CN1581220A - 双界面卡中接触式与非接触式工作模式切换方法 - Google Patents

双界面卡中接触式与非接触式工作模式切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双界面卡的接触式与非接触式工作模式的切换方法，旨在提供一种能实现双界面卡中接触式工作模式和非接触式工作模式无缝过渡的切换方法。本发明中，系统的默认状态为非接触式工作模式，但接触式工作模式的优先权高于非接触式工作模式；当接触式激活信息与非接触式激活信息同时出现时，接触式工作模式被激活，而非接触式工作模式则被屏蔽；非接触式工作模式在激活或保持时可以被接触式工作模式中断，接触式工作模式在激活或保持时则不可以被非接触式工作模式中断。本发明适用于智能卡领域。

Description

双界面卡中接触式与非接触式工作模式切换方法
技术领域
本发明涉及一种智能卡领域中的工作模式切换方法，更具体的说，涉及到双界面卡中接触式与非接触式工作模式的切换方法。
背景技术
当前，在国际智能卡领域开始使用双界面卡(Dual Interface SmartCard)，其主要是在一张卡片上同时提供了两种与外界接口的方式：接触式和非接触式，通常也称为“双接口卡”。双界面卡集中了独立使用中的接触卡和非接触卡的优点，功能更加完善，是一种多功能卡。
双界面卡的外形和接触式IC卡相象，表面由符合国际标准ISO7816的金属触点，内部结构则与非接触式IC卡相似，有天线和芯片的模块，符合ISO14443标准。双界面卡共用一个中央处理单元CPU管理，共享卡内存储器。以国内最成功的双界面卡应用典型大连城市一卡通系统发行的大连“明珠卡”为例，其采用一个芯片、一个CPU，芯片所有的资源都是共享的，只有一个COS，通过接触界面和非接触界面都可以访问相同的存储区域和执行相同的操作，其接触界面完全符合ISO/IEC7816，非接触界面符合ISO/IEC14443。
但是，上述双界面卡在实际使用中仍存在不少技术问题，尤其是在接触式工作模式与非接触式工作模式的切换上，仍存在以下问题：
1.容易造成短路：当双界面卡工作在非接触式工作方式时，RF模块产生的电压直接施加到接触式的电压触点上，而双界面卡工作在非接触式工作方式时，接触式的触点是裸露在外面的，一旦电压触点和接地触点被导通，那么将造成芯片短路；
2.芯片工作在3V/5V混合电压环境中：非接触式工作方式下的RF整流电压大约为3V，而接触式电源电压为5V(ISO 7816 A类接口)，这样，芯片的主体部分的工作电压一会儿为3V，一会儿又为5V，电压摆幅太大，有损芯片的稳定性与使用寿命；另外，芯片工作在接触式方式时若产生非接触场强，由于接触式电源电压为5V，而从天线耦合到的能量通过整流滤波为芯片提供的电压为3V左右，此电位差会导致电流倒灌入RF模块；
3.抗干扰能力差：双界面卡在工作过程中，存在各种各样的干扰，而当双界面卡工作在接触式工作方式时，RF模块有可能受到电磁干扰而产生伪信号，现有的切换方法往往由于对各种干扰没有进行处理或处理不当，从而导致工作模式的误切换。
这些现有技术上的不足导致了双界面IC卡在使用中稳定性差、使用寿命短的弊端。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种双界面卡中接触式与非接触式工作模式的切换方法，使双界面卡的两种工作模式能够正确转换，实现无缝过渡。
本发明的上述目的是通过下述技术方案实现的：系统的默认状态为非接触式工作模式，但接触式工作模式的优先权高于非接触式工作模式；当接触式激活信息与非接触式激活信息同时出现时，接触式工作模式被激活，而非接触式工作模式则被屏蔽；非接触式工作模式在激活或保持时可以被接触式工作模式中断，接触式工作模式在激活或保持时则不可以被非接触式工作模式中断。
