在i c 卡辛，利 用读写器发射的载波频率生成副载波，其频率约为8 4 7 k h z ，从i c 卡传送到读写器的信 号浆用曼彻斯特编码，副载波的调制是通j 建对曼彻斯特编码的数据流的副载波的键控 慕宠或嚣。 i s o i e c1 4 4 4 3 - - 3 中规定，对应t y p ea 协议，为了检测进入诿写器能量场的i c 卡，读写器重复发出请求命令r e q a 并查浮应答a t q a 。目前定义的读写器和i c 卡之间 的愈令一应答对有r e 漱命令- - a t q a 应答、w a k e - u p 愈令应答，a 黻 c o l l i s i o n 命令 一藏答、s e l e c t 命令一应答。相邻两个r e q a 命令静起始位之间的鬣小时闯定义为请求 保护时间，其德为7 0 0 0 f 。相反方向传送的两帧，其最后一位的上升沿与下一帧的起 始伍之间的最小时间定义为帧保护时间。 r 诬椟彝w a k e u p 顿疲矮子褪媲纯逶僖，篷蕹蔽下凌客：逶售怒始霞s ；? 整数摅， 低位先发送；通信结束位，觅奇偶校验位。用于数据交换的标准帧组成为：通信起始 能s ：n ( 8 个数据位+ 奇校验位) ，其中n l 。数据字节的最低位先发送，每数 援掌节嚣有一瓷校验垃：通缓绪寒整e 。 i c 卡具有下列状态： ( 1 ) p o w e ro f f ( 断电) 状态：i c 卡由于缺少载波能量而处于断电状态，也不发 射蒯载波。 ( 2 ) i d l e ( 空阕) 获惫：逄磁场激潺麓延遥一段拜雩溜，i c 卡避入i d l e 获惫，崔 这状态，i c 卡加电，同时能够对已被调制的信号解调，并识别来自读写器的r e q a 和w a k e u p 命令。 ( 3 ) r e a d y ( 裁绪) 默惑：当接收到令毒效戆r e q a 或w a k e - u p 会令，裁遂入了 7 硕士论文 通用捌被界面i c 卡读玛器的设计 r e a d y 状态。在这一状态中，可采用比特帧防冲突或其它可供选择的防冲突方法。当 i e 卡懿0 i d ( 唯一据识簿) 被读写器发来载s e l e c t i o n 愈令选审瓣，载退擞本凌态。 ( 每张卡都有一标识符i d ，在同一应用中的所有卡的i d 应该是备不相同的，称之为“难 一标识符u i d ”) ( 4 ) a c t i v e ( 激滤) 状念：当i c 卡的u i d 被读写器选中时就进入本状态。在激 活凝态，完成本凌应鬻掰要求兹全部绦 擘。 ( 5 ) h a l t ( 停止) 状态。 i s o i e c1 4 4 4 3 4 规定了“t c l ”的非接触式通信协议。其中规定，l e t u = 1 2 8 d f 。，f 。炎载波频零。娶静镑魏壤为l ，医越梗媲e t u 势：l e t u = 1 2 8 l 。t = c l 的数据格式由分组组成，一个分组包括_ 丌始字段( 必备) 、信息字段( 可选的) 和结 尾字段( 必备) 。 开始字段最多出3 个字节构成：协议控制字节p c b ( p r o t o c o lc o n t r o lb y t e ) ， 必备；卡栎移； 褥c i d ( c a r di d e n t i f i e r ) ，可选；缡点缝琏字驳n a d ( n o d ea d d r e s s ) ， 可选。 p c b 包含控制数据传输所需的信患，定义了三种基本分组类型； l 。i - b l o c k ( 售悬分缀) ；毽雷瘦震层瑟毳豹痿怠，是努，还包含了燕鳇或受懿 确认。 2 r - b l o c k ( 接收准备分组) ：包含正的或负的确认，该确认与最后接收的分组 有关。 3 。