【摘要】针对接触式IC卡常用于身份认证，要求其高保密性，本文提出利用定时器的PWM输出与输入捕捉功能，设计出一种符合ISO7816协议的字符收发时序，利于ST微处理器实现一个接触式IC卡读写器。
【关键词】保密性；ISO7816协议；ST微处理器
1.引言
在现实生活中，某些特殊的操作会涉及到许多机密，就需要更高权限的人员进行授权。如银行卡密码挂失重置的过程，就需要特殊身份的人员进行授权，而高权限人员一般都是通过在读卡器中插入卡片的方式进行授权。这种接触式IC卡具有很高的安全性，常用于身份认证之类的用途。
本文阐述了如何利于ST微处理器实现一个接触式IC卡读写器。
2.系统总体方案
读卡器的本质就是为PC机与IC卡之间提供一个通信的媒介。负责解释PC语言和IC卡语言，充当一个翻译的作用。为此需要一个接触式IC卡，用于身份认证；要有一个通用的对外接口，方便系统连接；提供一个或多个工作状态的灯；故障时能提供一个明确的报警，以提醒用户。如图1所示。
从图1可知：系统采用RS232作为PC接口，RS232是PC机的标配，适应范围较广。行业中使用最多的也是RS323，方便读卡器与以前系统相接；采用STM32F103作为处理器，其UART接口能满足PC机与系统之间的通信要求，其PWM功能能实现终端与IC卡之间的通信要求。
为防止终端出现故障时损坏IC卡，在STM32F103与IC卡之间，系统提供一个保护芯片，即TDA8024。TDA8024在CPU与IC卡之间提供一个透明通道，但可以为IC卡插入取出时提供一个静电保护，在IC卡发生接触故障或用户非法取出IC卡时，能提供一个快速下电过程，以保护IC卡。
3.系统硬件设计
系统硬件主要分为四个部分，分别是主控（STM32F103）设计、RS232驱动设计、IC卡驱动设计、电源设计。
3.1 主控设计
系统主控芯片为STM32F103。STM—32F103使用高性能的ARM Cortex—M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。
系统主要使用RS232、3个定时器（PWM）两个功能。STM32F103硬件电路图如图2。
TX、RX为UART接口，负责与PC机通信。
BUZZER为蜂鸣器控制口。
LED_PWRON为卡片上电指示灯控制口。
LED_PRES为卡片插入指标灯控制口。
CLK、RST、IO、PWRSRC、CMDVCC、OFF与TDA8024接口，负责与IC卡通信。
3.2 RS232驱动设计
STM32F103的UART接口为TTL电平，PC机串口为RS232电平，两者之间通过SP3232进行转换。RS232驱动电路图如图3。
3.3 IC卡驱动设计
STM32F103虽然自带了兼容ISO7816协议的UART接口，但UART对时钟的处理比较弱，并不能确保产品能通过银联相关认证。因此，系统使用定时器中的PWM输出及输入捕捉两项功能来模拟ISO7816。这种模拟可以使用IC卡通信精确到单个时钟沿。
IC卡驱动电路图如图4所示。
CMDVCC为电源开关，低电平有效。CMDVCC用普通IO口线控制。
PWRSRC为电源选择，高电平为5V，低电平为3V。系统不支持1.8V卡，目前国内一般都使用5V卡。PWRSRC用普通IO口线直接控制。
RST为复位，低电平有效。RST使用定时器4的PWM输出功能，确保波形精确性。
CLK为时钟。CLK使用定时器2的PWM输出功能，确保波形精确性。
IO为数据线，双向输入输出。IO使用定时器3的输入捕捉功能，确保每个数据所在的时钟沿。
OFF为卡检测线。高电平为有卡。同时在电源打开时，若发生硬件故障时，会自动改变为低电平，同时自动去激活操作，以保护卡片。OFF使用中断口，以便于实时监测卡片动态。
3.4 电源设计
系统通过USB供电，USB接口为5V，STM32F103电压为2.0V—3.6V，TDA8024为3V或5V，因此系统最终采用3.3V供电。系统使用LM1117—3.3稳压芯片提供一个稳定的3.3V电源。
电源电路图如图5。
4.系统软件设计
系统软件设计主要包括IC卡驱动设计、RS232驱动设计、主流程设计。本文主要对IC卡驱动的设计进行详细介绍。RS232驱动设计及主流程都比较简单，就不再单独介绍。
