用DSP的GPIO管腳實(shí)現(xiàn)與IC卡通信

文章出處：http://coolbang.cn 作者：北京郵電大學(xué) 張彬   人氣： 發(fā)表時(shí)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(chǔ)卡和智能卡(CPU卡)這兩種接觸式IC卡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和讀寫(xiě)操作，詳細(xì)敘述如何使用DSP的GPIO(通用輸入輸出)管腳實(shí)現(xiàn)與各種IC卡進(jìn)行通信，并給出了DSP函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　常見(jiàn)與IC卡連接的都是基于單片機(jī)的系統(tǒng)，但是某些應(yīng)用要求IC卡讀寫(xiě)終端具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)運(yùn)算和控制能力，這時(shí)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(fù)位時(shí)將HPI16管腳置高或者HPIENA管腳置低，這樣就可以通過(guò)配置DSP內(nèi)部GPIOCR和GPIOSR兩個(gè)寄存器來(lái)控制這8根GPIO管腳的輸出和輸入。GPIOCR寄存器的低8位用來(lái)控制每個(gè)GPIO管腳的方向，若管腳為輸出則對(duì)應(yīng)位設(shè)為“1”，若為輸入則設(shè)為“0”(DSP復(fù)位后GPIOCR缺省值為“0”，即GPIO管腳默認(rèn)為輸入)。GPIOSR寄存器的低8位用來(lái)控制每個(gè)GPIO管腳的值，若為輸出，向?qū)?yīng)位寫(xiě)“1”，則該管腳輸出高，寫(xiě)“0”則該管腳輸出低；若為輸入，則對(duì)應(yīng)位的值為管腳上輸入的值，向其寫(xiě)操作無(wú)效。

下面給出了控制GPIO的函數(shù)(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(gè)寄存器的地址
void gpio_setval(short i,short j) //設(shè)置GPIO的輸出
{
if(i==0) //控制HD0管腳
gpio_val=gpio_val&0xfffe; //設(shè)為0
else if(i==1)
gpio_val=gpio_val|0x0001; //設(shè)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(shè)為輸出
else if(i==0)
gpio_dir=gpio_dir&0xfffe; //設(shè)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(jiàn)的接觸式IC卡可以分為存儲(chǔ)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(jìn)行連接通信。

DSP和存儲(chǔ)卡的連接

存儲(chǔ)卡只具有簡(jiǎn)單存儲(chǔ)功能，實(shí)際上是一片串行EEPROM的IC卡模式，以Atmel公司的AT24C16SC為例，它實(shí)質(zhì)上就是兩線串行EEPROM AT24C16，兩者接口時(shí)序基本一樣。存儲(chǔ)卡的管腳如圖1所示。AT24C16SC同時(shí)支持3V和5V，訪問(wèn)速度分別可以達(dá)到100Kbps(3V)和400Kbps(5V)；內(nèi)部容量為16Kb，分為128頁(yè)，每頁(yè)16字節(jié)；雙向數(shù)據(jù)線(SDA)為OD(Open－Drain)驅(qū)動(dòng)，需要加上拉電阻才能正常通信。 

存儲(chǔ)卡的訪問(wèn)時(shí)序?yàn)镮2C標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序。首先，正常通信中只有在時(shí)鐘線(SCL)為低時(shí)SDA才可變化，即在SCL為高時(shí)，SDA必須保持狀態(tài)(數(shù)據(jù)有效期)，而在SCL為高時(shí)，SDA的變化表示下面兩種控制狀態(tài)：開(kāi)始狀態(tài)：當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA由高變低表示一個(gè)開(kāi)始狀態(tài)，通常任何操作前均需要一個(gè)開(kāi)始狀態(tài)；停止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA由低變高表示一個(gè)停止?fàn)顟B(tài)，通常跟在每個(gè)操作后，從而將卡置于等待模式。

在讀寫(xiě)中，地址和數(shù)據(jù)都是按照8位的大小進(jìn)行傳輸，接收的一方需要返回一個(gè)ACK信號(hào)表示確認(rèn)，這個(gè)ACK信號(hào)是在第9位的位置返回一個(gè)“0”來(lái)表示。如在讀卡的時(shí)候，DSP在收到8位后，在第9個(gè)時(shí)鐘應(yīng)向卡發(fā)送“0”表示收到了正確的數(shù)據(jù)，同時(shí)要求卡繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)8位數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有這個(gè)ACK信號(hào)，則將會(huì)中止當(dāng)前讀操作返回等待模式。寫(xiě)卡的時(shí)候，卡在收到DSP發(fā)送的地址和數(shù)據(jù)后也應(yīng)該返回ACK信號(hào)以表示收到了正確的命令。開(kāi)始和停止?fàn)顟B(tài)、確認(rèn)信號(hào)時(shí)序如圖2所示。 

