用DSP的GPIO管腳實現與IC卡通信

文章出處：http://www.jrzgy.com 作者：北京郵電大學 張彬   人氣： 發表時間：2011年11月03日

　IC卡可以分為接觸式的和非接觸式(射頻卡)，本文主要討論存儲卡和智能卡(CPU卡)這兩種接觸式IC卡的結構特點和讀寫操作，詳細敘述如何使用DSP的GPIO(通用輸入輸出)管腳實現與各種IC卡進行通信，并給出了DSP函數實現。

　　常見與IC卡連接的都是基于單片機的系統，但是某些應用要求IC卡讀寫終端具有較強的實時運算和控制能力，這時DSP就是最好的選擇。以TI公司的C5409為例，它的8根HPI管腳(HD0～HD7)可以配置成GPIO使用，配置方法是在復位時將HPI16管腳置高或者HPIENA管腳置低，這樣就可以通過配置DSP內部GPIOCR和GPIOSR兩個寄存器來控制這8根GPIO管腳的輸出和輸入。GPIOCR寄存器的低8位用來控制每個GPIO管腳的方向，若管腳為輸出則對應位設為“1”，若為輸入則設為“0”(DSP復位后GPIOCR缺省值為“0”，即GPIO管腳默認為輸入)。GPIOSR寄存器的低8位用來控制每個GPIO管腳的值，若為輸出，向對應位寫“1”，則該管腳輸出高，寫“0”則該管腳輸出低；若為輸入，則對應位的值為管腳上輸入的值，向其寫操作無效。

下面給出了控制GPIO的函數(控制低兩位GPIO管腳，即HD0和HD1)：
#define gpio_dir *(short *)0x3c
#define gpio_val *(short *)0x3d //定義兩個寄存器的地址
void gpio_setval(short i,short j) //設置GPIO的輸出
{
if(i==0) //控制HD0管腳
gpio_val=gpio_val&0xfffe; //設為0
else if(i==1)
gpio_val=gpio_val|0x0001; //設為1
if(j==0) //控制HD1管腳
gpio_val=gpio_val&0xfffd;
else if(j==1)
gpio_val=gpio_val|0x0002;
wait();
}
void gpio_setdir(short i) //控制GPIO的方向
{
if(i==1)
gpio_dir=gpio_dir|0x0001; //設為輸出
else if(i==0)
gpio_dir=gpio_dir&0xfffe; //設為輸入
}
short gpio_getval(short i) //讀入GPIO的值
{
short j;
if(i==0) j=gpio_val&0x0001;
else if(i==1) j=(gpio_val&0x0002)>>1;
return j;
}

常見的接觸式IC卡可以分為存儲卡和智能卡(又叫作CPU卡)，下面分別介紹DSP如何與這兩種卡進行連接通信。

DSP和存儲卡的連接

存儲卡只具有簡單存儲功能，實際上是一片串行EEPROM的IC卡模式，以Atmel公司的AT24C16SC為例，它實質上就是兩線串行EEPROM AT24C16，兩者接口時序基本一樣。存儲卡的管腳如圖1所示。AT24C16SC同時支持3V和5V，訪問速度分別可以達到100Kbps(3V)和400Kbps(5V)；內部容量為16Kb，分為128頁，每頁16字節；雙向數據線(SDA)為OD(Open－Drain)驅動，需要加上拉電阻才能正常通信。 

存儲卡的訪問時序為I2C標準時序。首先，正常通信中只有在時鐘線(SCL)為低時SDA才可變化，即在SCL為高時，SDA必須保持狀態(數據有效期)，而在SCL為高時，SDA的變化表示下面兩種控制狀態：開始狀態：當SCL為高時，SDA由高變低表示一個開始狀態，通常任何操作前均需要一個開始狀態；停止狀態：當SCL為高時，SDA由低變高表示一個停止狀態，通常跟在每個操作后，從而將卡置于等待模式。

在讀寫中，地址和數據都是按照8位的大小進行傳輸，接收的一方需要返回一個ACK信號表示確認，這個ACK信號是在第9位的位置返回一個“0”來表示。如在讀卡的時候，DSP在收到8位后，在第9個時鐘應向卡發送“0”表示收到了正確的數據，同時要求卡繼續發送下一個8位數據，如果沒有這個ACK信號，則將會中止當前讀操作返回等待模式。寫卡的時候，卡在收到DSP發送的地址和數據后也應該返回ACK信號以表示收到了正確的命令。開始和停止狀態、確認信號時序如圖2所示。 

