工控主板对ISO7816智能卡标准的支持

ISO7816是一套协议标准，这套协议不仅规定了智能IC卡的机械电气特性，而且还规定了智能IC卡的应用方法。智能IC卡的主要用途可归为身份识别、支付安全、加密/解密和信息存储四个方面。智能IC卡已经广泛应用到金融、电信、电子商务等领域，我们平常使用的IC电话卡，充值电卡、燃气卡和手机中的SIM卡都属于智能卡的范畴。

ISO7816协议标准中，将协议模型定义为4层：物理层、数据链路层、传输层、应用层。

•  物理层：定义了位交换，主要定义波特率和字符帧的传输方式

•  数据链路层：定义了字符交换，传输的检错与纠错等

•  传输层：定义了针对协议的面向应用的提出报文传输

•  应用层：定义报文交换的内容

当ISO7816在基于英创的工控主板上应用时，可将ISO7816智能卡简单的理解成一个串口设备。串口的物理连接和系统驱动程序实现了ISO7816协议标准中的物理层和数据链路层（如图1中黄线以下部份）。应用程序负责数据的解析与应用，实现ISO7816协议标准的传输层与应用层（如图1中黄线以上部份）。

图1中黄线与红线之间是英创的工控主板，提供了硬件接口、操作系统支持和串口驱动支持，既实现ISO7816协议的数据链路层和物理层。用户将ISO7816智能卡正确的连接到工控主板的串口上，编写应用程序，通过调用系统API函数就能实现对ISO7816智能卡的访问。

图 1：英创工控主板连接ISO7816智能卡

本文将以英创工控主板EM9280连接基于ISO7816协议的ESAM模块为例，讨论用户需要做的两项工作：

1、将智能卡连接到工控主板的串口

2、应用程序如何访问已连接到系统中的智能卡

1、智能卡（ESAM）的硬件连接

        如图2中的U2所示，ESAM模块需要一个工作时钟和一个复位信号，通过一位IO与主机连接实现数据通讯。ESAM的复位信号使用EM9280的一位GPIO控制，工作时钟使用EM9280的一路PWM。ESAM模块使用单个I/O与主机通讯，自动切换收发方向，EM9280提供的是标准3线串口，所以没有办法与ESAM直接连接。图2中利用74HCT157，将串口的RXD,TXD模拟成ISO7816单IO通讯模式，利用串口的RTS#信号实现数据收发方向的自动切换。当EM9280发送数据时，RTS#输出低电平，选通74HCT157的A组，数据通过TXD6→2A→2Y输出到I/O脚。而1A通过R2上拉到高电平，所以1Y也是高电平，RXD6不会收到任何数据。数据发送完成后，RTS#被串口驱动程序自动将置为高电平，74HCT157的B组选通，ESAM模块发送的数据由I/O→1B→1Y到达RXD6，串口接收由ESAM模块发来的数据。此时2B由R2上拉到高电平，所以2Y亦是高电平，不会影响I/O上的数据传输。

图 2：EM9280连接ESAM模块

2、应用程序设置方法

        对应用程序来讲，与ESAM通讯类似于RS485的半双工通讯，只是在开始串口通讯之前，针对ESAM模块，还需要一些额外的设置。

 2.1  产生ESAM工作时钟

ESAM模块缺省工作时钟是其通讯波特率的372倍，我们使用EM9280的PWM1来产生ESAM的工作时钟。

// Generate clock for ISO7816. 
        m_hPWM = CreateFile(_T('PWM1:'), // name of device 
        GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, // desired access 
        FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE, // sharing mode 
        NULL, // security attributes (ignored) 
        OPEN_EXISTING, // creation disposition 
        FILE_FLAG_RANDOM_ACCESS, // flags/attributes 
        NULL); // template file (ignored) 
        if( m_hPWM == INVALID_HANDLE_VALUE ) 
        { 
                goto InitClearUp; 
        }

PWM_INFO PwmInfo; 
        PwmInfo.dwFreq = dwFI_DI_Ratio * dwBaud; // = 372 * 9600 = 3.5712MHz 
        PwmInfo.dwDuty = 50; // 50% 
        PwmInfo.dwResolution = 1; 
        dwNumberOfBytesWritten = 0; 
        WriteFile( m_hPWM, &PwmInfo, sizeof(PWM_INFO), &dwNumberOfBytesWritten, NULL);

2.2  打开串口并使能RTS_TOGGLE功能

使用标准的文件操作函数CreateFile打开串口设备，同时通过SetCommState函数设置串口通讯相关参数。此时ESAM模块的通讯波特率设置为9600bps，8位数据位，1位停止位，偶校验。

DCB dcb; 
        GetCommState( m_hSer, &dcb ); 
        dcb.BaudRate = Baud; // 波特率 = 9600 
        dcb.ByteSize = Databits; // 数据位 = 8 
        dcb.Parity = EVENPARITY; // 偶校验 
        dcb.StopBits = ONESTOPBIT; // 停止位 = 1 
        SetCommState(m_hSer, &dcb);

在图2中，将3线串口模拟成单线的ISO7816模式，使用串口的RTS作为数据传输方向控制信号。EM9280可以为打开的串口任意指定一位GPIO作为其RTS信号线，实现方法如下：

DCB dcb; 
        BOOL bRet;

bRet = DeviceIoControl(m_hSer, // 已经打开的串口设置句柄 
        IOCTL_SET_UART_RTS_PIN, // I/O control code 
        &dwRTSPin, // 选择作为RTS的GPIO,如图2中选择GPIO7 
        sizeof(DWORD), 
        NULL, 
        0, 
        NULL, 
        NULL); 
        if( bRet ) 
        { 
                GetCommState( m_hSer, &dcb ); // Get dcb 
                dcb.fRtsControl = RTS_CONTROL_TOGGLE; // Enable RTS Toggle 
                SetCommState(m_hSer, &dcb); // update dcb 
        }

  2.3  数据收发

应用程序可以创建一个线程，然后等待串口事件接收串口数据。

应用程序调用WriteFile函数发送数据，但需要特别注意ISO7816传输协议中关于“保护时间”要求，协议中规定两个连续的字符帧之间必需要有一个最小时间间隔，即保护时间，当波特率为9600bps时，保护时间最小大约为200uS。

如果直接调用WriteFile将要发送的数据一次性发送

WriteFile( m_hSer, Buf, len, &dwLen, NULL);

在EM9280上测得的字符间时间间隔大约为30uS，显示不能满足协议保护时间的要求。为了达到保护时间的要求，可以采用下面的方式，将需要发送的数据一个字节一个字节的发送。

for( int i; i<len; i++ )

<len; i++="" )="" <br="">                WriteFile( m_hSer, Buf+i, 1, &dwLen, NULL);

上面的for循环每调用一次WriteFile函数，只发送1个字节，在EM9280上测得的字符间时间间隔最小大约为500uS，满足协议保护时间的要求，实际测试也能正常与ESAM模块通讯。

如果主机串口硬件没有支持ISO7816模式，如英创公司工控主板EM9170、EM9283等，就可以按本文的方法，增加很少的几个器件就能连接ISO7816设备。