一個(gè)讀寫(xiě)操作的開(kāi)始需要先發(fā)送一個(gè)器件地址(device address)字節(jié)，該字節(jié)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(jié)的大小)，高3位地址就是這里來(lái)指示，最后1位是讀寫(xiě)控制位，若為“1”，則表示后面進(jìn)行一個(gè)讀操作，若為“0”，則表示后面進(jìn)行一個(gè)寫(xiě)操作。

寫(xiě)卡操作分為字寫(xiě)和頁(yè)寫(xiě)。字寫(xiě)時(shí)，當(dāng)發(fā)送完器件地址字節(jié)(最后1位為“0”指明寫(xiě)操作)后，接著再發(fā)送一個(gè)字地址(word address)字節(jié)，即為卡的低8位地址，然后就可送入一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，最后發(fā)送停止?fàn)顟B(tài)。對(duì)于頁(yè)寫(xiě)時(shí)，可以連續(xù)發(fā)送16個(gè)字節(jié)后再發(fā)送停止?fàn)顟B(tài)，需要注意的是，當(dāng)頁(yè)寫(xiě)時(shí)，低4位地址在卡內(nèi)部自動(dòng)遞增，當(dāng)?shù)竭_(dá)頁(yè)末地址時(shí)會(huì)自動(dòng)返回頁(yè)首地址，所以要正確發(fā)送停止?fàn)顟B(tài)，否則繼續(xù)寫(xiě)入的字節(jié)就會(huì)覆蓋原來(lái)的數(shù)據(jù)。

讀卡操作分為讀當(dāng)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(jiǎn)單。讀任意地址時(shí)，在發(fā)送完器件地址字節(jié)(最后1位為“1”指明讀操作)后，發(fā)送字地址字節(jié)，這一過(guò)程是裝載要讀的地址，下面再發(fā)送一個(gè)器件地址字節(jié)(同樣最后1位為“1”指明讀操作)，然后便可從卡讀到一個(gè)連續(xù)8位數(shù)據(jù)，然后DSP發(fā)送停止?fàn)顟B(tài)(而不是ACK信號(hào))結(jié)束讀操作。

通過(guò)以上介紹可以看出，DSP與存儲(chǔ)卡連接的關(guān)鍵就是如何做出SCL和SDA的時(shí)序，也就是I2C時(shí)序。用DSP的兩根GPIO分別連接存儲(chǔ)卡的SCL和SDA，然后同時(shí)設(shè)置兩者的高低關(guān)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(gè)問(wèn)題。例如，對(duì)于圖3這個(gè)數(shù)據(jù)有效期的時(shí)序，我們可以將兩根GPIO依次設(shè)置為：“01”、“11”、“01”，需要注意的是，改變狀態(tài)之間需要插入等待周期，因?yàn)镈SP的工作時(shí)鐘很高，其GPIO的改變遠(yuǎn)高于I2C時(shí)序的要求。 

下面給出一個(gè)寫(xiě)卡函數(shù)：
short write_ic(short page,short addr,short length,short *buff)
//page－要訪的問(wèn)高3位地址，addr－要訪問(wèn)的低8位地址，length－要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，通常為16，buff－要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)
{
short device_address,ack,i,loop=0;
start_ic(); //發(fā)送一個(gè)開(kāi)始狀態(tài)
device_address=0xa0|(page<<1);
put_ic(device_address); //發(fā)送器件地址字節(jié)，0xa0表示寫(xiě)
gpio_setdir(0); //改變GPIO方向?yàn)檩斎?
ack=1;
do
{
ack=get_ic();
loop++;
if(loop>10000)
return 0;
}while(ack!=0); //等待讀入確認(rèn)信號(hào)，否則超時(shí)退出
device_address=addr; //要訪問(wèn)的低8位地址
put_ic(device_address); //發(fā)送字地址字節(jié)
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(xiě)入數(shù)據(jù)
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(shè)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(jí)的一種，其內(nèi)部一般有CPU、ROM、RAM和EEPROM等資源，卡內(nèi)一般都駐有智能卡操作系統(tǒng)(COS)，該操作系統(tǒng)對(duì)卡進(jìn)行維護(hù)和管理并解釋終端的各種命令。由于卡內(nèi)有CPU和RAM，所以可以根據(jù)需要進(jìn)行一些運(yùn)算和數(shù)據(jù)加密，同時(shí)卡內(nèi)的EEPROM也可以存放一些用戶(hù)資料(容量也較存儲(chǔ)卡大)。智能卡的管腳如圖4所示。 

智能卡的操作遵循ISO7816－3規(guī)范，通信時(shí)序類(lèi)似于雙向RS－232通信協(xié)議(RS－232是單向的)。首先，操作前需要對(duì)卡進(jìn)行激活，激活過(guò)程必須保證智能卡的觸點(diǎn)接觸良好。激活的步驟為：VCC供電，RST為低，I/O設(shè)為輸入，提供CL，然后對(duì)卡進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位分為冷復(fù)位和熱復(fù)位，兩者區(qū)別在于冷復(fù)位時(shí)RST由低變高，而熱復(fù)位時(shí)RST由高變低再變高，在復(fù)位后，卡應(yīng)有復(fù)位應(yīng)答；接受到卡正確的復(fù)位應(yīng)答后，DSP可以向卡發(fā)送命令；取卡前需要進(jìn)行釋放，步驟順序與激活相反：RST變低，CLK變低，VCC掉電。

