基于SPI接口安全芯片產(chǎn)品的讀卡器研究　

　　由于安全芯片的工作電壓不確定，本讀卡器提供了5V和3.3V的工作電壓，其中3.3V是通過電源轉(zhuǎn)換芯片LM1117提供的，同時(shí)在USB接口處添加了ESD防護(hù)器件SRV05-4，以防讀卡器被靜電打壞。如圖6所示。

2.2 MCU主控部分

　　本讀卡器采用了ST的MCU為主控芯片，該芯片是一款基于ARM Cortex-M3為內(nèi)核的微控制器，最高工作頻率為72MHz。此外，該主控芯片具有豐富的硬件資源，配置了128K的flash存儲(chǔ)器和20K的RAM、三個(gè)16位普通定時(shí)器和一個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2×SPI、2×I2C、3×USART、1×USB、1×CAN2.0、2(16)個(gè)ADC和48個(gè)I/O引腳。本讀卡器應(yīng)用了該芯片的USB功能，通過USB端口檢測是否有安全芯片插入，實(shí)現(xiàn)和安全芯片的通訊控制，另外通過MCU控制蜂鳴器和LED燈的亮滅。

2.3 SPI從設(shè)備接口

　　本讀卡器和安全芯片的接口是通過IC卡座連接的，如圖7所示，通過IC卡座的檢測管腳判斷是否有安全芯片插入，同時(shí)也可以方便地監(jiān)測SPI的通訊時(shí)序，方便調(diào)試和測試。

2.4 其他電路

　　本讀卡器硬件上包含蜂鳴器和LED指示燈部分，如圖8所示。當(dāng)有安全芯片插入或拔出時(shí)通過MCU控制蜂鳴器的發(fā)出“嘀嘀”的響聲，當(dāng)和安全芯片進(jìn)行通訊時(shí)，控制指示燈D2的亮滅指示通訊的正?；虍惓?，電源指示燈D1亮滅代表電源的正常與否。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的軟件框圖如圖9所示，通過USB供電，當(dāng)系統(tǒng)正常上電后程序進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化、USB初始化及CCID設(shè)備接口的初始化等，當(dāng)該系統(tǒng)的CCID設(shè)備接口準(zhǔn)備好后可以通過其中的固定的端口發(fā)送指令進(jìn)行SPI時(shí)序的設(shè)置，當(dāng)插入安全芯片時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測，如果檢測到安全芯片，端口上會(huì)顯示該SPI接口從設(shè)備的相關(guān)信息，通過該端口可以進(jìn)行安全芯片的通訊測試;如果沒有檢測的安全芯片，那么可以通過查看相關(guān)的時(shí)序，進(jìn)行調(diào)整，重新進(jìn)行SPI時(shí)序的相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

3.1 CCID設(shè)備初始化

　　CCID標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了CCID設(shè)備是一種芯片/智能卡接口設(shè)備，設(shè)備通過USB接口與主機(jī)或其他嵌入式主機(jī)連接，進(jìn)行符合CCID標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通訊，工作過程如圖10所示。本讀卡器采用了CCID標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了3個(gè)設(shè)備端口的初始化，用到了Bulk-OUT Message在Command Pipe發(fā)送;Bulk-IN Message在Response Pipe發(fā)送;Interrupt-IN Message在interrupt-IN Pipe發(fā)送，用到的函數(shù)如表1所示。

3.2 SPI從設(shè)備通信處理軟件

　　本讀卡器采用了MODE3模式，時(shí)序圖如圖11所示，主要涉及到以下關(guān)鍵的時(shí)間點(diǎn)：包括Ton：片選SSN拉低到第一個(gè)Clock之間的延時(shí)時(shí)間，Toff ：SPI通訊結(jié)束的最后一個(gè)CLK到片選SSN拉高之間的間隔，Ti：每個(gè)字節(jié)幀之間的間隔，Tidle ：片選SSN高電平持續(xù)的時(shí)間。通過CCID設(shè)備的固定端口發(fā)送SPI時(shí)序的配置指令，分別對(duì)上面的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)Ton、Toff、Ti和Tidle進(jìn)行設(shè)置。

　　參考SPI接口從設(shè)備的通信時(shí)序圖及通信流程編寫程序，完成了調(diào)試，下面給出SPI初始化的程序，具體的程序執(zhí)行流程圖如圖12所示。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的讀卡器實(shí)現(xiàn)了和SPI接口從設(shè)備通信，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)SPI從設(shè)備時(shí)序的配置，方便測試SPI從設(shè)備的工作極限參數(shù)，例如工作頻率等。此外在進(jìn)行SPI從設(shè)備生產(chǎn)發(fā)行過程中，通過修改SPI時(shí)序可以很大程度上提高生產(chǎn)產(chǎn)能。另外也方便用戶進(jìn)行SPI底層程序的調(diào)試，縮短了開發(fā)周期，在實(shí)際應(yīng)用中具有深遠(yuǎn)的意義。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第11期第42頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。