STM32單片機的PSAM卡驅動(dòng)模塊設計

引言

刷卡消費隨著(zhù)人們生活水平的提高已經(jīng)成為常用的支付方式之一。為了保證刷卡消費的安全性，將PSAM卡內嵌于各種終端刷卡設備中。PSAM(Purchase SecureAccess Module，銷(xiāo)售點(diǎn)終端安全存取模塊)，由IC卡發(fā)行主管部門(mén)或者應用主管機構發(fā)行，是可以用于對IC卡進(jìn)行脫機消費交易認證的安全認證卡，主要應用于商用POS、網(wǎng)點(diǎn)終端、直連終端等設備上，支持多級發(fā)卡機制，適用于多應用的環(huán)境，符合識別卡、帶觸點(diǎn)的集成電路卡標準、ISO/IEC 7816—1/2/3/4以及《中國人民銀行PSAM卡規范》。

1 PSAM卡簡(jiǎn)介

PSAM卡是接觸式CPU卡的一種。CPU卡也稱(chēng)智能卡，卡內集成電路帶有微處理CPU，存儲單元(包括隨機存儲器RAM、電可擦除存儲器EEP ROM、程序存儲器ROM)及芯片操作系統(Chip Operating System，COS)。裝有COS的CPU卡不僅具有數據存儲功能，同時(shí)具有命令處理和數據安全保護等功能。CPU卡芯片相當于芯片內裝置了一個(gè)微處理器，其功能大致與一臺微型計算機相同。在生活中，人們常使用的集成電路卡(IC卡)上的金屬片就是CPU芯片。由于CPU卡具有存儲空間大、處理能力強、信息存儲安全、支持一卡多用以及讀取速度快等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛用于金融、交警、保險和政府行業(yè)等領(lǐng)域，并通過(guò)國家密碼委和中國人民銀行的認證。

就外型而言，CPU卡與普通IC卡、射頻卡相比無(wú)明顯差別，但是使用性能、安全性卻有巨大提升，這主要源于CPU卡內含有隨機數發(fā)生器、3DES加碼算法、硬件DES和3DES加密算法等，配合操作系統就可以達到金融級別的安全等級。減值密鑰一般存儲在PSAM卡中，通過(guò)PSAM卡對IC卡進(jìn)行減值操作，實(shí)現安全扣款。在非接觸邏輯加密卡的系統中，PSAM卡主要使用卡片認證密鑰和各扇區的KEYA、KEYB密鑰來(lái)產(chǎn)生非接觸邏輯加密卡操作所需要的各扇區的KEYA和KEYB認證碼，交易信息不直接參與運算。而在非接觸CPU卡系統中，PSAM卡通常用來(lái)計算和校驗消費交易過(guò)程中出現的MAC碼，同時(shí)在計算的過(guò)程中，交易時(shí)間、交易金額、交易類(lèi)型等交易信息也都參與運算，使得交易更安全可靠。某些情況下，非接觸CPU卡系統中的PSAM卡還可以用來(lái)支持安全報文更新數據時(shí)MAC的計算，以及交易TAC的驗證。

卡片內部邏輯結構如圖1所示。

其中CPU及加密邏輯保證EEPROM中數據的安全，使外界不能使用非法手段獲得EEPROM中的數據。RAM是在COS 工作時(shí)存放命令參數、返回結果、安全狀態(tài)以及臨時(shí)工作密鑰的區域。ROM用于存放COS程序。EEPROM中存放用戶(hù)應用數據區域，COS將用戶(hù)數據以文件的形式保存在EEP ROM中，當安全條件滿(mǎn)足規定時(shí)，可以讀/寫(xiě)文件。

2 硬件設計

2.1 PSAM卡電路設計

2.1.1 PSAM卡電源切換模塊

ISO7816協(xié)議里規定2種使用較多的，PSAM卡的類(lèi)別(A類(lèi)、B類(lèi))，A類(lèi)需要提供5 V電壓，B類(lèi)需要提供3V電壓，為了保證對于兩種類(lèi)別卡的兼容性，要求設計的讀寫(xiě)器，可以提供選擇5V或者3 V的電壓。于是本論文設計了如圖2所示的電源切換模塊。其工作原理是：PSAM POW為高時(shí)，P溝道的MOS管導通，提供5 V電壓給PSAM_VDD，PSAM_POW為低時(shí)，P溝道的MOS管不導通，提供3.3 V電壓，再經(jīng)過(guò)二極管的壓降，提供3 V電壓。

2.1.2 PSAM卡復位信號

同樣考慮到PSAM卡的兩種類(lèi)別，尤其是當PSAM卡為A類(lèi)的時(shí)候，主要考慮MCU的I/O口電壓是3.3V，而PSAM卡需要的是5 V，防止復位電平不夠，將PSAM_RST1信號通過(guò)三極管與SAM_RST1相連，以增強驅動(dòng)能力。其中PSAM_RST1與MCU相連，SAM_RST1與PSAM卡相連。具體電路如圖3所示。

2.1.3 PSAM卡數據口電平轉換電路

為了保證MCU接收到的信號是3.3 V，設計了PSAM卡數據口電平轉換電路，具體電路如圖4所示，當PSAM卡是A類(lèi)的時(shí)候，需要將5 V電壓轉換為3.3 V，這時(shí)在圖4電路中，只需要焊接上兩個(gè)三極管(Q1、Q2)，不需要焊接電阻R，當PSAM卡是B類(lèi)的時(shí)候，只需要焊接上電阻R，不需要焊接兩個(gè)三極管(Q1、Q2)。