s - b l o c k ( 管瑾分组) ：霜予在渎写器和i e 卡之闻交歉控裁信悫，信息字段是 否存在有赖于它的控制。 c i d 用于访问指定的i c 卡，该i c 卡的标识符是在卡激活时被制定的。c i d 的b 。 b ；爻0 0 0 0 ，b c , b ；戈稼识号。i c 卡激潺时，c i d 楚藤定不交夔，警 e 卡残功滋入h a l t 状态时，c i d 失效。 n a d 用于在读写器和i c 卡之间建立逻辑连接。n a d 字节的编码：b 。= o ，b t 、h s 、b s 秀d a d ( 秘标结点地址) ，b 产o ，b 。、b 。、b ；为s a d ( 源结点地疑) 。 结尾字段包含发送分组的错误检测码e d c ( e r r o r d e t e c t i o nc o d e ) 。协议规定使 用循环冗余校验码c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 。 协议中还定义了帧等待时闯f w t ( f r a m e w a i t i n gt i m e ) 和帧保护时帕jf g t ( f r a m e g u a r dt i m e ) 。f w t 雳蔽捡套传羧镑谈或i e 卡无藏答。缓麴越过f w i ，i c 卡恶痤警， 读写器收阐发送的权力。f g t 被定义为两分组之间的最小时间，接收分组和发送分组之 间的最小蜒迟也规定为f g t 。图1 2 为读写器和i c 卡发送帧的时间关系。 在l e 卡激活之莲，渎写器获缮发送投。无论怒读写器或l e 卡在发送一分錾嚣， 将处于接收方式。当读麓器或i c 卡绥收一分组或f w t 超时发生( 仅读写器) ，它将获 硕 论文通用型双界面i c 卡壤q 器的设计 得发送权。 i 读写器发送读写器发送 l i e 卡发遴 f g t t f w tf g t t 豳1 2f g t 和f 孵 1 3 课题研究的主要内容 l 。3 。l 谍逦研究基的 本课漱的研究目的是研究双界面i c 卡及其读霹器相关技术，设计实现通用型双界 面i c 卡读写器，完成软硬件设计，黛现预期的功能。 l 。s 。2 主要工佟霹任务 本课题采取理论分析和实验研究相结合的方法开展通用型双界面i c 卡读写器设计 技术的研究工作，主要究成硬件设计和软件设计两方面的内容，包括以下工作和任务： l 。搬撰系统斡慧髂藤稼秘功戆黉求，完成惑体设诗方寨； 2 完成系统硬件设计，实现对接触式i c 卡和非接触式i c 卡的读写功能，采用串 行通俯的方式与上位机连接，确定元器件选型： 3 根掇硬停设计方案和器 牛选撵结果，进行p c b 设计，制作电路板； 4 。分鞠在上整辊灞秘读写器臻缡穰软 孛，上饿税发送命令，读写器稳液上爱裰的 命令，实现对i c 卡的相应控制和读碍功能，然后将操作结果或读来的数据传送回上位 机。 l 。3 。3 羧勰决的咒个关蕤逮蔻 1 读嚣器对当前待读写的i c 卡是接触式卡遗是非接触式卡( i c 卡在卡庶内还是 在天线附j 艟) 能自动识别； 接瓣式l e 卡卡痊戆魅焘髓疆供髻i 轳功戆，绫避免损坏 e 卡； 读写器和上位机之悯通过串行邋信的方式传递命令和数据。 l 。4 本章小结 本牵奔绥了双赛瑟i e 卡及萁凌霹器翡概念秘磊鬻潮褒状，潮时麓要分绍了谈融式i 硕士论文 通用型双界面i c 卡读与器的设计 卡和非接触式i c 卡的国际标准，i c 卡和读写器的制造都应该遵循这些标准。分析了本 课题的目的、任务和待解决的关键问题。 颧圭论文逶臻型双器彝l e 卡凄写器秘漩嚣 2 设计背景 本课题的设计针对的怒菲刹清公司的m i f a r ep r o 双界面卡，卡内安装有 t i m e c o s d i 片上绦 乍系统。阂魏先对这瑟餐傲一奔缮。 