STM32单片机的PSAM卡驱动模块设计

 引言

刷卡消费随着人们生活水平的提高已经成为常用的支付方式之一。为了保证刷卡消费的安全性，将PSAM卡内嵌于各种终端刷卡设备中。PSAM(Purchase SecureAccess Module，销售点终端安全存取模块)，由IC卡发行主管部门或者应用主管机构发行，是可以用于对IC卡进行脱机消费交易认证的安全认证卡，主要应用于商用POS、网点终端、直连终端等设备上，支持多级发卡机制，适用于多应用的环境，符合识别卡、带触点的集成电路卡标准、ISO/IEC 7816—1/2/3/4以及《中国人民银行PSAM卡规范》。

1 PSAM卡简介

PSAM卡是接触式CPU卡的一种。CPU卡也称智能卡，卡内集成电路带有微处理CPU，存储单元(包括随机存储器RAM、电可擦除存储器EEP ROM、程序存储器ROM)及芯片操作系统(Chip Operating System，COS)。装有COS的CPU卡不仅具有数据存储功能，同时具有命令处理和数据安全保护等功能。CPU卡芯片相当于芯片内装置了一个微处理器，其功能大致与一台微型计算机相同。在生活中，人们常使用的集成电路卡(IC卡)上的金属片就是CPU芯片。由于CPU卡具有存储空间大、处理能力强、信息存储安全、支持一卡多用以及读取速度快等优点，已经被广泛用于金融、交警、保险和政府行业等领域，并通过国家密码委和中国人民银行的认证。

就外型而言，CPU卡与普通IC卡、射频卡相比无明显差别，但是使用性能、安全性却有巨大提升，这主要源于CPU卡内含有随机数发生器、3DES加码算法、硬件DES和3DES加密算法等，配合操作系统就可以达到金融级别的安全等级。减值密钥一般存储在PSAM卡中，通过PSAM卡对IC卡进行减值操作，实现安全扣款。在非接触逻辑加密卡的系统中，PSAM卡主要使用卡片认证密钥和各扇区的KEYA、KEYB密钥来产生非接触逻辑加密卡操作所需要的各扇区的KEYA和KEYB认证码，交易信息不直接参与运算。而在非接触CPU卡系统中，PSAM卡通常用来计算和校验消费交易过程中出现的MAC码，同时在计算的过程中，交易时间、交易金额、交易类型等交易信息也都参与运算，使得交易更安全可靠。某些情况下，非接触CPU卡系统中的PSAM卡还可以用来支持安全报文更新数据时MAC的计算，以及交易TAC的验证。

卡片内部逻辑结构如图1所示。

其中CPU及加密逻辑保证EEPROM中数据的安全，使外界不能使用非法手段获得EEPROM中的数据。RAM是在COS 工作时存放命令参数、返回结果、安全状态以及临时工作密钥的区域。ROM用于存放COS程序。EEPROM中存放用户应用数据区域，COS将用户数据以文件的形式保存在EEP ROM中，当安全条件满足规定时，可以读/写文件。

2 硬件设计

2.1 PSAM卡电路设计

2.1.1 PSAM卡电源切换模块

ISO7816协议里规定2种使用较多的，PSAM卡的类别(A类、B类)，A类需要提供5 V电压，B类需要提供3V电压，为了保证对于两种类别卡的兼容性，要求设计的读写器，可以提供选择5V或者3 V的电压。于是本论文设计了如图2所示的电源切换模块。其工作原理是：PSAM POW为高时，P沟道的MOS管导通，提供5 V电压给PSAM_VDD，PSAM_POW为低时，P沟道的MOS管不导通，提供3.3 V电压，再经过二极管的压降，提供3 V电压。

2.1.2 PSAM卡复位信号

同样考虑到PSAM卡的两种类别，尤其是当PSAM卡为A类的时候，主要考虑MCU的I/O口电压是3.3V，而PSAM卡需要的是5 V，防止复位电平不够，将PSAM_RST1信号通过三极管与SAM_RST1相连，以增强驱动能力。其中PSAM_RST1与MCU相连，SAM_RST1与PSAM卡相连。具体电路如图3所示。

2.1.3 PSAM卡数据口电平转换电路

为了保证MCU接收到的信号是3.3 V，设计了PSAM卡数据口电平转换电路，具体电路如图4所示，当PSAM卡是A类的时候，需要将5 V电压转换为3.3 V，这时在图4电路中，只需要焊接上两个三极管(Q1、Q2)，不需要焊接电阻R，当PSAM卡是B类的时候，只需要焊接上电阻R，不需要焊接两个三极管(Q1、Q2)。

