用DSP的GPIO管脚实现与IC卡通信

文章出处：http://www.singbon.com 作者：北京邮电大学 张彬   人气： 发表时间：2011年11月03日

　IC卡可以分为接触式的和非接触式(射频卡)，本文主要讨论存储卡和智能卡(CPU卡)这两种接触式IC卡的结构特点和读写操作，详细叙述如何使用DSP的GPIO(通用输入输出)管脚实现与各种IC卡进行通信，并给出了DSP函数实现。

　　常见与IC卡连接的都是基于单片机的系统，但是某些应用要求IC卡读写终端具有较强的实时运算和控制能力，这时DSP就是最好的选择。以TI公司的C5409为例，它的8根HPI管脚(HD0～HD7)可以配置成GPIO使用，配置方法是在复位时将HPI16管脚置高或者HPIENA管脚置低，这样就可以通过配置DSP内部GPIOCR和GPIOSR两个寄存器来控制这8根GPIO管脚的输出和输入。GPIOCR寄存器的低8位用来控制每个GPIO管脚的方向，若管脚为输出则对应位设为“1”，若为输入则设为“0”(DSP复位后GPIOCR缺省值为“0”，即GPIO管脚默认为输入)。GPIOSR寄存器的低8位用来控制每个GPIO管脚的值，若为输出，向对应位写“1”，则该管脚输出高，写“0”则该管脚输出低；若为输入，则对应位的值为管脚上输入的值，向其写操作无效。

下面给出了控制GPIO的函数(控制低两位GPIO管脚，即HD0和HD1)：
#define gpio_dir *(short *)0x3c
#define gpio_val *(short *)0x3d //定义两个寄存器的地址
void gpio_setval(short i,short j) //设置GPIO的输出
{
if(i==0) //控制HD0管脚
gpio_val=gpio_val&0xfffe; //设为0
else if(i==1)
gpio_val=gpio_val|0x0001; //设为1
if(j==0) //控制HD1管脚
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; //设为输出
else if(i==0)
gpio_dir=gpio_dir&0xfffe; //设为输入
}
short gpio_getval(short i) //读入GPIO的值
{
short j;
if(i==0) j=gpio_val&0x0001;
else if(i==1) j=(gpio_val&0x0002)>>1;
return j;
}

常见的接触式IC卡可以分为存储卡和智能卡(又叫作CPU卡)，下面分别介绍DSP如何与这两种卡进行连接通信。

DSP和存储卡的连接

存储卡只具有简单存储功能，实际上是一片串行EEPROM的IC卡模式，以Atmel公司的AT24C16SC为例，它实质上就是两线串行EEPROM AT24C16，两者接口时序基本一样。存储卡的管脚如图1所示。AT24C16SC同时支持3V和5V，访问速度分别可以达到100Kbps(3V)和400Kbps(5V)；内部容量为16Kb，分为128页，每页16字节；双向数据线(SDA)为OD(Open－Drain)驱动，需要加上拉电阻才能正常通信。 

存储卡的访问时序为I2C标准时序。首先，正常通信中只有在时钟线(SCL)为低时SDA才可变化，即在SCL为高时，SDA必须保持状态(数据有效期)，而在SCL为高时，SDA的变化表示下面两种控制状态：开始状态：当SCL为高时，SDA由高变低表示一个开始状态，通常任何操作前均需要一个开始状态；停止状态：当SCL为高时，SDA由低变高表示一个停止状态，通常跟在每个操作后，从而将卡置于等待模式。

在读写中，地址和数据都是按照8位的大小进行传输，接收的一方需要返回一个ACK信号表示确认，这个ACK信号是在第9位的位置返回一个“0”来表示。如在读卡的时候，DSP在收到8位后，在第9个时钟应向卡发送“0”表示收到了正确的数据，同时要求卡继续发送下一个8位数据，如果没有这个ACK信号，则将会中止当前读操作返回等待模式。写卡的时候，卡在收到DSP发送的地址和数据后也应该返回ACK信号以表示收到了正确的命令。开始和停止状态、确认信号时序如图2所示。 