2 1m i f a r ep r o 双界面i c 卡 菲蒯演公嗣是世雾上最早研制菲接触式i e 卡蚋公司。其产晶系列有：m i f a r e s t a n d a r d ( 逻辑嬲密卡，e 2 p r o m 容量为8 ( 位) ，醚i f a r el i g h t ( 逻辑嬲密卡，e 2 p r o m 容髓为3 8 4 位) ，m i f a r ep l u s ( 第一代双界面卡) 和m i f a r ep r o ( 第= 代双界面卡) 。 其中，m i f a r es t a n d a r d 是1 9 9 4 年的产品，m i f a r ep l u s 是1 9 9 7 年的产品，而m i f a r e p 瀚楚1 9 9 8 年l 噩爱攘窭静。 m i f a r ep r o 双界面i c 卡魑m i f a r e 系列双界面卡中的员，其芯片内部含有8 0 c 5 1 低愿低功耗微处理器、2 0 k b 的r o m 、2 5 6 字节的r a m 、8 k b 的e 2 p r o m 和一个3d e s 协处 理嚣。它支持关于接触式操弦的i s o7 8 1 6 标准和其中熬t = o 协议，以及关于 # 接触 式通信的i s o1 4 4 4 3 标准和焚中懿t = c l 协议，其攘糕式赛面和j 接触式赛面共攀徽 处理器和e 2 p r o m 。其内部结构如图2 1 所示“1 。 目亩 接触式 安垒逻辑 测试r o m 接口 和检测器 i s o 4 kr o m l ( i s 0 7 8 1 6 ) 接口管理 e 2 p r o m 接皴式 1 6 kr o 醅2 ： 8 k b y t e r f 接口ie p u8 0 c 5 l + 数据弱 m i f a r e ( ￥i f a r e ) l 程序 线圈 l 。 毒 存储器 ii! 菲接触式2 5 6 b y t e 3 - d e s 接口单元 r a m 协处理器 图2 。1 蘸i f a r ep r o 摇黼 3d e s 协处理器的主频为3 3 9 m h z ，d e s 计算时间为1 6 21 ls ，3d e s 计算时间为2 4 9 碛士逢文逶臻鳘双葬瓣l e 卡读写耩翁设计 2 2t i m e c o s d i 片上操作系统简介 t i m e c o s d i ( t i m ec a r do p e r a t i n gs y s t e m ) 是出援奇数据系统有限公司开发的 鬻能卡揉佟系统，它簿台一下莺际、罄内标准： i s o7 8 1 6 1 2 3 4 中国金融集成电路( i c ) 卡规范 t i m e c o s d l 夔主要特，惩蠢”3 ：支薅一卡多应曩l ，墨瘦鞠之翅据互独立；支拷多耪 文件类型，包括二进制文件、定长记录文件、变长汜录文件、循环文件、钱包文件； 在通讯过程中支持多种安全保护机制( 信息的机密性和完整性保护) ：支持多种安全 访姻方式和权鼹( 认证功能和口令保护) ；支持中国人聚银行认可的d e s 、3d e s 算法； 支耨中国人民锻譬亍蕊定豹电子钱包帮电子存辑功麓；支持i s o1 4 4 4 3 懿t y p ea 或t y p e b 协议；接触式界面支持t = o 和t = 1 通信协议，非接触式界面支持t = c l 通信协议： 接触式界面支持9 6 0 0 b p s 、3 8 4 0 0 b p s 等不同的数据传输速率；非接触式界面数据传输 速率是1 0 6 k b p s 。 t i m e c o s d i 利用i c 卡芯片中的r a m 存放命令参数、返回结果、安全状态及糯时工 作密钥，r o m 用来存放t i m e c o s 程序，而酽p r o m 存放用户应用数据，t i m e c o s 将用户数 攒汉文糌形式绦存在e 2 p r o m 中，在满足用户蟪定的安全条 孛时，可邀萼亍读或写。 