摘 要：為了完成并行數(shù)據(jù)格式DSP和串行數(shù)據(jù)格式SIM卡間的通信，基于ISO/IEC7816—3串行通信協(xié)議，在FPGA平臺上實現(xiàn)了他們之間的通信。FPGA完成了從DSP數(shù)據(jù)到SIM卡的數(shù)據(jù)并/串轉(zhuǎn)換與寫入，SIM接收到數(shù)據(jù)信息后會返回信息，F(xiàn)PGA完成返回數(shù)據(jù)的串/并轉(zhuǎn)換以及回傳到DSP。此方案不僅解決了DSP與SIM卡間串行通信問題而且與軟件實現(xiàn)方案相比，大大減少了通信時間。

關(guān)鍵詞：ISO/IEC7816—3通信協(xié)議；SIM卡；串/并轉(zhuǎn)換；導航定位

中圖分類號：TN919.5 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0316402

Implementation of ISO/IEC7816—3 Serial Communication Protocol on FPGA

ZHANG Ziwu，DING Xiaoming，SHEN Chao

(Information Science Research Institute，Beijing Jiaotong University，Beijing，100044，China)

Abstract：To finish communication between DSP with the parallel data format and SIM card with the serial data format，the paper implements the communication between them based on ISO/IEC7816—3 serial communication protocol on FPGA hardware platform.FPGA finished data conversion from parallel data in DSP to serial data in SIM.The SIM returns a signal when it receives digital signal.FPGA converts the signal to serial data and inputs DSP.It will not only solve the problem of serial communication between DSP and SIM but also need less time than the implementation of communication with software.

Keywords：ISO/IEC7816—3 communication protocol;SIM card;serial/parallel conversion;navigation positioning

收稿日期：20070713

基金項目:本論文屬于中國空間技術(shù)研究院503所XX型擴頻接收機項目，資金來源于中國空間技術(shù)研究院項目基金

1 引 言

隨著導航定位中數(shù)據(jù)安全要求的不斷提高，導航數(shù)據(jù)加密越來越普遍，因此用于數(shù)據(jù)解密運算的SIM卡得以大量應(yīng)用。把DSP中解調(diào)數(shù)據(jù)輸入到SIM卡中進行解密，就需要轉(zhuǎn)換設(shè)備把DSP并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合ISO/IEC7816—3串行通信協(xié)議能被SIM正確接收的串行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換設(shè)備還需要把SIM卡返回數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)寫入DSP進行處理。

另外，隨著FPGA在性能資源的不斷提高，他在導航方面開始嶄露頭角。由于FPGA 具有可重構(gòu)、可綜合優(yōu)化等優(yōu)點，所以選用FPGA實現(xiàn)DSP到SIM間的數(shù)據(jù)通信是一個比較理想的方案。

2 ISO/IEC7816—3串行通信協(xié)議

ISO/IEC7816—3規(guī)定了IC卡的電氣特性和傳輸協(xié)議。由接口設(shè)備給IC卡提供電源、復位信號和時鐘，卡和接口設(shè)備間通過I/O端口進行串行通信。I/O端口共存在兩種狀態(tài)：發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)。

IC卡根據(jù)通信協(xié)議可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式IC卡主要采用T=0和T=1通信協(xié)議。T=0是異步半雙工字符傳輸協(xié)議，T=1是異步半雙工塊傳輸協(xié)議。接觸式IC卡以圖1所示的字符幀方式傳輸。

圖1 7816—3協(xié)議字符幀格式

串行通信是按位傳送的，每位信息寬度定義為基本時間單位ETU(Elementary Time Unit)。在復位應(yīng)答期間的信息寬度為“初始ETU”，為372個時鐘周期。復位應(yīng)答后的信息寬度稱為“當前ETU”，計算公式為：