为实现上述接触式与非接触式工作模式的切换方法，本发明由电源切换和信号切换构成；电源切换主要通过模拟电路，将电压转换作为手段，从而解决了RF模块的“电流倒灌”问题，同时又使芯片的主体部分具有唯一的工作电压；同时，还采用了“单向隔离”技术，避免了RF模块产生的电压VDD直接施加到接触式的VCC触点上而容易造成的短路现象；在信号切换中，充分采用了干扰源性质的模式检测电路，提高了模式切换的鲁棒性，同时，对不确定信号的特殊处理一方面提高了模式切换的确定性，另一方面又降低了电路的功耗。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：成功地解决了双界面卡中接触式和非接触式工作模式的切换问题，无论使用非接触式或者接触式IC卡读写设备，可以方便地对双界面卡进行相同的操作，可以实现接触式系统与非接触式系统的无缝过渡。
附图说明
图1是本发明双界面卡工作模式切换方法的电路原理图。
图中：T1、T3、T4、T5、T6为N沟道增强型MOS管
T2为二极管接法的N沟道增强型MOS管
D1、D2为单向电平转换器
D3为双向电平转换器
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，顶层模块的信号意义如表1所示。
                    表1  双界面卡工作模式切换的信号意义
信号  方向   意义 备注
VCC  INOUT   接触式触点电源电压 5V：A类78163V：B类7816
IO  INOUT   接触式触点数据线
PAD_RST  IN   接触式触点复位信号
POW_RST  IN   RF电路上电复位信号
RF_CLK  IN   RF电路时钟信号 13.56MHz
VDD  INOUT   RF电路电源电压 3V
MODE  OUT   双界面工作模式指示信号 0：接触式1：非接触式
SYS_CLK  OUT   系统时钟 接触式：5.00MHz非接触式：6.78MHz
SYS_RST  OUT   系统复位信号
SYS_IO  INOUT   经过电平转换后的接触式触点数据线
本发明所提供的双界面卡接触式与非接触式工作模式的切换方法可分为电源切换与信号切换。
1.电源切换
电源切换主要通过模拟电路进行，它包括：电压调节器(VoltageRegulator)、高电压检测器(High Voltage Detector)、N沟道增强型MOS管T1、二极管接法的N沟道增强型MOS管T2、两个单向电平转换器D1、D2、双向电平转换器D3。
电压转换
根据ISO/IEC7816，接触式的VCC电压分为A、B两类，分别为5伏或3伏。然而，非接触式工作方式下的RF整流电压大约为3伏，即VDD＝3伏，VCC＝5伏/3伏。为此，设置了一个电压调节器(Voltage Regulator)，它的作用是把VCC电压由5伏降为3伏。但对于B类的ISO/IEC7816，电源电压VCC＝3伏，无须进行压降，这样又设置一个高电压检测器(High VoltageRegulator)，当检测到VCC＞＝4.5伏时，电压调节器输出经反向后的低电平的V4_5信号，使N沟道增强型MOS管T1开关断开，使电压调节器正常工作，把VCC电压由5伏降为3伏；如果检测到VCC＜4.5伏，则电压调节器输出经反向后的高电平的V4_5信号，使N沟道增强型MOS管T1开关导通，使电压调节器不工作。这样，无论是A类还是B类ISO/IEC7816，最后的工作电压都是3伏，与非接触式工作方式下的RF整流电压相同，芯片的主体部分具有唯一的工作电压。
对于A类ISO/IEC7816，除了VCC以外，其他的信号也是5伏电平的，它们可以通过单向电平转换器D1、D2，双向电平转换器D3来进行电平转换处理，其中单向电平转换器D1、D2可用两个反向器(分别接5伏和3伏电压)来实现，双向电平转换器D3可通过两个单向电平转换器组合而成。
把A类ISO/IEC7816的电压降为3伏的附加好处是解决了芯片工作在接触式方式时容易产生的“电流倒灌”问题。
单向隔离
如图1所示，本发明增加了一个二极管接法的N沟道增强型MOS管T2来实现电源的“单向隔离”，当双界面卡工作在非接触式工作方式时，T2反向工作而断开，这样使VDD与VCC隔离，避免短路。相反，如果芯片工作在接触式工作方式时，T2正向工作而导通，由VCC给整个芯片供电。同时，为了降低压降，T2的漏极接5伏VCC电压，这样其正向压降约等于0.3伏。