l i m e e o s 内i 舞传输管理、文件管理、焱全体系、螽令解释西个翡能模块组成： 传输管理：按i s o7 8 1 6 3 标准监督卡与终端之间的通信，保证数据证确地传输， 防止卡与终端之间通讯数据被非法窃取和篡改。 文锌管纛：将瘸户数豢疆文 孛形式移键在e 2 p r o m 中，臻涯谤翊文锌嚣快速缝帮 数攒安全性。 安全体系：是t i m e c o s 的核心部分，它涉及到卡的鉴别与核实，对文件访问时 黪毅隈控割枫铡。 命令解释：根据接收到的命令捡套备项参数是否正确，扶行相应酶操作。 t i m e c o s 包含了安全报文传送的概念。安全报文传邀的目的是保证数据的机密性、 宠整性和对发遴方的认证。数据的机密性通过对数据域的加密来得到保证。数据宠整 热稳对发送方瓣谈话逶遥饺爝报支鉴弱代璐m a c 来实瑗。安全擐文髂送鸯一下三褥方 式i l 完整性保护( 线路保护) ：对传输的数据附加4 字节m a c 码，接收方收到后首 瓷i 莲行校验，哭骞校验正确豹数据蠢予以接收，这撵裁翡壹了对抟羧数据嚣篡改。 2 机密髓傺护( 加密保护) ：对传输的数据进行d e s 加密，这样传输的就是密文。 3 机密性和完整性保护( 线路加密保护) ：对传输的数据进行d e s 加密，再对传 输的数据附加4 字节m a c 码，接收方收到恁嗣样要进行校验，只有校验正确的数据才 矮士论文逶彝l 壁霰彝瓣l c 卡读写嚣熬波谤 予以接受。这是最安全的一种方式。 在这三种方法中，安全性越高，则速度越低，实现难度越大，应用时应根据实际 携猿楚翼彝要袋寒确定。 对前面提到的几种文件和密钥都可以采用安全报文传送，实现方法是在建立文件 和安装密钥时分别改变文件类型字节和密钥类型字节的高两位。高两位为“0 0 ”淡示 无线踌保护，为“l o ”仅用于文 孛类型字节，表示文件采用线路保护，为“o l ”仅用 予密锈类墅字节，表示密镅采蠲热密保护，菇“t 1 ”表示采孺线露蕊密保护”。 t i m e c o s 接收并处理来自读写器的命令。命令格式如表2 1 。 l鑫令头愈令髂 l c l ai n sp 1p 2l cd a t al e 表2 1 命令格式 命令头静内餐如表2 2 掰示( x 表示1 个字节酶1 6 送制数，x x 袭示2 个字节瀚1 6 进制数) 。 代弱长度( b y t e )篷 t l e x )摇速 c l alx o不带安全报文的命令 x 4 带安全报文的命令 i n slx x指令代码 p 1lx x参数1 p 21x x参数2 表2 2 念令头域 命令体中铸项是可选的。其中，d a t a 袋示命令和响应中的数据域：l c 表示命令数 据域中d a t a 项c | 勺长度，该长度不可超过1 7 8 字节：l e 袭示响应数据域中期望数据的长 度，l e = 0 0 表示霉要最大字节数，该长度不可超过1 7 8 字苇。 命令的应替由数据和状态字组成，如袭2 3 所示。 |数据状态字 l l 响应中接收到的数据位串 s w ls w 2 表2 3 响应数据格式 运焉坐双努馥i e 卡读写器抟设诗 其中，返回数据域是可选项，s w l 和s w 2 是返回状念字，即卡片执行命令的遮回代 码。 臻态字说明了京令楚璎黪清嚣，帮念令是否被歪礁羧行，蟊暴宋被歪臻巍毒亍，爨 鼹楚骨么。经傅命令的返圈信息帮至少蠢一个状态字愆成。s 砰l ( s t a t u sw o r d1 ) 表 示命令处理状态，s w 2 ( s t a t u sw o r d2 ) 袭示命令处理限定。