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论文研究-基于STM32智能卡芯片读写器的设计 .pdf 评分

基于STM32智能卡芯片读写器的设计,谭泽斌,左勇,本文设计了一个基于STM32的智能卡芯片读写器,给出了系统整体的设计框图,详细介绍了主控芯片STM32F103CBT6和射频处理芯片THM3070的外围��
山国武技论文在线 硬件电路设计 主控制器及其外围电路 主控器电路 本设计以 作为主控制芯片,完成所有接口的调度和事件的处理。 是意法半导体公司设计的位单片机,它基于 内核,降低了系统 的功耗,具有高性能、低成本的特点 最高工作频率是 具有快 速中断响应能力。接口在从或主模式下,全双工和半双工的通信速率可达 位的预分频器可产生种主模式频率,可配置成每帧位或者位。硬件的产生校 验支持基本的卡和模式,所有的接口都可以使用操作。 内嵌一个 设备,它遵循全速标准,可以实现全速 )的设备功能;只有 可软件配置的端点和待札恢复功能;专用的 时钟由内部主直接产生。 日r 七D PA tARTE S 沿AET:官 ELELELLL 图主控制器电路 接口电路 ,即串行调试,通过这个接口可以实现对芯片的程序卜载和调 试,相比于 的个引脚相比, 只需个引脚,占用的 口少 接凵电路 山国武技论文在线 蜂鸣器和电路 1 RIS EDE PCI LEDi PCI4 R2业k Q1 图蜂鸣器和电路 及其外围电路 电路 是工作于一款 的智能卡卡片读写芯片,内置功放驱动,发射功率 可调。它符合 和 标准,支持 的数据传输速率,最大收发数掂帧长度为字节。外部控制器和 通信接口有模式或者模式,其中接口只能用于二代身份让安全模块。 本系统主要用到了接∏,外部控制器通过协议与 进行通信,实现读写寄 存器,读写数据,收发控制,波特率控制和协议选择。 HPa IUST N slef 图 电路 滤波和信号发射电路 如图所示,和分别连接到 的号和号引脚,它们是芯片功 放管脚的输出。输出的信号经过 滤波后,通过接∏和 智能卡芯片的引脚接触。 山国武技论文在线 luH J14 C16 1234 C22 图滤波和信号发射电路 检波电路 芯片内置∫接收放大电路和数字解调电路,需要外接一个检波电路,此处用 了经典的二极管包络检波,如图所示,检波的输出信号送到了芯片的号引脚 3070RX C40 RIT Ik AIN 0 Iut CA1 LR19 op 图检波电路 磁耦隔离电路 在工业现场的数据传输,由于电气环境的复杂,各个节点可能会存在较高的共模电压 造成节点之间通信的失败,严重时甚至会烧毁芯片。因此,在干扰环境中,要求对各个节点 实行电气隔离。传统的接口隔离采用的是光耦,这种隔离方式较复杂,需要电阻和三极 管并进行相关参数的计算。同时光耦也存在功耗大、 老化的问题。磁耦隔离技术是近 些年发展起来的,它采用了芯片级变压器隔离技术,在性能、速度、功耗等方面都超过了光 耦。本次设计采用了 磁耦隔离芯片,它最高支持 的通信速率。 4.3V 50 VDDI VD GNDI I 4 MCLK SCLK -aVIA iN】1 ADlM+151 图 隔离电路 电源电路 读写器直接采用的直流电源供电,由于 和 需要的工作 电压,所以需要一个的电压转换芯片。本设计采用 芯片,它是一个低压差电 压调节器,其压差在输出,负载电流为 时为 和是输出 滤波电容,作用是抑制自激振荡,如果不接这两个电容,稳压器的输出公是一个震荡波形 山国武技论文在线 GND 459 B LEDI GND LED 图电源电路 读写器相关程序设计 协议实现 木设计中,主控制器和 之间的通信由协议实现。 串行妒设接口),允许与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交换 总线通常由条线组成,即串行吋钟线()、主机输出和从机输入线()、 主机输入和从机输出线()和从机选择线 接口支持时钟常态为 低电平,上升沿有效的时序,并且在一帧数据之内要保持为低电平。 在写寄存器数据时, 先发出写入的地址,然后紧跟着待写入的数据。在操作期 间 必须保持低电平, 会在每个时钟的上升沿采样数据。在读取寄存器数据 时 由 发出要读取的地址, 将输出相应地址内的数据, 在时 钟的下降沿输出数据, 在每个时钟的上升沿采样数据。 写缓冲区数据时,写入地址固定是后面紧跟的数据不能超过字节,操作期间, 需要始终保持为低电平。读缓冲区数据时,读数据地址固定为操作期间要休 持为低电平。 s「L」「L「LL「凵L凵「L「 MOST Byte 写缓冲区时序图 山国武技论文在线 SSN 「「「凵「「凵「「L「 ADDR BiteN 图 读缓冲区时序图 通过接口向 的缓冲区写入数据帧,从给定地址开始顺序写入,写 入数据后,地址会顺序增加,但是每次写入数据前需要地址清零。