基于SPI接口安全芯片产品的读卡器研究　

　　由于安全芯片的工作电压不确定，本读卡器提供了5V和3.3V的工作电压，其中3.3V是通过电源转换芯片LM1117提供的，同时在USB接口处添加了ESD防护器件SRV05-4，以防读卡器被静电打坏。如图6所示。

2.2 MCU主控部分

　　本读卡器采用了ST的MCU为主控芯片，该芯片是一款基于ARM Cortex-M3为内核的微控制器，最高工作频率为72MHz。此外，该主控芯片具有丰富的硬件资源，配置了128K的flash存储器和20K的RAM、三个16位普通定时器和一个高级定时器、2×SPI、2×I2C、3×USART、1×USB、1×CAN2.0、2(16)个ADC和48个I/O引脚。本读卡器应用了该芯片的USB功能，通过USB端口检测是否有安全芯片插入，实现和安全芯片的通讯控制，另外通过MCU控制蜂鸣器和LED灯的亮灭。

2.3 SPI从设备接口

　　本读卡器和安全芯片的接口是通过IC卡座连接的，如图7所示，通过IC卡座的检测管脚判断是否有安全芯片插入，同时也可以方便地监测SPI的通讯时序，方便调试和测试。

2.4 其他电路

　　本读卡器硬件上包含蜂鸣器和LED指示灯部分，如图8所示。当有安全芯片插入或拔出时通过MCU控制蜂鸣器的发出“嘀嘀”的响声，当和安全芯片进行通讯时，控制指示灯D2的亮灭指示通讯的正常或异常，电源指示灯D1亮灭代表电源的正常与否。

3 软件设计

　　本系统的软件框图如图9所示，通过USB供电，当系统正常上电后程序进行初始化，包括系统时钟的初始化、USB初始化及CCID设备接口的初始化等，当该系统的CCID设备接口准备好后可以通过其中的固定的端口发送指令进行SPI时序的设置，当插入安全芯片时系统会自动检测，如果检测到安全芯片，端口上会显示该SPI接口从设备的相关信息，通过该端口可以进行安全芯片的通讯测试;如果没有检测的安全芯片，那么可以通过查看相关的时序，进行调整，重新进行SPI时序的相关参数的设置。

3.1 CCID设备初始化

　　CCID标准规定了CCID设备是一种芯片/智能卡接口设备，设备通过USB接口与主机或其他嵌入式主机连接，进行符合CCID标准的数据通讯，工作过程如图10所示。本读卡器采用了CCID标准，实现了3个设备端口的初始化，用到了Bulk-OUT Message在Command Pipe发送;Bulk-IN Message在Response Pipe发送;Interrupt-IN Message在interrupt-IN Pipe发送，用到的函数如表1所示。

3.2 SPI从设备通信处理软件

　　本读卡器采用了MODE3模式，时序图如图11所示，主要涉及到以下关键的时间点：包括Ton：片选SSN拉低到第一个Clock之间的延时时间，Toff ：SPI通讯结束的最后一个CLK到片选SSN拉高之间的间隔，Ti：每个字节帧之间的间隔，Tidle ：片选SSN高电平持续的时间。通过CCID设备的固定端口发送SPI时序的配置指令，分别对上面的关键时间点Ton、Toff、Ti和Tidle进行设置。

　　参考SPI接口从设备的通信时序图及通信流程编写程序，完成了调试，下面给出SPI初始化的程序，具体的程序执行流程图如图12所示。

4 结论

　　本文设计的读卡器实现了和SPI接口从设备通信，同时实现了对SPI从设备时序的配置，方便测试SPI从设备的工作极限参数，例如工作频率等。此外在进行SPI从设备生产发行过程中，通过修改SPI时序可以很大程度上提高生产产能。另外也方便用户进行SPI底层程序的调试，缩短了开发周期，在实际应用中具有深远的意义。

　　参考文献：

　　[1]DWG_Smart-Card_CCID_Rev110.pdf.

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　　本文来源于《电子产品世界》2017年第11期第42页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。