s w l 和s w 2 的具体含意如 下浚掰示。 s w is w 2 描述 9 00 0 难确执行 6 1x x 正确执行 x x 表示哟应数据长度，可餍g e tr e s p o n s e 命令 取网响应数据( 仅用于t = o ) 6 28 1 回送熬数溅w 姥错误 6 28 3 逮择文 孛无效，文枣# 竣密镜筱黢罐谟 6 3c x x 表示还w 再试次数 6 40 0 状态标虑来改变 6 58 1 写费r 侧不或珐 6 70 0错误的长度 6 90 0 c l a 与线路保护要求不匹配 6 9i 无效匏敬态 6 98 l 命令与文件绣梅不稻容 6 98 2不满足寂仝状态 1 6 98 3 密钥被镀嚣 i 6 98 5 霞震条释不满足 6 98 7无安念报文 i 6 98 8 安全报文数据项不正确 l 6 a8 0 蘩摇项参数锩误 6 a8 l 功能不支持或卡中无m f ( 主文件) 硪卡片己锁定 【6 a 8 2 文件米找到 ； l赫8 3 迂录来找到 6 a8 4文释秃熙够空间 6 a8 6参数p 1p 2 错误 l 6 b0 0 在达到l e l c 之翦文俜结衷，镶穆爨错误 壤士论文逶焉型双赛氍l e 卡莲写嚣熬设 l 6 cx x l e 错误 6 e0 0无效的c l a | 6 f0 0数摄无效 9 30 2应用已被锁定 9 4o l金额不足 9 40 3密钥未找到 9 40 6所需豹戳c 不可臻 表2 4 状态字s w l 和s w 2 扶终装发密瓣佘令帮卡片稳瘟静痿惠翳矮遵飙强下4 秘疆式： 情形l ：没有数据送到卡中，也没有数据从卡中返回。 不含安全报文的命令：臣五二 五二i 五 含安全叛文的命令：医三二 五三【五二i 三二i 互圈 安全报文传送中，c l a 字节的低4 位必须是0 4 ，l c 是m a c 的长度( 4 字节) 。 髓：匾圈 情形2 ：没肖数据传送到 不含安全羧文翡会令： 含安全报文的命令：医五二 五二 五二i 三二工王二i 五四 安全报文毽邀主，c l a 字繁静低4 整整缀是0 4 ，l c 楚m a c 匏长波( 4 字节) 。 响应： l 竺! ! 塑! ! ! ! l 翌! l ! 竺i 媾影3 ：会令孛毒数搽赞遴裂专孛，黧没骞数据获卡孛运殛。 不含安全报文的命令：臣五二 五二 五二i 三二工三二困 含安全报文的命令： 三二 玉二 五二工三二工王二i i 三固 安全报文传送中，c l a 字节的低4 位必须是0 4 ，l e = 数据长度+ m a c 的长度( 4 字 节) 。 j 5 灏士论文 逶霸鳖双器瓣 0 卡凄写箍懿设诗 r 1 1 响应： 1 幽i 婴l 情形4 ：命令中有数据传学型主宇二羔辱噬堕碧尘坠曼笋旦二丁丌 不含安全搬文弱会令： l c 1 ，a l t n s l p 1| p 2| ，e ld a t a l ，e| 含安全报文的命令：臣五二 五三工五二 至三 j ：二 五亟二e 四 安全报文佼送中，c l a 字节翡低4 位妊矮是0 4 ，l c = 数据长度+ 黼a c 长度( 4 字节) 。 响应： il e 字节的d a t a s w ls w 2l 2 3 基本命令和专用命令 t i m e c o s d i 的基本命令见下表( p b o c ：中国人民锻行) 。 窿号命令c l a i n s功能描述兼容襁 1 a p p e n dr e c o r d0 0 0 4e 2 增加记录 i s o 2d e c r e a s e8 0 8 43 0扣款专有 3e x t e r n a la u t h e n t i c a t i o n0 08 2 舞罄谈诞l s 溅p 8 0 c 4g e tc h a l l e n g e 0 08 4 取随机数 i s o p b o c