CN102521197A

CN102521197A - 一种利用低成本mcu的uart实现iso7816协议的方法

Info

Publication number: CN102521197A
Application number: CN2011104174403A
Authority: CN
Inventors: 赵进云
Original assignee: FUJIAN XINNUO COMMUNICATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: FUJIAN XINNUO COMMUNICATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明公开了一种利用低成本的MCU的UART实现ISO7816协议的方法。该方法包括：字符帧发送模块和接收模块。发送模块通过MCU的UART或者是通过软件控制GPIO的方式，按照ISO7816协议的帧格式发送数据，并对智能卡的错误信号做出处理，发起重发操作。接收模块通过MCU的UART对智能卡发送的数据做出采样，并对采样到的数据进行偶校验的验证，如果验证失败则触发错误信号，通知智能卡重发数据，否则对接收的数据进行转换并传递给上层协议。本发明的实现方式已经经过实际验证，并通过了银联卡检测中心的EMV认证。

Description

一种利用低成本MCU的UART实现ISO7816协议的方法

【技术领域】

本发明涉及具有接触式智能IC卡接口的电子设备，具体是指一种利用低成本的MCU的UART实现ISO7816协议的方法。

【背景技术】

集成电路卡简称IC卡，它是由一个信用卡大小的塑料卡上封装一个或多个集成电路芯片所构成。卡上集成电路芯片通过卡片表面的接触电极与外界通信。芯片上一般带有一定容量的存储器，并具有实现运算和数据保护的逻辑电路。

IC卡主要用于做身份识别、保密数据存取和金融领域，是光电卡和磁卡的替代产品，是未来卡片产品发展的趋势。IC卡作为一种通用元件，具备跨国使用、跨行业使用的特点，其推广需要相应的标准与规范。

国际标准化组织于1988-1993年间公布了有关接触式IC卡的ISO7816标准，主要规定了以下内容：

7816-1：卡的物理特性；

7816-2：卡的触点大小与位置；

7816-3：卡的通信协仪；

7816-4：用于国际交换的行业命令；

7816-5：应用标识符的编号系统和注册过程。

在ISO7816-3接触型集成电路卡的通信协议中，规定了电源及信号的端口分布以及IC卡和接口设备之间的信息交换，包括信号频率、电压电平、电流值、奇偶校验协定、操作过程、传送机制以及接口设备与IC卡之间的通信协议等。

在金融、身份识别和电信市场中，对安全和增强的功能性不断增长的需求，增加了全球范围内智能IC卡的使用。然而，所需的基于智能卡系统中，适当的通信系统的硬件和固件开发，给设计师带来了新的挑战。不幸的是只有一些高档微处理器具有可以直接驱动智能IC卡的专用UART。而普通MCU的UART则对智能IC卡没有提供支持。所以使用普通MCU的设备如果要提供对智能IC卡的支持，就必须添加一个智能IC卡控制器，以便完整的实现ISO7816协议。这样势必花费的成本较高。

有鉴于此，本发明人针对现有技术的缺陷深入研究，并有本案产生。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于提供一种无需添加额外硬件，又能利用普通MCU的UART来实现完整的ISO7816协议的方法。

本发明采用以下两种技术方案解决上述技术问题：

技术方案一：

一种利用低成本MCU的UART实现ISO7816协议的方法，包括如下步骤：

步骤一：硬件接口：把智能IC卡的I/O管脚通过三极管连接到MCU的UART的TX、RX管脚上；

步骤二：发送数据：具体包括如下步骤：

根据编码协议，进行数据转换：如果采样正向约定的编码方式，无须做转换，如果采用反向约定的编码方式，需要对数据取反和高低位交换的转换；

如果采样的是正向约定的编码协议，采用偶校验的方式；如果是反向约定，那么采用奇校验的方式；

把UART的TX配置为输出模式，通过GPIO模拟的方式发送数据，发送的数据格式为起始位1+数据位8+校验位1；

在发送校验位之后，延时1个ETU时间去检测错误信号；

如果检测到RX引脚上的电平为低，表示智能IC卡数据接收错误，需要重发数据；否则表示接收成功可发送下一个数据；智能卡IC接收数据错误，需要重发数据。如果连续5次出现错误，则返回发送失败的错误码，并对智能卡发起下电的操作；