读数据时也是以帧为单位, 每次均从地址顺序读出, 通过从 寄存器读取数据实现对数据缓冲区的 读取。操作流程如下: ()首先是清空数据缓冲区,设置奇仔器 ()数据缓冲区正常工作,设置寄存器 将待发送的数据通过 顺序写入 寄存器 启动发送和接收的流程 ()判断接收状态寄存器 和接收计数器的状态; () 通过 从 寄存器顺序读出数据 协议 总线具有速度快、使用方便的优势,亡的通信速率可达以上 主要 应用在中低速设备上,支持两种速率,低速 和全速 则支持三种 速率,低速、全速和高速( 协议提供了许多标准类,上位机可以通过这些 标准类的信息识别设备类型,然后加载相应的驱动程序 协议,即 ,是的集成电路卡接口设备规范,即智能卡读 卡器设备的行为规范。标准为通过接口连接上位机的读卡器规定了一个标准的 通信协议,它关注的不是只体的传输內容,也不是接口机制,而是与有关的智能卡接 口设备的各项功能特征。图中表小了 在读写器应用中的位置 设备 图 协议在读卡器应用中的位置 通信通道和端点 在设各与上位机通信中,主要涉及通道和端点。其中通道实际是不存在的,仅仅 是指逻辑上的概念。主要分为大类:控制传输通道( 中断传输通道( )、块输入和输出传输通道 山国武技论文在线 () ,主要用来处理上位机和设各之问的数据交互和命令传输; 图控制传输通道 检测到智能卡的插入、拔出或者硬件错误时,会把信息通过中断通 道传输到上位机; 图中断传输通道 上位机发送的 命令通过 通道传送给 设备,而设备的响应信息会通过 通道回传给上位机。 图块传输通道 端点是 设备的一部分,实际中用它来实现和上位札的数据交换。每个端点有唯 的端点号,有自υ的地址和缓存空问,可以存储待发送或者接收到的数据。木设计中主要 用到了个端点,其中号端点是默认端点,号端点负责数据发送,号端点负责数据接 收,号端点负责异常信息中断处理。 与上位机的通信流程 个 设备插入主机后,主机公对其进行识别,这个过程称之为枚举。 设备 枚举过程是上位机从读写器读取各种描述符信息,然后上位机根据这些描述符信息加载 驱动杜序。只体枚举步骤如下: ()上位机不断对其端口进行电平检测,当设备插入时,上位机会检测到 端口电平的变换,然后上位机会对接入的 设备进行复位。然后该设各 在总线的地址强制设为,然后上位机就通过地址和的端点进行通信。 上位机会按照协议的规定,向设备发送标准请求, 设备会产生响应; ()接着上位机会对设备进行第二次复位,复位后会向设备发送设置地址请求, 具体的地址是由上位机决定。 山国武技论文在线 ()上位机根据第二步设置的地址,重新获取 的设备描述符和其余的配置措述 符 廾始 失敗CCID设备 枚举 中断类型判断 成功 上位机力载驱 CCID设各和上位机 数据发送 CID设备异常 信息 数据接收 数据交换 产生USB中断事什 数处 函数处 西数 理 处理 设备无法识别 结束 图 与上位机通信流程 上位机与智能卡的通信 在 设备枚举的时候,上位机会根据设备描述符 字段米选择和智能卡通 信的方式,主要有三种通信方式:字符级、 和 本次设计采用了 的通信 方式 是指应用层数据单元,用于智能卡和上位机应用程序的通信,该数据单元在 中规定。 可以分为命令和响应 前者是由上位端的应 用稈序发送给智能卡,后者是由智能卡返回给上位机。命令由两部分组成,一个是 字节长度的必备头,主要包括 和 表明命令的类别,是具体的 指令,和用来配置指令的其他属性:另一部分是变长的命令主体,代表数据的长 度,代表智能卡返回主机的数据的长度 命令头 命令主体 图命令 格式 响应 由变长的命令主体和固定的尾部组成,固定的尾部是由和两个 域构成,用米表示在执行亢命令 后智能卡的状态 山国武技论文在线 命令主体 尾部 Cr 图响应 的格式 上位机程序设计和测试结果 上位机程序设计 在将读写器连接到上位机时,底层的 协议开始枚举,枚举成功后,上位机 就会加载驱动,将读写器识别为标准的设备,为后续的应用程序和读写器数据 交互做好准备。 ,它是为智能卡访问 平台 而定义的种标准结构 规范是读写器和主机端的个标准接冂,可以实现读写 器与不同厂商的智能卡之间的通信和操作,上层软件开发者遇到调用该接口函数可以完全不 用考虑底层硬件的改变,即智能卡读写器基夲硬件改变时,应用程序不需要做仼何改变。 上位机测试程序主要用到了的 包,它定义了一系列,主要用 于使用 与智能卡进行通信。程序流程如图所示。 开始 获取默认的读卡器工厂 建立连接 发送命令并获得响应 打开通道 断开连接 构造命令 结束 图上位机程序流程图 测试结果 测试选用的是上海复旦微电子股份有限公司自主研发的 下芯片 ,它支持 类型的通信。通过 标准的上位机程序,卜发取随机数指令到 ,然后读取返回的数据。

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