當前ETU=FD#8226;f

其中：F是時鐘頻率變換因數(shù)，D是比特率調(diào)整因數(shù)，f是時鐘頻率。

在本方案的設(shè)計中，對協(xié)議規(guī)定字符幀格式的校驗位做了調(diào)整，在本設(shè)計中以“0”為幀起始位，以“1”作為結(jié)束位。從高電平的結(jié)束位到低電平的起始位能確保字符幀正確地傳輸。

3 用FPGA實現(xiàn)DSP與SIM卡間串行通信的方案

DSP與SIM卡間串行通信實現(xiàn)原理圖如圖2所示。

由圖2可知，DSP通過I/O控制、并/串轉(zhuǎn)換和串/并轉(zhuǎn)換完成對SIM卡的信息讀寫。在此系統(tǒng)中，兩個轉(zhuǎn)換起到最主要的作用，他們完成并行信息和符合串行協(xié)議的串行信息間的轉(zhuǎn)換。

圖2 DSP與SIM卡間通信實現(xiàn)原理圖

FPGA實現(xiàn)DSP與SIM卡間串行通信的方框圖如圖3所示。

圖3 DSP與SIM卡間通信FPGA實現(xiàn)方框圖

FPGA設(shè)計主要包括DSP與FPGA數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計、地址譯碼、FIFO緩存、并/串、串/并轉(zhuǎn)換、SIM卡輸入輸出控制等模塊。FIFO緩存DSP輸入數(shù)據(jù)和串/并轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)，并/串、串/并實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換，SIM卡輸入輸出控制利用發(fā)送FIFO空標志及時地選通回路。DSP與SIM卡間操作流程如圖4所示。

圖4 DSP與SIM卡操作流程圖

4 FPGA設(shè)計中的主要模塊及其仿真結(jié)果

本課題選用TI公司的DSP芯片和Altera公司的FPGA芯片(EP2S15F672C5)完成所有設(shè)計。

利用兩個鎖相環(huán)IP核生成系統(tǒng)所需62 MHz時鐘，此時鐘用作FPGA的62 MHz系統(tǒng)時鐘。利用分頻模塊生成SIM卡所需的5 MHz時鐘和生成串行數(shù)據(jù)所需的5 MHz時鐘的32分頻。

FPGA設(shè)計中選用2個FIFO IP核來對數(shù)據(jù)進行緩存以此來實現(xiàn)DSP與SIM卡連續(xù)通信。FIFO的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 FIFO讀寫仿真圖

由于SIM和FIFO對復位時鐘的要求很嚴格，所以本設(shè)計采用通過DSP對FPGA中一寄存器寫“101”生成軟復位脈沖。此種軟復位方法完成復位既方便又不容易出錯。

此FPGA設(shè)計中最重要的兩個模塊就是并/串轉(zhuǎn)換和串/并轉(zhuǎn)換模塊，并/串轉(zhuǎn)換模塊把DSP輸入的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成寬度為5 MHz時鐘32分頻的串行數(shù)據(jù)。串/并轉(zhuǎn)換模塊再把SIM卡返回的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DSP接收的并行數(shù)據(jù)。并/串轉(zhuǎn)換和串/并轉(zhuǎn)換模塊的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 并/串、串/并轉(zhuǎn)換仿真圖

由于SIM卡采用單I/O口的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出，利用發(fā)送FIFO的空標志輸出判斷所有信息指令成功寫到SIM卡之后，F(xiàn)GPA中控制DSP寫命令字來選通由SIM卡到FPGA的回路。

5 結(jié) 語

在傳統(tǒng)設(shè)計中，ISO/IEC7816—3協(xié)議通過軟件編程來實現(xiàn)，通信的實時性、可靠性和穩(wěn)定性不好。與傳統(tǒng)方案相比，F(xiàn)PGA設(shè)計方案解決了上述問題，并且他的可定制性和IP復用技術(shù)等使得開發(fā)周期和難度大大降低。隨著SIM卡在各個方面的應(yīng)用，本設(shè)計可以做成一個定制而又通用的功能模塊直接在其他許多系統(tǒng)中使用。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。