一个读写操作的开始需要先发送一个器件地址(device address)字节，该字节的高4位是“1010”，接着3位是卡的高位地址，如AT24C16SC需要有11位地址(2K字节的大小)，高3位地址就是这里来指示，最后1位是读写控制位，若为“1”，则表示后面进行一个读操作，若为“0”，则表示后面进行一个写操作。

写卡操作分为字写和页写。字写时，当发送完器件地址字节(最后1位为“0”指明写操作)后，接着再发送一个字地址(word address)字节，即为卡的低8位地址，然后就可送入一个字节的数据，最后发送停止状态。对于页写时，可以连续发送16个字节后再发送停止状态，需要注意的是，当页写时，低4位地址在卡内部自动递增，当到达页末地址时会自动返回页首地址，所以要正确发送停止状态，否则继续写入的字节就会覆盖原来的数据。

读卡操作分为读当前地址、读任意地址和顺序读几种方式。几种方式大同小异，下面主要介绍读任意地址的操作，另两种方式都较简单。读任意地址时，在发送完器件地址字节(最后1位为“1”指明读操作)后，发送字地址字节，这一过程是装载要读的地址，下面再发送一个器件地址字节(同样最后1位为“1”指明读操作)，然后便可从卡读到一个连续8位数据，然后DSP发送停止状态(而不是ACK信号)结束读操作。

通过以上介绍可以看出，DSP与存储卡连接的关键就是如何做出SCL和SDA的时序，也就是I2C时序。用DSP的两根GPIO分别连接存储卡的SCL和SDA，然后同时设置两者的高低关系并且正确改变连接SDA那根GPIO的输入和输出方向，我们就可以解决这个问题。例如，对于图3这个数据有效期的时序，我们可以将两根GPIO依次设置为：“01”、“11”、“01”，需要注意的是，改变状态之间需要插入等待周期，因为DSP的工作时钟很高，其GPIO的改变远高于I2C时序的要求。 

下面给出一个写卡函数：
short write_ic(short page,short addr,short length,short *buff)
//page－要访的问高3位地址，addr－要访问的低8位地址，length－要写入的数据长度，通常为16，buff－要写入的数据
{
short device_address,ack,i,loop=0;
start_ic(); //发送一个开始状态
device_address=0xa0|(page<<1);
put_ic(device_address); //发送器件地址字节，0xa0表示写
gpio_setdir(0); //改变GPIO方向为输入
ack=1;
do
{
ack=get_ic();
loop++;
if(loop>10000)
return 0;
}while(ack!=0); //等待读入确认信号，否则超时退出
device_address=addr; //要访问的低8位地址
put_ic(device_address); //发送字地址字节
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);
} //写入数据
stop_ic();
return 1;
}
void put_ic(short c)
{
short temp,i;
gpio_setdir(1); //改变GPIO为输出
for(i=7;i>=0;i--)
{
temp=1temp=temp<<(-i);


if(temp==0)
{
gpio_setval(0,0); //设置两根GPIO的输出
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和智能卡的连接

智能卡是IC卡中最高级的一种，其内部一般有CPU、ROM、RAM和EEPROM等资源，卡内一般都驻有智能卡操作系统(COS)，该操作系统对卡进行维护和管理并解释终端的各种命令。由于卡内有CPU和RAM，所以可以根据需要进行一些运算和数据加密，同时卡内的EEPROM也可以存放一些用户资料(容量也较存储卡大)。智能卡的管脚如图4所示。 

智能卡的操作遵循ISO7816－3规范，通信时序类似于双向RS－232通信协议(RS－232是单向的)。首先，操作前需要对卡进行激活，激活过程必须保证智能卡的触点接触良好。激活的步骤为：VCC供电，RST为低，I/O设为输入，提供CL，然后对卡进行复位。复位分为冷复位和热复位，两者区别在于冷复位时RST由低变高，而热复位时RST由高变低再变高，在复位后，卡应有复位应答；接受到卡正确的复位应答后，DSP可以向卡发送命令；取卡前需要进行释放，步骤顺序与激活相反：RST变低，CLK变低，VCC掉电。

