于茫

摘 要：針對單片機實現(xiàn)PSAM卡讀寫過程中存在的實時性差及時鐘不可配的問題，設(shè)計了基于FPGA實現(xiàn)ISO7816-3半雙工串行通信系統(tǒng)的方法。利用該方法訪問PSAM數(shù)據(jù)，時鐘周期靈活可配，縮減了數(shù)據(jù)交互時間，實時性好。同時考慮到接收數(shù)據(jù)中遇到的超時、校驗失敗等問題，設(shè)計了中斷模塊，采用共享中斷線區(qū)分中斷號的方法上報給上位機，不僅節(jié)省了器件引腳，而且達(dá)到了區(qū)分中斷的目的。最終該方法通過仿真及板級驗證，與PSAM正常通信。

關(guān)鍵詞：ISO/IEC7816;FPGA;PSAM;秘鑰管理;串/并轉(zhuǎn)換;串行通信

0 引 言

隨著越來越多的RFID讀寫器和標(biāo)簽應(yīng)用在物流、珠寶、電子車牌等行業(yè)，數(shù)據(jù)的保密性和完整性已經(jīng)變得越來越重要。為解決數(shù)據(jù)保密問題，通過閱讀器下發(fā)秘鑰授權(quán)訪問標(biāo)簽的存儲區(qū)成為當(dāng)下關(guān)注的熱點，因此如何設(shè)計秘鑰的載體成為讀寫器廠家考慮的重點。其中一種常用的方法是參考銀行的IC卡設(shè)計，在讀寫器終端放置已經(jīng)存儲秘鑰的PSAM卡[1-4]。

PSAM卡屬于IC接觸式卡的一種，數(shù)據(jù)傳輸須符合ISO/IEC 7816協(xié)議。軟件設(shè)計一般參考ISO/IEC 7816-3和ISO/IEC 7816-4協(xié)議。ISO/IEC 7816-3規(guī)定了智能卡與接口設(shè)備的電信號和傳輸協(xié)議，為半雙工協(xié)議;ISO/IEC 7816-4規(guī)定了智能卡和接口設(shè)備的交互命令[5-6]。

IC卡的數(shù)據(jù)訪問實現(xiàn)方案有多種，方案一利用單片機實現(xiàn)，但實現(xiàn)過程中數(shù)據(jù)的實時性差，IC卡的時鐘周期由外部獨立器件產(chǎn)生，時鐘無法靈活配置，同時還存在PCB布局浪費等問題[7]。方案二雖然利用FPGA器件的并行處理優(yōu)勢進(jìn)行設(shè)計，但實現(xiàn)過程中未考慮實際接收數(shù)據(jù)時遇到的超時、奇偶校驗失敗等問題，所以設(shè)計的模塊在工程應(yīng)用中存在風(fēng)險[8]。

本文設(shè)計了一種ISO7816-3半雙工串行通信系統(tǒng)[9-10]。該系統(tǒng)上位機通過EMC總線配置FPGA進(jìn)行復(fù)位、激活、讀寫等狀態(tài)機的跳轉(zhuǎn)，配置etu寄存器、字符保護(hù)時間寄存器等。Tx模塊完成并串轉(zhuǎn)換，添加起始字符，將奇偶校驗字符發(fā)送給PSAM卡數(shù)據(jù)端。Rx模塊接收PSAM卡返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)，完成串并轉(zhuǎn)換與奇偶校驗，將數(shù)據(jù)寫入RAM且發(fā)送正常。超時、校驗失敗等錯誤判斷信號發(fā)送至中斷模塊，中斷模塊采用共享中斷線區(qū)分中斷號的方法上報給上位機，上位機根據(jù)不同的中斷號作出響應(yīng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用的PSAM卡是T=0異步半雙工字符傳輸類型。1個字符10 bit，按照小端傳輸，起始字符bit1為0，bit10對bit2～bit9的字符個數(shù)進(jìn)行偶校驗[3]。初始化字符TS如圖1所示。

根據(jù)復(fù)位響應(yīng)中的TA1字段bit8～bit5定義F，通過bit4～bit1定義D。上位機在收到該字符后需要重新計算etu的時間。計算公式如下：

PSAM卡復(fù)位響應(yīng)如圖2所示。

復(fù)位響應(yīng)的第一個字符TS（0x3B）代表字符按照小端傳輸。T0字符中bit5，bit6，bit7，bit8分別代表TA1，TB1，TC1，TD1字符是否存在，其中1表示存在，0表示不存在。TD1高4 bit分別代表TA2，TB2，TC2，TD2是否存在，依次類推。bit4～bit1表示歷史字節(jié)的個數(shù)。第二個字符T0（0X7F）為二進(jìn)制數(shù)“01111111”，代表本卡的TA1，TB1，TC1字符存在，有15個歷史字節(jié)，而TD1不存在，所以默認(rèn)為T=0異步半雙工字符傳輸類型。第三個字符TA1（“0X18”）的bit8～bit5是“0001”（F=372），bit4～bit0是“1000”（D=120），上位機更新的etu時間為31個Psam_clk周期，極大地縮減了數(shù)據(jù)交互時間。