电压调节器、高电压检测器、T1、T2的工作条件如表2所示。
          表2  高电压检测器、电压调节器、T1、T2的工作条件
       工作模式   高电压检测器   电压调节器 T1 T2
接触式 A类ISO/IEC7816   V4_5＝0   工作 断开 正向导通
B类ISO/IEC7816   V4_5＝1   断开 接通
      非接触式   断开   断开 断开 反向断开
2.信号切换
信号切换电路由模式转换(Mode Switch)模块、时钟开关(ClockSwitch)模块和重启开关(Reset Switch)模块等组成。
模式转换(Mode Switch)模块
该模块为模式检测与判别电路，它由2个D触发器和1个与门组成，并且用VDD供电，其中2个D触发器构成移位寄存器，VCC1和POW_RST的“与”构成异步复位信号。其输入信号为OSC、VCC1和POW_RST，输出信号为MODE，这里的MODE就是模式判别信号，高电平表示非接触式工作模式，低电平表示接触式工作模式。
如果双界面卡暴露在有效的场强之中，则RF模块获得能量，VDD上电，POWER ON RESET电路产生上电复位信号POW_RST(低电平脉冲)，复位移位寄存器，其输出MODE就为高电平，置双界面卡于非接触式工作模式。
当双界面卡插入读卡机以后，当双界面卡插入读卡机以后，VCC上电，二极管接法的N沟道增强型MOS管T2导通，VDD通过VCC1获得电源，RF模块的POWER ON RESET电路产生上电复位信号POW_RST，移位寄存器被复位。当接触式电源VCC一直存在并且检测到OSC的第二个上升沿时，第二个D触发器的Q端被置为“1”，/Q端被置为“0”，这样其输出模式为低电平，置双界面卡于接触式工作模式；当双界面卡从读卡机拔出时，VCC消失，VCC1变为低电平，移位寄存器被复位，输出模式为高电平，工作模式由接触式过渡到非接触式。
如果在双界面卡插入读卡机之前，有效RF场强已经存在，即VDD已经供电，移位寄存器的输出MODE已经被POWER ON RESET电路上产生的上电复位信号POW_RST置为高电平。这样，当双界面卡插入读卡机以后，POWERON RESET电路不再产生上电复位信号POW_RST，但检测到OSC的第二个上升沿时，同样置输出MODE为低电平，双界面卡从非接触式工作模式切换到接触式工作模式。
当双界面卡工作在非接触式工作方式时，由于接触式的触点是裸露在外面的，触点比较容易受到外界干扰(如静电感应)，OSC和VCC有可能产生伪干扰激活信号，但是在Mode Switch模块，只有OSC和VCC同时有效才能起到模式切换的作用。而一般来说，OSC和VCC的干扰波形包络是相同的，很明显，以OSC的第二个上升沿作为触发点非常有利于抗干扰。
当双界面卡工作在接触式工作方式时，RF模块容易受到电磁干扰而产生伪信号。然而，由于这时VDD已经通过VCC供电，POWE ON RESET电路不再产生上电复位信号POW_RST，因此，模式切换电路不受影响。
时钟开关(Clock Switch)模块和重启开关(Reset Switch)模块
时钟开关(Clock Switch)和重启开关(Reset Switch)都是数据选择器，只是在Clock Switch中还包含了时钟分频功能，这是因为RF_CLK的频率为13.56MHz，由于RAM速度可能跟不上，所以需要进行2分频。ClockSwitch和Reset Switch的功能可用以下简单的伪代码描述：
SYS_CLK＝(Mode＝＝0)？OSC:RF_CLK/2；
SYS_RST＝(Mode＝＝0)？PAD_RST:POW_RST；
3.不定态信号的处理
如图1所示，当双界面卡工作在非接触式工作方式时，OSC、PAD_RST、IO等接触式信号是不定态的，另外，由于OSC Detector模块没有供电，因此Contact信号也是不定态的。