步骤三：接收数据：具体包括如下步骤：

复位智能IC卡，复位应答中的第一个字符为TS字符，根据这个字符可确定后继的编码协议；

当触发UART的RX中断时，MCU从UART相关寄存器获取接收到的数据和错误状态信息；

如果检测到帧错误表示校验位为低，如果没有帧错误则表示校验位为高，然后把数据和校验位的值一起做奇偶校验的运算；

如果编码协议为正向约定，那么对数据执行偶校验；如果编码协议为反向约定，那么对数据执行奇校验；

如果奇偶校验失败，那么延时0.5个ETU，然后把UART的TX置低，保持1到2个ETU时间，这样就可以通知智能IC卡重发数据；

如果验证成功，那么对数据进行转换操作：正向约定的编码协议，不需要对数据做转换，反向约定的编码协议需要对数据做取反和高低位交换的转换操作。

技术方案之二：

步骤二：发送数据：具体包括如下步骤：

采用物理UART发送数据的方式：先确定UART在何时告诉MCU数据发送完成，MCU则会在准确的时间点上去判断错误信号的电平；

步骤三：接收数据：具体包括如下步骤：

本发明的优点在于：无需添加额外的硬件就可以对ISO7816协议提供完整支持。具有很好的实现效果和较低的实现成本。并且通过了银联卡检测中心的EMV认证。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。

图1是本发明中智能IC卡与MCU的UART的硬件接口示意图。

图2是本发明中智能IC卡的I/O时序图。

图3是本发明中MCU的UART的时序图。

图4是本发明中发送数据的步骤流程示意图。

图5是本发明中接收数据的步骤流程示意图。

【具体实施方式】

硬件接口：如图1所示，其中RXD2、TXD2代表MCU的UART的收发管脚。CPU_CARD_IO1代表智能IC卡接口的I/O管脚。通过三极管把TX，RX连接到智能IC卡的I/O管脚。

智能IC卡的I/O时序图如图2所示，MCU的UART的时序图如图3所示。

数据发送模块：

数据发送模块的主要功能包括：根据编码协议对数据做转换(可选，由上层协议完成)；通过MCU的UART或者是GPIO模拟的方式发送数据；检测智能IC卡的错误信号，并重发数据。

数据转换的方式：如果采样正向约定的编码方式，无须做转换。如果采用反向约定的编码方式，需要对数据取反和高低位交换的转换。

发送数据的步骤流程示意图如图4所示。

可通过GPIO模拟的方式发送数据，也可以通过MCU的UART发送数据。只要符合ISO7816的帧时序就可以。如果通过GPIO的方式，需要确保已经把UART的TX配置为了输出模式。

发送的数据格式为起始位(1)+数据位(8)+校验位(1)。

如果采样的是正向约定的编码协议，采用偶校验的方式。如果是反向约定，那么采用奇校验的方式。

ISO7816协议要求发送端在起始位下降沿之后的11±0.2个ETU时去检测错误信号。

如果采用物理UART发送数据的方式。必须先确定UART在何时告诉MCU数据发送完成。这样MCU才能在准确的时间点上去判断错误信号的电平。否则可能无法检测到智能IC卡触发的错误信号。

不同MCU的UART可能在不同的时间点上提示MCU数据发送完成。例如有些UART可能在校验位发送之后就提示MCU发送完成。也就是在起始位下降沿之后的10个ETU，MCU就检测到数据发送完成。这样MCU必须延迟1个ETU左右的时间才能去检测错误信号。也有的UART可能在串口停止位发送之后才提示MCU发送完成。也就是要在起始位下降沿之后的11个ETU，MCU才能检测到数据发送完成。这样的话MCU必须立马去检测错误信号，而不能像前面一样延时。

如果采用GPIO模拟的方式发送数据。那么时间点完全可控，只要在发送校验位之后，延时1个ETU时间去检测错误信号就可以。

如果检测到RX引脚上的电平为低，表示智能IC卡数据接收错误，需要重发数据。否则表示接收成功可发送下一个数据。智能卡IC接收数据错误，需要重发数据。如果连续5次出现错误，则返回发送失败的错误码，并对智能卡发起下电的操作。