卡的復(fù)位應(yīng)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(jié)，用來(lái)進(jìn)行位同步和指示后續(xù)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(jié)，高4位用來(lái)指示是否傳輸TA1、TB1、TC1、TD1，低4位用來(lái)指示有多少個(gè)歷史字符；
TAi、TBi、TCi：接口字節(jié)，用來(lái)設(shè)置操作的一些參數(shù)，比如速率，保護(hù)時(shí)間，編程電壓等；
TDi：接口字節(jié)，高4位用來(lái)指示是否傳輸TAi+1、TBi+1、TCi+1，低4位用來(lái)指示傳輸類(lèi)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(yàn)位，是T0～TK所有字節(jié)的異或，T＝0時(shí)不傳此字節(jié)。
訪問(wèn)卡的時(shí)序如圖6所示。 

可以看出，1個(gè)字節(jié)幀由13位組成，1個(gè)開(kāi)始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)校驗(yàn)位和2個(gè)保護(hù)時(shí)間位。在外部提供時(shí)鐘方式(常用方式)下，上圖中每個(gè)位所占的時(shí)間(ETU，Elementary Time Unit)默認(rèn)為外部時(shí)鐘周期的372倍，如當(dāng)外部時(shí)鐘為3.57M時(shí)，1/ETU約為9600，即工作在9600速率下。保護(hù)時(shí)間默認(rèn)為2個(gè)ETU，最大可以為254個(gè)ETU。

DSP與智能卡的連接跟存儲(chǔ)卡有些差異。首先，智能卡比存儲(chǔ)卡多一個(gè)RST管腳用來(lái)對(duì)CPU進(jìn)行復(fù)位，可以使用DSP的一根GPIO來(lái)控制；存儲(chǔ)卡的CLK為通信時(shí)鐘，速度不高，沒(méi)有速率要求，可以隨時(shí)停止，只要時(shí)序關(guān)系正確即可，可以由DSP的GPIO實(shí)現(xiàn)；但智能卡的CLK為卡內(nèi)CPU的工作時(shí)鐘，速度很高(通常介于1M～5M)，并且要求穩(wěn)定，用DSP的GPIO來(lái)提供該時(shí)鐘是不可能的，因?yàn)镈SP的GPIO的翻轉(zhuǎn)速度有限制，并且高速翻轉(zhuǎn)必定占用大量DSP系統(tǒng)資源。因此可以使用DSP的一個(gè)串口McBSP的發(fā)送時(shí)鐘CLKX來(lái)提供智能卡時(shí)鐘。同時(shí)，還需要DSP的一根GPIO來(lái)連接智能卡的I/O信號(hào)，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(nèi)部的定時(shí)器來(lái)結(jié)合GPIO實(shí)現(xiàn)。

選擇DSP內(nèi)部定時(shí)器的周期為提供時(shí)鐘的串口時(shí)鐘周期的372/8倍，當(dāng)每個(gè)定時(shí)器中斷到來(lái)時(shí)進(jìn)行一次GPIO操作，這樣等于是8倍頻輸出和采入數(shù)據(jù)，即操作的最小周期是1/8個(gè)ETU，從而確保了精度。從實(shí)現(xiàn)上看，上述過(guò)程類(lèi)似于用定時(shí)器和GPIO來(lái)實(shí)現(xiàn)RS－232協(xié)議。需要注意的是，為了保證中斷響應(yīng)和系統(tǒng)資源，定時(shí)器中斷程序中最好不進(jìn)行GPIO操作，而只作標(biāo)志位設(shè)置，GPIO操作留給讀寫(xiě)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。下面為一個(gè)讀卡函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

void readword_sim(unsigned short *buff,unsigned short length)
//buff－讀入的數(shù)據(jù)放的buffer,length－讀入的長(zhǎng)度
{
short tempbit,tempbyte,i,j,bitcount,parry;
rw=0; //設(shè)置GPIO為讀
for(j=0;j{
bitcount=0;
while(!bitcount)
{
ready=0;
while(!ready);
if(simdata==0) bitcount=1;
} //讀入開(kāi)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(gè)字節(jié)
else if(bitcount==9)
{
if((tempbit&0x18)!=0)
parry=1;
else parry=0;
bitcount++;
} //讀入校驗(yàn)位
else if(bitcount==10) bitcount++; //保護(hù)時(shí)間
}
buff[j]=tempbyte;
}
}
shorterrupt void tshort() //定時(shí)器中斷
{
if(ready==0)
{
if(rw==0)
simdata=gpio_getval();
ready=1;
}
}
上面的程序?qū)崿F(xiàn)了智能卡的讀寫(xiě)協(xié)議，余下的就是對(duì)卡發(fā)送命令即可，關(guān)于命令的結(jié)構(gòu)和定義本文不作闡述。