DSP与IC卡接口设计

摘　要: 本文给出两种IC卡(存储卡和智能卡)结构、读写操作以及与DSP接口设计。
关键词: IC卡；存储卡；智能卡；DSP

图1 AT24C16SC结构框图

图2 AT24C16SC时序图

　　随着社会信息化程度的提高，IC卡的使用越来越普遍。IC卡分为接触式和非接触式两种。接触式IC卡分为存储卡和智能卡(又叫作CPU卡)。本文讨论了如何使用DSP的GPIO(通用输入输出)接口实现与IC卡的通信。

　　图3 写卡操作命令时序图

　　图4 读卡操作命令时序图

　　DSP和存储卡接口
　　存储卡只具有存储功能，是一片串行的EEPROM。以AT24C16SC为例，支持3V和5V电源，存取速度可达100KHz(3V)和400KHz(5V)；容量为16Kbit，分为128页面；双向数据线(SDA)为OD(Open Drain)驱动，需加上拉电阻方可实施通信。该芯片可擦写10万次，内部数据可保持100年，具有3000V以上高压保护。内部结构如图1。
　　存储卡访问时序为I2C标准时序：在时钟线(SCL)为低时通过SDA实施对芯片读写；当SCL为高时，SDA处于保持状态(即数据有效期)。当SCL为高时，SDA的变化表示芯片处于不同状态：
　　●　开始状态：当SCL为高时，SDA由高变低表示一个开始状态，任何操作前均需一个开始状态。
　　●　停止状态：当SCL为高时，SDA由低变高表示一个停止状态，跟在每个操作后，将卡置于等待(Stand by)模式。
　　在读写时，地址和数据都是按照8bit的大小进行传输，接收的一方需要返回一个ACK信号表示确认，这个ACK信号用在第9bit的位置返回一个‘0’来表示。在读卡操作时，DSP在收到8bit后，第9个clock时应向卡发送‘0’，表示收到了正确的数据同时要求卡继续发送下一组8bit数据，如果没有这个ACK信号，则卡就会中止当前读操作返回等待模式。在写卡操作时，卡收到DSP发送的地址和数据后也应返回一个ACK信号，表示收到了正确的命令。开始和停止状态、确认信号时序图如图2。
　　一个读写操作的开始需要先发送一个Device Address字节，这个字节的高4bit是“1010”，接着3bit是卡的高位地址，比如AT24C16SC需要有11位地址(2K字节的大小)，高3bit地址就是这里来指示，最后1bit是读写控制bit，若为‘1’，则表示后面进行一个读操作，若为‘0’，则表示后面进行一个写操作。
　　写卡操作分为字写和页写。字写时，当发送完Device Address字节(最后1bit为‘0’)后，发送一个Word Address字节(卡的低8位地址)，接着发送一个字节的数据，最后发送停止状态。页写时，可连续发送16个字节数据后再发送停止状态位。需要注意的是页写时，低4位地址是卡内部自增的，当到达页末地址时会自动返回页首地址，所以要正确发送停止状态，否则继续写入的字节就会覆盖原来的数据(命令时序图见图3)。
读卡操作分为读当前地址、读任意地址和顺序读三种方式。以读任意地址为例，在发送完Device Address字节(最后1bit为‘1’指明读操作)后，发送Word Address字节，这一过程是要装载要读的地址，再发送一个Device Address字节(同样最后1bit为‘1’指明读操作)，便可从卡读取一个连续8bit数据，最后发送停止状态(而不是ACK信号)结束读操作(命令时序图见图4)。
　　以上分析可见，DSP与存储卡接口的关键就是如何产生SCL和SDA时序。将DSP的GPIO接口分别与存储卡的SCL、SDA连接。需要注意的是，因为DSP的工作频率很高，改变状态之前需要插入等待周期。
写卡的函数编程实例从略(基于C5409)。


图5 智能卡的复位应答



图6智能卡的访问时序

　　DSP与智能卡接口
　　智能卡内部有CPU、ROM、RAM、EEPROM等资源，卡内驻有智能卡操作系统(COS)，实施对卡的管理和维护。因为卡内有CPU和RAM，可根据需要进行一些运算和数据加密，卡内EEPOM用于存放用户资料(容量也较存储卡大)。智能卡较存储卡功能更强，更安全(数据都受到加密保护)，因而应用面更广，价格也比存储卡高。
　　智能卡的操作遵循ISO7816－3规范，通信时序类似于双向RS－232通信协议。操作前需要对卡进行激活，激活的步骤为：VCC供电、RST为低、I/O设为输入、提供CLK；之后对卡进行复位，复位分为冷复位和热复位，两者区别在于冷复位时RST由低变高，而热复位时RST由高变低再变高。复位后，卡应发出复位应答；DSP接收到卡的复位应答后，便可向卡发送指令。取卡前需要进行“释放”，步骤顺序与激活相反：RST变低，CLK变低，VCC掉电。
　　卡的复位应答信息的组成如图5。
　　TS：初始化字节，用来进行bit同步和指示后续通信的编码方式，例如0x3f表示反码编码，0x3b表示正常编码；
　　T0：格式字节，高4个bit用来指示是否传输TA1、TB1、TC1、TD1，低4个bit用来指示有多少个历史字符；
　　TAi、TBi、TCi：接口字节，用来设置操作的一些参数，比如速率，保护时间，编程电压等；
　　TDi：接口字节，高4bit用来指示是否传输TAi+1、TBi+1、TCi+1，低4个bit用来指示传输类型T。T＝0，字符半双工模式；T＝1，块半双工模式，其他的T值保留。我们常用T＝0即字符模式；
　　T1_TK：历史字符，由制卡商提供；
　　TCK：校验位，是T0_TK所有字节的异或，T＝0时不传此字节。
　　访问卡的时序如图6所示。
　　可以看出，1个字节帧由13位组成，包括1个起始位、8个数据位、1个校验位、2个保护时间位。在外部提供时钟方式(常用方式)下，图6中每个位占的时间间隔(ETU)默认为外部时钟周期的372倍。例如，外部时钟为3.57MHz时，位的间隔是9600，相当于速率为9600。保护时间最长可以为外部时钟周期的254倍。
　　DSP与智能卡的连接跟存储卡不同，RST引脚用来对卡内CPU复位，可与DSP一个GPIO连接；智能卡的CLK为卡内CPU工作时钟，速度高(1MHz~5MHz)，要求稳定，用DSP的GPIO产生这样的时钟不可能。通常使用DSP一个串口McBSP发送的时钟CLKX作为智能卡的时钟。与存储卡相同，DSP的一个GPIO与智能卡I/O相连。I/O是双向，需要正确设置DSP的GPIO方向，且有精确的速率要求的，即为CLK速率的1/372，可以采用DSP内部定时器产生。
　　读卡函数编程实例从略(基于C5409)。■

参考文献：
1． TMS320C54x DSP Reference Set：Enhanced Periherals，Texas Instruments，1999
2． TMS320C54x DSP Reference Set：CPU and Periherals，Texas Instruments，2001
3． AT24C16SC：2-Wire EEPROM Card Module，Atmel，2000