一個讀寫操作的開始需要先發送一個器件地址(device address)字節，該字節的高4位是“1010”，接著3位是卡的高位地址，如AT24C16SC需要有11位地址(2K字節的大小)，高3位地址就是這里來指示，最后1位是讀寫控制位，若為“1”，則表示后面進行一個讀操作，若為“0”，則表示后面進行一個寫操作。

寫卡操作分為字寫和頁寫。字寫時，當發送完器件地址字節(最后1位為“0”指明寫操作)后，接著再發送一個字地址(word address)字節，即為卡的低8位地址，然后就可送入一個字節的數據，最后發送停止狀態。對于頁寫時，可以連續發送16個字節后再發送停止狀態，需要注意的是，當頁寫時，低4位地址在卡內部自動遞增，當到達頁末地址時會自動返回頁首地址，所以要正確發送停止狀態，否則繼續寫入的字節就會覆蓋原來的數據。

讀卡操作分為讀當前地址、讀任意地址和順序讀幾種方式。幾種方式大同小異，下面主要介紹讀任意地址的操作，另兩種方式都較簡單。讀任意地址時，在發送完器件地址字節(最后1位為“1”指明讀操作)后，發送字地址字節，這一過程是裝載要讀的地址，下面再發送一個器件地址字節(同樣最后1位為“1”指明讀操作)，然后便可從卡讀到一個連續8位數據，然后DSP發送停止狀態(而不是ACK信號)結束讀操作。

通過以上介紹可以看出，DSP與存儲卡連接的關鍵就是如何做出SCL和SDA的時序，也就是I2C時序。用DSP的兩根GPIO分別連接存儲卡的SCL和SDA，然后同時設置兩者的高低關系并且正確改變連接SDA那根GPIO的輸入和輸出方向，我們就可以解決這個問題。例如，對于圖3這個數據有效期的時序，我們可以將兩根GPIO依次設置為：“01”、“11”、“01”，需要注意的是，改變狀態之間需要插入等待周期，因為DSP的工作時鐘很高，其GPIO的改變遠高于I2C時序的要求。 

下面給出一個寫卡函數：
short write_ic(short page,short addr,short length,short *buff)
//page－要訪的問高3位地址，addr－要訪問的低8位地址，length－要寫入的數據長度，通常為16，buff－要寫入的數據
{
short device_address,ack,i,loop=0;
start_ic(); //發送一個開始狀態
device_address=0xa0|(page<<1);
put_ic(device_address); //發送器件地址字節，0xa0表示寫
gpio_setdir(0); //改變GPIO方向為輸入
ack=1;
do
{
ack=get_ic();
loop++;
if(loop>10000)
return 0;
}while(ack!=0); //等待讀入確認信號，否則超時退出
device_address=addr; //要訪問的低8位地址
put_ic(device_address); //發送字地址字節
gpio_setdir(0);
ack=1;
do
{
ack=get_ic();
loop++;
if(loop>10000)
return 0;
}while(ack!=0);


for(i=0;i{
put_ic(*buff++);
dir(0);
ack=1;
do
{
ack=get_ic();
}while(ack!=0);
} //寫入數據
stop_ic();
return 1;
}
void put_ic(short c)
{
short temp,i;
gpio_setdir(1); //改變GPIO為輸出
for(i=7;i>=0;i--)
{
temp=1temp=temp<<(-i);


if(temp==0)
{
gpio_setval(0,0); //設置兩根GPIO的輸出
gpio_setval(1,0);
gpio_setval(0,0);
}
else if(temp==1)
{
gpio_setval(0,1);
gpio_setval(1,1);
gpio_setval(0,1);
}
}
}

DSP和智能卡的連接

智能卡是IC卡中最高級的一種，其內部一般有CPU、ROM、RAM和EEPROM等資源，卡內一般都駐有智能卡操作系統(COS)，該操作系統對卡進行維護和管理并解釋終端的各種命令。由于卡內有CPU和RAM，所以可以根據需要進行一些運算和數據加密，同時卡內的EEPROM也可以存放一些用戶資料(容量也較存儲卡大)。智能卡的管腳如圖4所示。 

智能卡的操作遵循ISO7816－3規范，通信時序類似于雙向RS－232通信協議(RS－232是單向的)。首先，操作前需要對卡進行激活，激活過程必須保證智能卡的觸點接觸良好。激活的步驟為：VCC供電，RST為低，I/O設為輸入，提供CL，然后對卡進行復位。復位分為冷復位和熱復位，兩者區別在于冷復位時RST由低變高，而熱復位時RST由高變低再變高，在復位后，卡應有復位應答；接受到卡正確的復位應答后，DSP可以向卡發送命令；取卡前需要進行釋放，步驟順序與激活相反：RST變低，CLK變低，VCC掉電。

