一種多SAM模塊的低功耗IC卡讀卡器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文章出處：http://www.nyfzw.net 作者：武衛(wèi)東 王光興   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月16日

    IC卡又叫智能卡，它將大規(guī)模集成電路(IC:Integrated circuit)封裝在卡片中，卡片上印有說明文字和圖像，可以存儲(chǔ)大量信息．具有極強(qiáng)的保密性能，抗干擾、無磨損、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

    根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)Ic卡可以分為以下3類：1．存儲(chǔ)卡；2．邏輯加密卡；3．CPU卡。CPU卡內(nèi)部帶有微處理器，把具有存儲(chǔ)加密及數(shù)據(jù)處理能力的芯片鑲嵌在塑料基片中；CPU卡采用密鑰管理機(jī)制認(rèn)證過程，通過加密算法運(yùn)算在SAM卡和CPU卡之間動(dòng)態(tài)進(jìn)行，CPU卡和SAM卡之間傳遞的是一種動(dòng)態(tài)變化的偽隨機(jī)碼，在實(shí)際應(yīng)用中被破譯和攻擊的可能性非常小；在性能上比存儲(chǔ)卡有較好的安全性，兼容性和擴(kuò)展性；CPU卡信息傳輸方式遵循ISO7816—3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，芯片升級(jí)時(shí)不需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的微控制器程序進(jìn)行改動(dòng)，這是存儲(chǔ)卡和邏輯加密卡所不能作到的。CPU卡采用文件方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，可以對(duì)不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行目錄管理，很容易實(shí)現(xiàn)一卡多用。

    CPU卡的這些優(yōu)勢(shì)使其在智能卡表、通信、設(shè)備，交通收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)、安全金融設(shè)備等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是目前市面上的CPU型IC卡種類較多，彼此之間的安全認(rèn)證過程不盡相同，且彼此保密。所以為了使瀆卡器兼容不同IC卡，需要設(shè)計(jì)一種可以使用不同的SAM卡來對(duì)不同的IC卡進(jìn)行安全認(rèn)證的讀卡器，作者根據(jù)某通信有限公司的要求，設(shè)計(jì)了一種超低功耗的讀卡器。文章第一部分介紹了讀卡器的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理，第二部分介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，第三部分對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了低功耗測(cè)試和性能測(cè)試，最后給出了結(jié)論。

    1 讀卡器的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

    (1)MSP430F149單片機(jī)是讀卡器主控制器，負(fù)責(zé)判斷讀卡器中是否插卡，若插卡，則通過對(duì)SAM卡卡座中的SAM卡的掃描，對(duì)CPU卡進(jìn)行型號(hào)判別。判定IC卡類型后，使用相應(yīng)的SAM 卡模塊，對(duì)該CPU進(jìn)行安全認(rèn)證，認(rèn)證結(jié)束，通知主機(jī)，IC卡合法，主機(jī)啟動(dòng)相應(yīng)的業(yè)務(wù)進(jìn)行服務(wù)．通過通信協(xié)議，主機(jī)可以發(fā)送讀余額、扣費(fèi)等指令，MSP430F149單片機(jī)接到指令．通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議向CPU卡發(fā)出讀余額、扣費(fèi)等操作指令，CPU卡接到指令后自動(dòng)完成這些操作。

    (2)電源：由于該讀卡器在實(shí)際使用中是嵌入到所應(yīng)用的系統(tǒng)中，所以系統(tǒng)應(yīng)該提供標(biāo)準(zhǔn)的5V電源(可以在RS一232 C接口端取)，為了降低讀卡器的功耗，選用的MSP430F149需要3V的工作電壓，因此選用AS818 DC—DC芯片進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換。

    (3)用戶卡：用戶卡用CPU型IC卡，用戶卡卡座選用的是常開型卡座，當(dāng)用戶卡插入時(shí)，迫使卡座中SW開關(guān)的兩個(gè)腳短路，這兩個(gè)腳一端接地，一端接單片機(jī)具有中斷功能的I／0腳，通過外部上拉，中斷啟動(dòng)。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于大部分時(shí)間處于低功耗狀態(tài)(睡眠模式)，所以在軟件上采用中斷喚醒的工作方式。用戶卡驅(qū)動(dòng)模塊電路圖如圖4所示，CD4066起開關(guān)作用，在不讀卡時(shí)使其與主控器的控制信號(hào)隔離。