協(xié)議研讀后，對FPGA進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)包括狀態(tài)機模塊、Tx發(fā)送模塊、Rx接收模塊、中斷模塊，具體如圖3所示。

（1）狀態(tài)機模塊：完成冷復(fù)位、熱復(fù)位、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送命令、激活等狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，配置etu寄存器、字符保護(hù)時間寄存器等。

（2）Tx發(fā)送模塊：把上位機下發(fā)的命令寫入Tx_ram，按照協(xié)議添加起始字符和奇偶校驗字符，并完成轉(zhuǎn)串與大小端轉(zhuǎn)換，設(shè)置字符間保護(hù)時間和等待時間，把數(shù)據(jù)發(fā)送給Psam_dat。

（3）Rx接收模塊：對Psam_dat進(jìn)行串轉(zhuǎn)并、偶校驗、大小端轉(zhuǎn)換，并把校驗成功的數(shù)據(jù)按照字節(jié)寫入Rx_ram。在接收過程中設(shè)置超時、校驗失敗、正常接收數(shù)據(jù)完成等信號發(fā)送給中斷模塊。上位機在收到TA1字符后，根據(jù)F，D值計算新的etu，并通過EMC總線更新至FPGA，由FPGA重新調(diào)整Psam_clk周期。

（4）中斷模塊：Rx接收模塊發(fā)送超時、校驗失敗信息并正常接收數(shù)據(jù)，將這些信息寫入中斷寄存器，同時上報至上位機。上位機收到中斷信號后查詢中斷寄存器，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

2 仿真及驗證

為了說明方法的可行性，按照系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行編碼，并利用Modelsim對其進(jìn)行仿真。FPGA接收的數(shù)據(jù)為”3B 7F 18 00 00 86 88”，如圖4所示。FPGA發(fā)送的數(shù)據(jù)為”75 86 32 A5”，如圖5所示。

在開發(fā)板上進(jìn)行驗證，通過上位機打印獲取PSAM數(shù)據(jù)，并與寫入數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果表明兩者數(shù)據(jù)一致，證明數(shù)據(jù)傳輸及解析無誤。

3 結(jié) 語

本文利用FPGA實現(xiàn)對PSAM卡的數(shù)據(jù)訪問，根據(jù)PSAM的響應(yīng)字符TA1，靈活調(diào)整時鐘周期，數(shù)據(jù)實時性強。設(shè)計中充分考慮工程中遇到的超時、奇偶校驗失敗等情況，中斷模塊采用共享中斷線、區(qū)分中斷號的方法解決這一問題。最后工程進(jìn)行了讀寫仿真，并在板級上實現(xiàn)了與PSAM卡的通信，進(jìn)一步證明了該方案的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]白振興，何華燦，魏寶剛.智能IC卡的分類與標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)性能分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，1997，20（2）：18-19.

[2]俞剛.智能卡-PKI私鑰的安全載體[J].計算機與數(shù)字工程，2008（11）：107-110.

[3]潘梁.ETC秘鑰國產(chǎn)化升級改造方案設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國交通信息化，2020（2）：115-118.

[4]李文濤.廣東省聯(lián)網(wǎng)收費IC卡系統(tǒng)安全性淺析[J].中國交通信息產(chǎn)業(yè)，2009（7）：80.

[5] International standard ISO/IEC 7816-3，Identification cards integrated circuit cards. Part3：Cards with contacts-Electrical interface and transmission protocols [S]. 2004.

[6] International standard ISO/IEC 7816-3，Identification cards integrated circuit cards. Part3：Organization，security and command for interchange [S]. 2005.

[7]高繼森，劉春華.單片機直接讀寫SIM卡的軟件設(shè)計[J].五邑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010（4）：24-27.

[8]張子武，丁曉明，沈超.ISO/IEC7816-3通信協(xié)議的FPGA實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，33（3）：164-165.

[9]蔣曉光，黃光周，于繼榮.基于ISO7816-3標(biāo)準(zhǔn)的智能卡接口控制器設(shè)計[J].今日電子，2005（2）：62-63.

[10]王靜，李華軍，韋巍.串行通信的一種可靠性設(shè)計方案[J].機電工程，2001（4）：33-35.