卡的復位應答可以告訴終端一些卡的原始信息，它的組成如圖5所示： 

TS：初始化字節，用來進行位同步和指示后續通信的編碼方式，例如0x3f表示反碼編碼，0x3b表示正常編碼；
T0：格式字節，高4位用來指示是否傳輸TA1、TB1、TC1、TD1，低4位用來指示有多少個歷史字符；
TAi、TBi、TCi：接口字節，用來設置操作的一些參數，比如速率，保護時間，編程電壓等；
TDi：接口字節，高4位用來指示是否傳輸TAi+1、TBi+1、TCi+1，低4位用來指示傳輸類型T。T＝0，字符半雙工模式；T＝1，塊半雙工模式，其他的T值保留。我們常用T＝0即字符模式；
T1～TK：歷史字符，由制卡商提供；
TCK：校驗位，是T0～TK所有字節的異或，T＝0時不傳此字節。
訪問卡的時序如圖6所示。 

可以看出，1個字節幀由13位組成，1個開始位、8個數據位、1個校驗位和2個保護時間位。在外部提供時鐘方式(常用方式)下，上圖中每個位所占的時間(ETU，Elementary Time Unit)默認為外部時鐘周期的372倍，如當外部時鐘為3.57M時，1/ETU約為9600，即工作在9600速率下。保護時間默認為2個ETU，最大可以為254個ETU。

DSP與智能卡的連接跟存儲卡有些差異。首先，智能卡比存儲卡多一個RST管腳用來對CPU進行復位，可以使用DSP的一根GPIO來控制；存儲卡的CLK為通信時鐘，速度不高，沒有速率要求，可以隨時停止，只要時序關系正確即可，可以由DSP的GPIO實現；但智能卡的CLK為卡內CPU的工作時鐘，速度很高(通常介于1M～5M)，并且要求穩定，用DSP的GPIO來提供該時鐘是不可能的，因為DSP的GPIO的翻轉速度有限制，并且高速翻轉必定占用大量DSP系統資源。因此可以使用DSP的一個串口McBSP的發送時鐘CLKX來提供智能卡時鐘。同時，還需要DSP的一根GPIO來連接智能卡的I/O信號，跟智能卡一樣的是，I/O線同樣是雙向的，需要正確改變DSP的GPIO方向，但不同的是智能卡的I/O有精確的速率要求，即為CLK速率的1/372，可以采用DSP內部的定時器來結合GPIO實現。

選擇DSP內部定時器的周期為提供時鐘的串口時鐘周期的372/8倍，當每個定時器中斷到來時進行一次GPIO操作，這樣等于是8倍頻輸出和采入數據，即操作的最小周期是1/8個ETU，從而確保了精度。從實現上看，上述過程類似于用定時器和GPIO來實現RS－232協議。需要注意的是，為了保證中斷響應和系統資源，定時器中斷程序中最好不進行GPIO操作，而只作標志位設置，GPIO操作留給讀寫函數實現。下面為一個讀卡函數的實現。

void readword_sim(unsigned short *buff,unsigned short length)
//buff－讀入的數據放的buffer,length－讀入的長度
{
short tempbit,tempbyte,i,j,bitcount,parry;
rw=0; //設置GPIO為讀
for(j=0;j{
bitcount=0;
while(!bitcount)
{
ready=0;
while(!ready);
if(simdata==0) bitcount=1;
} //讀入開始位
tempbyte=0;
bitcount=0;
for(;bitcount<11;)
{
tempbit=0;
for(i=0;i<8;i++)
{
ready=0;
while(!ready);
if(simdata==1)
tempbit=tempbit+(1<} //讀入一位的8倍采樣
if((tempbit&0x18)==0 && bitcount==0)
bitcount++;
else if(bitcount>0 && bitcount<9)
{
if((tempbit&0x18)!=0)
tempbyte=tempbyte+(1<<(bitcount-1));
bitcount++;
} //組成一個字節
else if(bitcount==9)
{
if((tempbit&0x18)!=0)
parry=1;
else parry=0;
bitcount++;
} //讀入校驗位
else if(bitcount==10) bitcount++; //保護時間
}
buff[j]=tempbyte;
}
}
shorterrupt void tshort() //定時器中斷
{
if(ready==0)
{
if(rw==0)
simdata=gpio_getval();
ready=1;
}
}
上面的程序實現了智能卡的讀寫協議，余下的就是對卡發送命令即可，關于命令的結構和定義本文不作闡述。