    (4)SAM卡：為了兼容各種用戶卡，瀆取不同公司的SAM 卡，SAM卡卡座選用的是普通的卡座，通過CMOS電壓向rITrL電壓轉(zhuǎn)換電路和MSP430F149相連。電壓轉(zhuǎn)換電路利用雙電源電平移位器74LVC4245來實(shí)現(xiàn)。SAM 卡驅(qū)動(dòng)模塊電路圖與用戶卡類似。

    (5)RS一232 C接口：IC卡讀寫器多數(shù)是采用RS232串口進(jìn)行通信的，其硬件的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，一般的主機(jī)系統(tǒng)都具有RS一232 C接口，因此可以保證讀卡器具有很好的通用性。

    2 讀卡器的軟件設(shè)計(jì)

    軟件功能模塊，核心部分包括以下幾個(gè)模塊：SAM卡的操作模塊、用戶卡4436卡的操作模塊、IC操作模塊和串口發(fā)送和協(xié)議解析模塊。SAM卡的操作模塊主要完成對(duì)SAM卡進(jìn)行復(fù)位、基本寫讀操作和命令的發(fā)送和返回字節(jié)數(shù)據(jù)的解析。4436卡的操作模塊主要完成對(duì)4436卡數(shù)據(jù)的讀取和認(rèn)證的操作。IC卡的操作模塊主要完成對(duì)24c01卡和24c01管理卡的指定地址的讀寫操作。串口發(fā)送和協(xié)議解析模塊主要完成對(duì)通信協(xié)議的解析和數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送。

    讀卡器的軟件主流程圖從略。判斷有無卡，通過檢測(cè)SW引腳的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)，置位為有卡，否則為無卡。當(dāng)有卡時(shí)MSP430F149MCU向主機(jī)發(fā)出請(qǐng)求，讀卡器接收主機(jī)命令，模塊執(zhí)行檢查卡類型子程序，根據(jù)時(shí)序檢測(cè)卡的類型，并返回?cái)?shù)據(jù)。

    3 綜合測(cè)試

    系統(tǒng)的穩(wěn)定性測(cè)試：采用了72小時(shí)重復(fù)認(rèn)證和讀寫的方法，通過編寫專門的測(cè)試程序?qū)ψx卡器進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
低功耗測(cè)試：根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求先將演示系統(tǒng)的讀卡器進(jìn)行測(cè)試。

    本測(cè)試方法采用VC9807電流表串聯(lián)測(cè)量的方法，測(cè)試時(shí)采用的測(cè)試程序?yàn)橐谎h(huán)認(rèn)證程序，即設(shè)計(jì)的一個(gè)無限循環(huán)的連續(xù)認(rèn)證的程序，因此所測(cè)的電流為系統(tǒng)的最大工作電流。設(shè)計(jì)時(shí)，采用全貼片元器件的設(shè)計(jì)和焊接工藝，設(shè)計(jì)的讀卡器體積60mm*40mm*20mm。因此可以方便地嵌人到公用電話機(jī)、自動(dòng)會(huì)員機(jī)、自動(dòng)提款機(jī)等系統(tǒng)中，具有體積小的特點(diǎn)。

    4 結(jié)論

    綜上所述，通過對(duì)不同CPU卡和SAM卡的研究和分析，提出了通過使用多SAM卡模塊的循環(huán)掃描對(duì)多種用戶卡進(jìn)行認(rèn)證管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種CPU卡的支持，讀卡器兼容多種用戶卡的方法，經(jīng)過聯(lián)合調(diào)試，系統(tǒng)完成了低功耗和項(xiàng)目所規(guī)定的技術(shù)要求，通過了某通信公司的項(xiàng)目驗(yàn)收，很好完成了此項(xiàng)目，同時(shí)具有低功耗，運(yùn)行穩(wěn)定、體積小等特點(diǎn)。