接收数据模块：

接收模块主要功能包括：处理复位应答的TS字符，确定后续传输的编码协议；对接收到的数据做奇偶校验，如果数据错误则触发错误信号，通知智能IC卡重发数据；根据编码协议对数据进行转换。

TS字符处理流程如下：

配置MCU的UART为9600波特率，8位数据位，1位停止位，校验位无；

复位智能IC卡，复位应答中的第一个字符为TS字符。根据这个字符可确定后继的编码协议；

如果TS为0x3b，则表示智能IC卡采用正向约定的编码协议。如果TS为0x3，则表示智能IC卡采用反向约定的编码协议。其它值都为非法值，直接对智能IC卡发起下电操作；

正向约定编码协议：I/O脚的高电平代表数据1。低位数据先发送。采用这个编码协议，通过MCU的UART收发数据时无须对数据进行转换。校验方法为偶校验；

反向约定编码协议：I/O脚的低电平代表数据1.高为数据先发送。采用这个编码协议，在收发数据时要进行数据转换：数据取反和高低位交换。校验方法为奇校验。

接收数据的步骤流程示意图如图5所示。

参考前面的时序图1，图2。

ISO7816协议的帧格式为：起始位(1)+数据位(8)+校验位(1)。

MCU的UART帧格式为：起始位(1)+数据位(8)+校验位(1)+停止位(1)。

ISO7816协议要求在起始位下降之后的10±0.2个ETU时触发错误信号(把I/O脚置低)。

如果由UART来对数据做奇偶校验，那么在11个ETU时MCU才能接收到数据。如果数据有错，则无法在ISO7816协议要求的时间点触发错误信号。

所以奇偶校验的运算由MCU完成。把MCU的UART配置为8位数据位，一位停止位，校验位无。这样对照图1和图2可知，停止位对应ISO7816帧时序的校验位。MCU在读取数据时，如果检测到串口帧错误就可以确定数据的校验位为低，否则校验位为高。

通过这种方式MCU在起始位下降沿之后的10个ETU就能取到数据，并进行校验。如果数据错误，MCU延时0.5个ETU之后触发错误信号。这样就能够满足ISO7916协议的错误处理时序要求。

当触发RX中断时，MCU从UART相关寄存器获取接收到的数据和错误状态信息。如果检测到帧错误表示校验位为低，如果没有帧错误则表示校验位为高。然后把数据和校验位的值一起做奇偶校验的运算。

如果编码协议为正向约定。那么对数据执行偶校验。如果编码协议为反向约定，那么对数据执行奇校验。

如果奇偶校验失败，那么延时0.5个ETU。然后把UART的TX置低，保持1到2个ETU时间。这样就可以通知智能IC卡重发数据。

如果验证成功，那么对数据进行转换操作(可选，由上层协议完成)。正向约定的编码协议，不需要对数据做转换。反向约定的编码协议需要对数据做取反和高低位交换的转换操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施用例而已，并非用于限定本发明的保护范图。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用低成本MCU的UART实现ISO7816协议的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤二：发送数据：具体包括如下步骤：

在发送校验位之后，延时1个ETU时间去检测错误信号；

如果检测到RX引脚上的电平为低，表示智能IC卡数据接收错误，需要重发数据；否则表示接收成功可发送下一个数据；

步骤三：接收数据：具体包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种利用低成本MCU的UART实现ISO7816协议的方法，其特征在于：所述步骤二还包括：智能卡IC接收数据错误，需要重发数据，如果连续5次出现错误，则返回发送失败的错误码，并对智能卡发起下电的操作。

3.一种利用低成本MCU的UART实现ISO7816协议的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤二：发送数据：具体包括如下步骤：

步骤三：接收数据：具体包括如下步骤：

4.如权利要求3所述的一种利用低成本MCU的UART实现ISO7816协议的方法，其特征在于：所述步骤二还包括：智能卡IC接收数据错误，需要重发数据，如果连续5次出现错误，则返回发送失败的错误码，并对智能卡发起下电的操作。