2.1.4 PSAM卡卡槽电路接口

PSAM卡卡槽电路接口如图5所示。由于是低电平复位，在RST端口需要接上PSAM VDD信号，在正常工作的时候将电平拉高。数据脚(DATA)正常情况下也需要上拉，这是为了防止电平幅度不够，尤其在5 V的时候，通过电平切换的信号是3.3 V，必须上拉到5 V才行。

2.2 主控模块设计

图6为主控模块以及相关的外围电路的原理图。主控模块选用的是STM32F103C8T6芯片。OSC32_IN、OSC32_OUT两个引脚外接32.768 kHz的低速外部晶振，可以用其驱动实时时钟RTC。OSC_IN、OSC_OUT两个引脚外接8 MHz晶振，通过设置STM32的相关寄存器经过PLL倍频之后产生72 MHz的STM32系统时钟(SYSCLK)。C1、C2作为晶体的匹配电容。为了使晶振更加容易启振，在晶振旁边并联1 MΩ电阻(R)。主控模块低电平复位，电阻上接高电平，电容在下接地，中间位RST。具体工作原理是在上电时给电容充电，电容给RST一个短暂的低电平，此低电平随着VCC给电容充电的过程中变高。 

3 软件设计

对于PSAM卡的软件驱动设计要符合ISO7816—4协议。应用协议数据单元(APDU)可包含有命令报文或响应报文，它从接口设备发送到卡，或者相反地由卡发送到接口设备。

APDU指令的格式如表1所列。

APDU指令的命令头内容如表2所列。

APDU指令响应结构如表3所列。

APDU指令响应内容如表4所列。

(1)主要的数据结构

Typedef struct{

u8 Cla; //命令的类型

u8 Cmd; //命令的编码

u8 P1; //具体命令参数1

u8 P2; //具体命令参数2

u8 P3; //在发送模式的为Lc;//在接收模式时为Le

u8*Data_Ptr;//命令和相应的数据字段

u8 RspCode[2];//APDU响应的内容

}APDU;

(2)主要功能函数

①函数名：PSAM_APDU_Out

功能描述：读取智能卡的数据。

参数：*Data_out，返回从智能卡中读出的数据;PSAMConfig，智能卡的配置。

返回值：读取数据成功标志(0为失败，1为成功)。

②函数名：PSAM_APDU In

功能描述：向智能卡写数据。

参数：*Data_in，向卡上写入的数据;PSAMConfig，智能卡的配置。

返回值：写入数据成功标志(0为失败，1为成功)。

③函数名：PSAM_Send1 Byte

功能描述：向智能卡发送1字节数据，并判断接收方是否成功接收。如果没有成功，则向收方发送两次该数据。

参数：SendByte，待发送的字节数据。

返回值：SendStatus，数据发送是否成功标志(成功为0x01，失败为0x00，超时为0xFF)。

④函数名：PSAM_Send1Block

功能描述：向智能卡发送n个字节数据。

参数：*SendPtr，待发送的字节数据指针;DataLen，传送的字节数;ByteDir，字节方向。

返回值：SendStatus，数据发送是否成功标志(成功为0x01，失败：0x00)。

⑤函数名：PSAM_Receive1Byte

功能描述：接收智能卡的1字节数据，当检测到奇偶出错时，可请求2次智能卡从发当前字节数据。

参数：无。

返回值：DataBuf，其中高字节是数据接收是否成功标志(成功为0x01，失败为Parity error(0x55)，timeout overflow(0xff))低字节是收到的有效字节数据。

⑥函数名：PSAM_Reset

功能描述：对智能卡进行复位操作，并等待智能卡的应答，如果应答成功则返回复位成功标志，否则返回复位失败标志。

参数：*uiATR，保存复位应答信息的指针。

返回值：复位成功标志(0x01为复位成功，0x00为复位失败)。

4 模块测试

通过串口调试助手对系统进行测试，分析发送和返回的数据，判断该模块工作是否正常。图7为发送对PSAM卡的复位操作的命令。图8为发送对PSAM卡进行透明数据流传输的命令。

结语

本文设计的PSAM卡驱动模块，根据上述软件和硬件的设计思路进行的设计得到了实际的验证，取得了令人满意的效果。无论是软件的代码还是硬件的电源转换模块都具有很好的可移植性，方便在不同的系统中应用，并且提供了对外的接口函数，方便上层系统应用工程师的调用。该模块可以应用到固网支付、POS终端等设备上。