基于A(yíng)RM的SIM卡檢測系統平臺的設計與實(shí)現

隨著(zhù)現代社會(huì )科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對于移動(dòng)產(chǎn)品的便攜性和便利性和高效性的要求越來(lái)越高。SIM卡作為智能卡中特殊的一種，采用標準的接觸式IC卡，符合IS07816標準規范，它沿襲了智能卡在安全中的特色，在移動(dòng)商務(wù)中扮演著(zhù)很重要的角色。因此SIM卡的應用范圍也變得越來(lái)越廣，可以應用于金融、便捷支付等高端應用領(lǐng)域。但是對于已經(jīng)投放到市場(chǎng)上的卡片，運營(yíng)商對于鑒別是哪個(gè)供應商供應的產(chǎn)品比較困難，而且對于供應商自己來(lái)說(shuō)對于自己生產(chǎn)的卡片進(jìn)行質(zhì)量檢測也是十分必要的。鑒于A(yíng)RM的高性?xún)r(jià)比，本文采用一種基于A(yíng)RM7TDMI內核的CPU STR711FR2作為處理器作為系統核心，設計一款SIM卡讀卡系統，它可以兼容符合7816協(xié)議的A，B，C 3種卡片，用來(lái)讀出被芯片固化在芯片內部的信息，以便來(lái)確認芯片的生產(chǎn)商以及對芯片實(shí)現質(zhì)量檢測。

1 系統結構

讀卡系統主要由讀卡模塊、串口通信模塊、USB通信模塊、JTAC下載調試模塊以及相應的時(shí)鐘和復位電路模塊和上層軟件組成。主控電路由ST公司的STR711FR2及其外圍電路構成，主要實(shí)現對命令的發(fā)送和對收到的數據進(jìn)行傳輸和處理。系統采用接觸式的工作方式，把芯片插入到接口插槽中，通過(guò)主控芯片發(fā)送指令完成對卡片數據的讀取，再把得到數據通過(guò)串口通信模塊把數據傳輸到PC機上，通過(guò)上層軟件對所接收到的數據進(jìn)行處理和判斷，再把結果在PC機上面顯示。系統結構如圖1所示。


2 硬件平臺設計

2．1 平臺構架

STR711FR2是ST公司的一款基于A(yíng)RM7TDMI內核、高性能、低成本、低功耗的微控制器。它內嵌256+16 k的Flash以及64 k的RAM，具有豐富的外設：如智能卡ISO-7816-3接口、USB 2．0接口以及UART接口和豐富的IO接口等。

本系統STR711FR2作為主處理器，使用USB接口用來(lái)給系統供電，同時(shí)作為備用數據通道；JTAG接口用來(lái)給系統進(jìn)行調試和下載固件；78 16智能卡接口作為插卡口；串口等用來(lái)傳輸讀到的數據。系統由USB接口供電；STR711FR2由外部提供4 M晶振提供時(shí)鐘，32．768 k晶振作為輔助時(shí)鐘同時(shí)提供給內部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。STR711FR2與LTC1955之間通過(guò)串口發(fā)送不同的指令，來(lái)判斷插入卡片的類(lèi)型，以便產(chǎn)生卡片相應的電壓，然后發(fā)命令把數據讀出來(lái)，再通過(guò)串口通信模塊把數據傳輸到PC機上面顯示。硬件平臺構架如圖2所示。


2．2 電源部分

USB接口部分電源電壓為5 V，最大電流可以達到500 mA，系統中的MCU和Reader是兩個(gè)主要的耗能元器件，其中STR711FR2滿(mǎn)負荷工作電流為200mA，LTC1955滿(mǎn)負荷工作電流不超過(guò)為100 mA。LTC1955以及STR711FR2額定電壓為3．3 V，因此需要將5 V轉換成3．3 V電壓，轉換芯片采用ASM1117S33。經(jīng)過(guò)轉換之后系統完全可以使用USB進(jìn)行供電。另外STR711FR2支持USB2．0傳輸協(xié)議，所以可以將USB的差分線(xiàn)用1．5kΩ的電阻進(jìn)行弱上托，分別與主MCU的42腳和43腳相連。以此來(lái)支持USB的高速傳輸模式，因此此部分也可以作為備用的數據傳輸通道。電路如圖3所示。


2．3 7816接口部分

SIM卡的引腳定義符合ISO7816帶觸電集成電路卡規范，它實(shí)際上是一個(gè)裝有微處理器的芯片卡，包括5個(gè)模塊并且具有機卡分離接口，通信安全可靠成本較低。其中C1腳是電源VCC、C2腳為復位RST、C3腳為時(shí)鐘CLK、C4腳不接、C5腳為接地GND、C6腳編程電壓VPP、C7腳為數據I／O口、C8腳不接。除了C4和C8腳已被國際標準組織擴展為新一代高速SIM卡接口，C6高壓編程引腳已經(jīng)失去作用，因為SIM卡可以不必外部提供VPP信號即可在內部實(shí)現EEPROM的擦寫(xiě)功能。