IC卡驱动的设计主要有两点，物理传输与通信协议。
4.1 物理传输
物理传输包括触点激活时序、复位时序、触点释放时序、字符帧时序。
物理传输设计的总方案是用定时器的PWM输出、输入捕捉实现RST、CLK、IO的功能，利用定时器方式能实现波形精确到单个CLK。RST、CLK、IO各自使用一个定时器。
定时器初始化步骤：
CLK、RST、IO为普通IO口推挽输出模式。
CLK：PWM输出，输出3MHz。
RST：PWM输出，0—42250输出低电平，42250—65525输出高电平。
IO：输入捕捉，根据捕捉寄存器来确认所处CLK。
RST、IO所处定时器与CLK定时器同步启动。
启动CLK定时器。
4.1.1 触点激活时序
ISO7816协议要求IC卡正确插入接口设备后，触点必须按如下方式激活，如图6。 触点激活时序不是一个单独的时序，它是伴随着冷复位时序一起实现的。
4.1.2 复位时序
复位时序又分为冷复位时序和热复位时序。
在触点激活后，终端将发出一个冷复位信号，并从IC卡获得一个复位应答信号，如图7，过程如下：
在冷复位过程之后，如果收到的复位应答信号不能满足规定，终端将启动热复位并从IC卡获得复位应答，见图8。其过程如下：
系统为编程方便，将冷复位时序和热复位时序统一合为一个复位时序。根据复位标志是冷复位标志还是热复位标志执行不同步骤：
若热复位，则IO切换至输入捕捉模式。
若冷复位，则CMDVCC=1（关闭电源），PWRSRC=1（国内卡片一般为5V），RST=0，CLK=0，IO=0。
等待，确保RST定时器小于100。
若冷复位，则CLK切换至PWM输出模式，输出时钟。
等待，确保RST定时器大于42550。
RST切换到普通IO口模式，且输出高电平。
接收ATR数据。
4.1.3 触点释放时序
作为卡片操作的最后一步，根据交易的正常或异常结束（包括在卡片操作过程中将卡片从接口设备中拔出），终端必须如下释放接口设备触点，如图9。
根据系统要求，按如下步骤设计：
RST切换到普通IO模式，且输出低电平
等待10个NOP周期。
CLK切换至普通IO模式，且输出低电平
等待10个NOP周期。
IO切换至普通IO模式，且输出低电平
等待10个NOP周期。
CMDVCC输出高电平，关闭电源。
4.1.4 字符帧
数据在I/O上以如下所述的字符帧方式传输，如图10。
字符帧时序分为读、写两部分。
根据字符帧时序，按如下步骤设计字符帧读操作：
计算读操作起始时间及结束时间。
通过定时器延时至起始时刻，清捕捉标志。
检测捕捉标志，且判断时间是否超时。
若无捕捉标志或捕捉标志已超时，退出，返回起始位超时错误。
延时0.2etu，检测IO状态，若IO为高，则跳至第3步执行。
延时0.2etu，检测IO状态，若IO为高，则跳至第3步执行。
延时0.2etu，检测IO状态，若IO为高，则跳至第3步执行。
延时0.4etu。
延时0.5etu，检测IO状态，IO状态即为数据位。延时0.5etu。
循环9次，最后一位为校验位。（国内卡一般都是T0卡，因此系统仅T0协议）
判断检验位，若校验位正确，退出，返回无故障。
若是第5次校验错误，退出，返回校验错误。
延时0.5etu，IO输出低电平，延时1etu。
跳至第1步执行。
根据字符帧时序，按如下步骤设计字符帧写操作：
通过定时器延时至起始时刻。
IO输出低电平，延时1etu。
IO根据发送字节及校验位连续输出9次电平，每次输完延时1etu。
延时1etu，检测IO状态。
若IO为高电平，退出，返回无故障。
若连续5次发送错误，退出，返回发送错误。
重新计算发送起始时刻，起始时刻为同方向最小发送间隔时间。
跳到第1步执行。
4.2 通信协议
通信协议同时也是IC卡对外的接口，主要分为上电、下电、APDU三个接口。
4.2.1 上电
上电接口包括了触点激活时序、触点释放时序、复位时序三个部分，同时判断接收的ATR数据是否符合ISO7816规范。
上电过程如下：
检测当前状态卡状态，若是处于激活状态，则先下电。
置冷复位状态。
IC卡复位。
接收ATR第一个数据。
若第一个数据不是3B或3F，退出，返回ATR_TS错误。
接收T0，并根据T0确定后续TA1、TB1、TC1、TD1、历史字符是否存在。