卡的复位应答可以告诉终端一些卡的原始信息，它的组成如图5所示： 

TS：初始化字节，用来进行位同步和指示后续通信的编码方式，例如0x3f表示反码编码，0x3b表示正常编码；
T0：格式字节，高4位用来指示是否传输TA1、TB1、TC1、TD1，低4位用来指示有多少个历史字符；
TAi、TBi、TCi：接口字节，用来设置操作的一些参数，比如速率，保护时间，编程电压等；
TDi：接口字节，高4位用来指示是否传输TAi+1、TBi+1、TCi+1，低4位用来指示传输类型T。T＝0，字符半双工模式；T＝1，块半双工模式，其他的T值保留。我们常用T＝0即字符模式；
T1～TK：历史字符，由制卡商提供；
TCK：校验位，是T0～TK所有字节的异或，T＝0时不传此字节。
访问卡的时序如图6所示。 

可以看出，1个字节帧由13位组成，1个开始位、8个数据位、1个校验位和2个保护时间位。在外部提供时钟方式(常用方式)下，上图中每个位所占的时间(ETU，Elementary Time Unit)默认为外部时钟周期的372倍，如当外部时钟为3.57M时，1/ETU约为9600，即工作在9600速率下。保护时间默认为2个ETU，最大可以为254个ETU。

DSP与智能卡的连接跟存储卡有些差异。首先，智能卡比存储卡多一个RST管脚用来对CPU进行复位，可以使用DSP的一根GPIO来控制；存储卡的CLK为通信时钟，速度不高，没有速率要求，可以随时停止，只要时序关系正确即可，可以由DSP的GPIO实现；但智能卡的CLK为卡内CPU的工作时钟，速度很高(通常介于1M～5M)，并且要求稳定，用DSP的GPIO来提供该时钟是不可能的，因为DSP的GPIO的翻转速度有限制，并且高速翻转必定占用大量DSP系统资源。因此可以使用DSP的一个串口McBSP的发送时钟CLKX来提供智能卡时钟。同时，还需要DSP的一根GPIO来连接智能卡的I/O信号，跟智能卡一样的是，I/O线同样是双向的，需要正确改变DSP的GPIO方向，但不同的是智能卡的I/O有精确的速率要求，即为CLK速率的1/372，可以采用DSP内部的定时器来结合GPIO实现。

选择DSP内部定时器的周期为提供时钟的串口时钟周期的372/8倍，当每个定时器中断到来时进行一次GPIO操作，这样等于是8倍频输出和采入数据，即操作的最小周期是1/8个ETU，从而确保了精度。从实现上看，上述过程类似于用定时器和GPIO来实现RS－232协议。需要注意的是，为了保证中断响应和系统资源，定时器中断程序中最好不进行GPIO操作，而只作标志位设置，GPIO操作留给读写函数实现。下面为一个读卡函数的实现。

void readword_sim(unsigned short *buff,unsigned short length)
//buff－读入的数据放的buffer,length－读入的长度
{
short tempbit,tempbyte,i,j,bitcount,parry;
rw=0; //设置GPIO为读
for(j=0;j{
bitcount=0;
while(!bitcount)
{
ready=0;
while(!ready);
if(simdata==0) bitcount=1;
} //读入开始位
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<} //读入一位的8倍采样
if((tempbit&0x18)==0 && bitcount==0)
bitcount++;
else if(bitcount>0 && bitcount<9)
{
if((tempbit&0x18)!=0)
tempbyte=tempbyte+(1<<(bitcount-1));
bitcount++;
} //组成一个字节
else if(bitcount==9)
{
if((tempbit&0x18)!=0)
parry=1;
else parry=0;
bitcount++;
} //读入校验位
else if(bitcount==10) bitcount++; //保护时间
}
buff[j]=tempbyte;
}
}
shorterrupt void tshort() //定时器中断
{
if(ready==0)
{
if(rw==0)
simdata=gpio_getval();
ready=1;
}
}
上面的程序实现了智能卡的读写协议，余下的就是对卡发送命令即可，关于命令的结构和定义本文不作阐述。