2.1.4 PSAM卡卡槽電路接口

PSAM卡卡槽電路接口如圖5所示。由于是低電平復位，在RST端口需要接上PSAM VDD信號，在正常工作的時(shí)候將電平拉高。數據腳(DATA)正常情況下也需要上拉，這是為了防止電平幅度不夠，尤其在5 V的時(shí)候，通過(guò)電平切換的信號是3.3 V，必須上拉到5 V才行。

2.2 主控模塊設計

圖6為主控模塊以及相關(guān)的外圍電路的原理圖。主控模塊選用的是STM32F103C8T6芯片。OSC32_IN、OSC32_OUT兩個(gè)引腳外接32.768 kHz的低速外部晶振，可以用其驅動(dòng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC。OSC_IN、OSC_OUT兩個(gè)引腳外接8 MHz晶振，通過(guò)設置STM32的相關(guān)寄存器經(jīng)過(guò)PLL倍頻之后產(chǎn)生72 MHz的STM32系統時(shí)鐘(SYSCLK)。C1、C2作為晶體的匹配電容。為了使晶振更加容易啟振，在晶振旁邊并聯(lián)1 MΩ電阻(R)。主控模塊低電平復位，電阻上接高電平，電容在下接地，中間位RST。具體工作原理是在上電時(shí)給電容充電，電容給RST一個(gè)短暫的低電平，此低電平隨著(zhù)VCC給電容充電的過(guò)程中變高。

3 軟件設計

對于PSAM卡的軟件驅動(dòng)設計要符合ISO7816—4協(xié)議。應用協(xié)議數據單元(APDU)可包含有命令報文或響應報文，它從接口設備發(fā)送到卡，或者相反地由卡發(fā)送到接口設備。

APDU指令的格式如表1所列。

APDU指令的命令頭內容如表2所列。

APDU指令響應結構如表3所列。

APDU指令響應內容如表4所列。

(1)主要的數據結構

Typedef struct{

u8 Cla; //命令的類(lèi)型

u8 Cmd; //命令的編碼

u8 P1; //具體命令參數1

u8 P2; //具體命令參數2

u8 P3; //在發(fā)送模式的為L(cháng)c;//在接收模式時(shí)為L(cháng)e

u8*Data_Ptr;//命令和相應的數據字段

u8 RspCode[2];//APDU響應的內容

}APDU;

(2)主要功能函數

①函數名：PSAM_APDU_Out

功能描述：讀取智能卡的數據。

參數：*Data_out，返回從智能卡中讀出的數據;PSAMConfig，智能卡的配置。

返回值：讀取數據成功標志(0為失敗，1為成功)。

②函數名：PSAM_APDU In

功能描述：向智能卡寫(xiě)數據。

參數：*Data_in，向卡上寫(xiě)入的數據;PSAMConfig，智能卡的配置。

返回值：寫(xiě)入數據成功標志(0為失敗，1為成功)。

③函數名：PSAM_Send1 Byte

功能描述：向智能卡發(fā)送1字節數據，并判斷接收方是否成功接收。如果沒(méi)有成功，則向收方發(fā)送兩次該數據。

參數：SendByte，待發(fā)送的字節數據。

返回值：SendStatus，數據發(fā)送是否成功標志(成功為0x01，失敗為0x00，超時(shí)為0xFF)。

④函數名：PSAM_Send1Block

功能描述：向智能卡發(fā)送n個(gè)字節數據。

參數：*SendPtr，待發(fā)送的字節數據指針;DataLen，傳送的字節數;ByteDir，字節方向。

返回值：SendStatus，數據發(fā)送是否成功標志(成功為0x01，失?。?x00)。

⑤函數名：PSAM_Receive1Byte

功能描述：接收智能卡的1字節數據，當檢測到奇偶出錯時(shí)，可請求2次智能卡從發(fā)當前字節數據。

參數：無(wú)。

返回值：DataBuf，其中高字節是數據接收是否成功標志(成功為0x01，失敗為Parity error(0x55)，timeout overflow(0xff))低字節是收到的有效字節數據。

⑥函數名：PSAM_Reset

功能描述：對智能卡進(jìn)行復位操作，并等待智能卡的應答，如果應答成功則返回復位成功標志，否則返回復位失敗標志。

參數：*uiATR，保存復位應答信息的指針。

返回值：復位成功標志(0x01為復位成功，0x00為復位失敗)。

4 模塊測試

通過(guò)串口調試助手對系統進(jìn)行測試，分析發(fā)送和返回的數據，判斷該模塊工作是否正常。圖7為發(fā)送對PSAM卡的復位操作的命令。圖8為發(fā)送對PSAM卡進(jìn)行透明數據流傳輸的命令。

結語(yǔ)

本文設計的PSAM卡驅動(dòng)模塊，根據上述軟件和硬件的設計思路進(jìn)行的設計得到了實(shí)際的驗證，取得了令人滿(mǎn)意的效果。無(wú)論是軟件的代碼還是硬件的電源轉換模塊都具有很好的可移植性，方便在不同的系統中應用，并且提供了對外的接口函數，方便上層系統應用工程師的調用。該模塊可以應用到固網(wǎng)支付、POS終端等設備上。