7816接口部分采用Linear公司的專(zhuān)用芯片LTC1955，LTC1955支持ISO7816-3協(xié)議，具有很好的電源管理和控制能力，具有串行數據接口，可以通過(guò)它進(jìn)行數據控制和狀態(tài)控制，能夠在出現電氣錯誤的時(shí)候實(shí)現自動(dòng)的掉電。內置電壓崩，能夠產(chǎn)生1．8 V、3 V以及5 V電壓，因此能夠兼容7816的A，B，C3種卡?？ㄆ涌谀軌蛲ㄟ^(guò)自動(dòng)震蕩電路產(chǎn)生的偵測通道自動(dòng)偵測卡片類(lèi)型，串口根據偵測到的信息發(fā)送命令可以實(shí)現卡片類(lèi)型的選擇，不同命令狀態(tài)位可以選擇不同類(lèi)型的卡。本系統設計只采用了一個(gè)B卡插槽，芯片的32腳和31腳分別為同步和非同步引腳，分別于主控芯片的P1．8和P1．9腳連接．通過(guò)中控IO發(fā)送同步和非同步的命令，來(lái)選擇傳輸模式。數據腳DATA與主控芯片的P1．15腳相接，用來(lái)傳送接收到的數據，RIN復位腳信息通過(guò)主控芯片的P1．14控制發(fā)送。電路設計如圖4所示。


2．4 UART部分

通信接口是系統與外界進(jìn)行信息交互的通道和橋梁，因此通信接口的設計在系統中是必不可少的，通過(guò)目前主流的兒種通信方式設計比較，本系統采用了UART方式。UART電路的關(guān)鍵是實(shí)現STR711FR2與PC電平匹配，PC機電平是12 V而STR711FR2的電平為3．3 V，這就需要進(jìn)行電平轉換，目前此類(lèi)電平轉換芯片有很多，如MAX3232及ST3232等等，本系統采用MAX3232芯片進(jìn)行轉換，MAX3232不僅能保證主機需要，而且單一3．3 V供電，可以同時(shí)實(shí)現發(fā)送轉換和接受轉換功能。芯片提供了2個(gè)UART通道，可以接2個(gè)RS3232，本系統只采用一個(gè)UART，只用選擇第一個(gè)通道，另外一個(gè)不接。其電路設計如圖5。


3 軟件檢測系統的實(shí)現

SIM卡符合國際標準7816協(xié)議規范，因此本檢測系統分為兩個(gè)部分，第一部分是對于7816協(xié)議通信的固件部分，第二部分是上層軟件部分。對于固件部分的操作應該包括接口設備激活電路，冷復位啟動(dòng)卡片應答、卡片與接口設備進(jìn)行信息交換和接口設備釋放電路卡片下電3個(gè)過(guò)程。

當卡片和接口設備物理連接以后，為啟動(dòng)機械連接的卡的互操作，接口設備需要激活卡片，初始時(shí)，所有端口皆處于低電平(L)態(tài)，電壓范圍0～0．4 V；VCC電源電壓先上電(H態(tài))，VCC電源端穩定一段時(shí)間后，將IO端口置為接收方式(H態(tài))，電路的激活順序結束，卡片進(jìn)入復位過(guò)程。在Ta時(shí)間CLK開(kāi)始提供時(shí)鐘信號；卡應在時(shí)鐘信號開(kāi)始后至少200個(gè)時(shí)鐘周期之內(延時(shí)時(shí)間為T(mén)a)置IO口狀態(tài)為接受狀態(tài)。同時(shí)，從Ta開(kāi)始，RST至少保持400個(gè)時(shí)鐘周期(延時(shí)時(shí)間為T(mén)b))的L態(tài)，即保持到時(shí)間Tb后RST置狀態(tài)H，為了保證卡片正常復位，卡片要在400～40 000個(gè)時(shí)鐘周期之內(延時(shí)時(shí)間為T(mén)c)作出應答，即從IO口返回ATR。復位過(guò)程結束。時(shí)序如圖6所示。

上電后，接口設備可根據卡片返回的ATR來(lái)選擇工作模式，如果ATR中規定了TA2，則接口設備根據新的參數啟動(dòng)與卡片信息交換方式；如果ATR中沒(méi)有規定TA2，則接口設備和卡之間可進(jìn)行PPS過(guò)程或者接口設備根據TD1中的參數(T)選擇采用哪種通信協(xié)議。如果接口設備與卡片停止數據交換，并且IO口保持H狀態(tài)至少1 860(Tg)個(gè)clock，則接口設備可在Te時(shí)刻停止時(shí)鐘，此時(shí)VCC保持供電，RST保持高電平。時(shí)鐘停止時(shí)序如圖7所示。

信息交互完畢卡片進(jìn)行釋放，RST置狀態(tài)L：CLK置狀態(tài)L(除非時(shí)鐘已經(jīng)停止在狀態(tài)L上)IO置狀態(tài)L：VCC被釋放。

上層軟件采用C++進(jìn)行設計，由于卡片在剛剛出廠(chǎng)還沒(méi)有交付給運營(yíng)商使用的時(shí)候，ATR中有時(shí)候也會(huì )被寫(xiě)入生產(chǎn)商的相關(guān)信息，可以根據此信息來(lái)檢測芯片，但是一旦被運營(yíng)商投入市場(chǎng)，那么就會(huì )被下載運營(yíng)商的cos，此時(shí)ATR也變成了運營(yíng)商的了，那么就無(wú)法根據ATR來(lái)進(jìn)行檢測。但是卡片出廠(chǎng)的時(shí)候卡商會(huì )將自己的cos下載到NVR中，其中包含了卡片生產(chǎn)商的標志信息，例如卡片的商業(yè)代碼、生產(chǎn)時(shí)間、lot號以及坐標等等。而這些內容一旦下載進(jìn)去就不能被修改，因此可以據此來(lái)檢測。檢測流程如圖8所示。


4 結束語(yǔ)

文中給出了一種基于ARM7內核的SIM卡檢測系統，通過(guò)測試可以順利的實(shí)現檢測功能，本系統采用標準接觸式卡片設計，兼容7816的A、B、C 3種卡，為接觸和以后升級的非接觸式卡片讀取信息提供了可行的平臺。