若存在TA1，接收TA1。否则跳过此步骤。
若存在TB1，接收TB1。否则跳过此步骤。
若存在TC1，接收TC1。否则跳过此步骤。
若存在TD1，接收TD1，并根据TD1确定后续TA2、TB2、TC2、TD2是否存在。否则跳过此步骤。
若存在TA2，接收TA2。否则跳过此步骤。
若存在TB2，接收TB2。否则跳过此步骤。
若存在TC2，接收TC2。否则跳过此步骤。
若存在TD2，接收TD2，并根据TD1确定后续TA3、TB3、TC3、TD3是否存在。否则跳过此步骤。
若存在TA3，接收TA3，否则跳过此步骤。
若存在TB3，接收TB3，否则跳过此步骤。
若存在TC3，接收TC3，否则跳过此步骤。
若存在TD3，接收TD3，并根据TD1确定后续TA4、TB4、TC4是否存在。否则跳过此步骤。
若存在TA4，接收TA4，否则跳过此步骤。
若存在TB4，接收TB4，否则跳过此步骤。
若存在TC4，接收TC4，否则跳过此步骤。
若存在历史字符，则接收历史字符。
根据TA1、TA2确定是否需要发送PPS帧。若需要则发送PPS帧。
根据ATR规范，判断ATR数据是否正确，并确定与之相关的各项参数。
若ATR数据符合规范，则置卡片激活状态，退出，返回ATR数据。
若错误码为拒绝ATR，且当前复位为冷复位，则置热复位标志，跳至第3步骤执行。若当前复位为热复位，则下电，退出，返回拒绝ATR错误码。
其他错误码，则下电，退出，返回相应错误码。
4.2.2 下电
下电操作仅包括了触点释放时序。 触点释放时序
清卡片激活状态标志。
在卡片处于激活状态时，用户可能会因某种原因突然将卡片取走，为了在这种状态下保护卡片，TDA8024会强制性执行芯片级的下电操作。且OFF采用中断模式，会实时检测到此种状态，将CMDVCC置高，关闭卡片电源。
4.2.3 APDU
APDU分为C—APDU、R—APDU。
C—APDU分为4种情况，见表1。
APDU实现步骤：
检测C—APDU数据正正确性，若不正确，则退出，返回输入参数错误码。
确认INS、LE、LC等参数。若C—APDU是第1种情况，则置P3=0。
发送命令头CLA、INA、P1、P2、P3。
接收过程字。
若过程字是INS，且LC>0，则发送LC个数据。跳至第4步骤。
若过程字是INS，且LE>0，则接收LE个数据。跳至第4步骤。
若过程字是INS，且LC=0、LE=0，则退出，返回IC故障错误码。
若过程字是INS补码，且LC>0，则发送1个数据，LC——，跳至第4步骤。
若过程字是INS补码，且LE>0，则接收1个数据，LE——，跳至第4步骤。
若过程字是INS补码，且LC=0、LE=0，则退出，返回IC故障错误码。
若过程字是60，则等待一个额外时间后，跳至第4步骤。
若过程字是61XX，且LC>0，则退出，返回IC卡错误错误码。
若过程字是61XX，且LC=0，则发送00C00000XX，且LE=XX，跳至第4步骤。
若过程字是6CXX，且LC>0，则退出，返回IC卡错误错误码。
若过程字是6CXX，且LC=0，则P3=XX，重新发送命令码，且LC=0、LE=XX，跳至第4步骤。
若过程字是6XXX，则表明收到的是状态字，则退出，返回无故障。此处无故障表示操作无故障，具体的状态由上层根据状态字判断。
若过程字是其他数据，则退出，返回IC卡错误错误码。
5.总结
本文创作的特点：利用定时器的PWM输出与输入捕捉功能，设计出一种符合ISO7816协议的字符收发时序，这种时序比一般单片机自带的兼容ISO7816协议的UART能更精细精确的控制，更能通过银联的相关认证。同时，只要带有PWM输出、输入捕捉功能的单片机都能方便的进行移植。
参考文献
[1]STM32F103中文数据手册.
[2]http：//www.zlgmcu.com/goldencard/MF/TDA8024.asp.
[3]1117稳压模块产品使用手册.
[4]http：//wenku.baidu.com/view/6d1fdb0116fc700abb68fc2c.html.
[5]中国金融集成电路（IC）卡规范第3部分：与应用无关的IC卡与终端接口规范.
作者简介：何碧贵（1980—），女，硕士，重庆电子工程职业学院讲师，研究方向：数字信号处理，交换网络。