由CMOS器件原理可知，无论栅极输入信号是高电平“1”还是低电平“0”，CMOS中的pull up管或pull down管总是有一个处于“断开”状态，因此，CMOS静态功耗极低；但是，当栅极输入信号是“不定态”时，pullup管和pull down管有可能都“导通”，造成大功耗。为了实现双界面卡工作在非接触式工作方式时低功耗的功能，所以在电路中将OSC、PAD_RST、IO、VCC四个信号分别并联于N沟道增强型MOS管T3、T4、T5、T6，当双界面卡工作在非接触式工作方式时，模式转换(Mode Switch)模块输出Mode＝1，T3、T4、T5和T6都导通，把OSC、PAD_RST、IO、VCC信号都置为低电平。其中，R3、R4、R5、R6都起限流作用，以防止短路。

Claims (8)

1、一种双界面卡(Dual Interface Smart Card)接触式与非接触式工作模式的切换方法，其特征是：系统的默认状态为非接触式工作模式，但接触式工作模式的优先权高于非接触式工作模式；当接触式激活信息与非接触式激活信息同时出现时，接触式工作模式被激活，而非接触式工作模式则被屏蔽；非接触式工作模式在激活或保持时可以被接触式工作模式中断，接触式工作模式在激活或保持时则不可以被非接触式工作模式中断。
2、根据权利要求1所述的切换方法，其特征是所述切换方法可分为电源切换和信号切换。
3、根据权利要求1或2所述的切换方法，其特征是：所述电源切换主要通过模拟电路进行；所述模拟电路包括电压调节器(VoltageRegulator)、高电压检测器(High Voltage Detector)、N沟道增强型MOS管(T1)、二极管接法的N沟道增强型MOS管(T2)、两个单向电平转换器(D1、D2)、双向电平转换器(D3)；其工作步骤为：对于A类ISO/IEC7816，由电压调节器将VCC电压由5伏降为3伏，并通过单向电平转换器(D1、D2)和双向电平转换器(D3)进行电平转换处理，将其他信号由5伏转为3伏；对于B类ISO/IEC7816，当高电压检测器检测到VCC＞＝4.5伏时，电压调节器输出经反向后的低电平的V4_5信号，使N沟道增强型MOS管(T1)开关断开，使电压调节器正常工作，把VCC电压由5伏降为3伏；如果检测到VCC＜4.5伏，则电压调节器输出经反向后的高电平的V4_5信号，使N沟道增强型MOS管(T1)开关导通，使电压调节器不工作。
4、根据权利要求3所述的切换方法，其特征是：在非接触式工作方式时，二极管接法的N沟道增强型MOS管(T2)反向工作而断开，使VDD与VCC隔离；在接触式工作方式时，二极管接法的N沟道增强型MOS管(T2)正向工作而导通，由VCC给整个芯片供电。
5、根据权利要求1或2所述的切换方法，其特征是：所述的信号切换通过信号切换电路进行，所述信号切换电路主要由模式转换(ModeSwitch)模块、时钟开关(Clock Switch)模块、重启开关(ResetSwitch)模块组成。
6、根据权利要求5所述的切换方法，其特征是：所述模式转换(ModeSwitch)模块为模式检测与判别电路，它由2个D触发器和1个与门组成，并且用VDD供电，其中2个D触发器构成移位寄存器，VCC1和POW_RST的“与”构成异步复位信号；其工作步骤为：如果双界面卡暴露在有效的场强之中，则RF模块获得能量，VDD上电，移位寄存器被复位，置双界面卡于非接触式工作模式；当双界面卡插入读卡机以后，VCC上电，VDD通过VCC1获得电源，当OSC的第二个上升沿到来时，第二个D触发器被置位，移位寄存器输出低电平，置双界面卡于接触式工作模式；当双界面卡从读卡机拔出时，VCC消失，VCC1变为低电平，移位寄存器被复位，输出模式为高电平，工作模式由接触式过渡到非接触式。
7、根据权利要求5所述的切换方法，其特征是：时钟开关(Clock Switch)和重启开关(Reset Switch)是数据选择器，在时钟开关(ClockSwitch)中还包含了时钟分频功能。
8、根据权利要求1或2所述的切换方法，其特征是：OSC、PAD_RST、IO、VCC四个信号分别并联于N沟道增强型MOS管(T3、T4、T5、T6)。
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