基于SPI接口安全芯片產品的讀卡器研究　

　　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是通過電源轉換芯片LM1117提供的，同時在USB接口處添加了ESD防護器件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存儲器和20K的RAM、三個16位普通定時器和一個高級定時器、2×SPI、2×I2C、3×USART、1×USB、1×CAN2.0、2(16)個ADC和48個I/O引腳。本讀卡器應用了該芯片的USB功能，通過USB端口檢測是否有安全芯片插入，實現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，同時也可以方便地監測SPI的通訊時序，方便調試和測試。

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。當有安全芯片插入或拔出時通過MCU控制蜂鳴器的發出“嘀嘀”的響聲，當和安全芯片進行通訊時，控制指示燈D2的亮滅指示通訊的正常或異常，電源指示燈D1亮滅代表電源的正常與否。

3 軟件設計

　　本系統的軟件框圖如圖9所示，通過USB供電，當系統正常上電后程序進行初始化，包括系統時鐘的初始化、USB初始化及CCID設備接口的初始化等，當該系統的CCID設備接口準備好后可以通過其中的固定的端口發送指令進行SPI時序的設置，當插入安全芯片時系統會自動檢測，如果檢測到安全芯片，端口上會顯示該SPI接口從設備的相關信息，通過該端口可以進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的時序，進行調整，重新進行SPI時序的相關參數的設置。

3.1 CCID設備初始化

　　CCID標準規定了CCID設備是一種芯片/智能卡接口設備，設備通過USB接口與主機或其他嵌入式主機連接，進行符合CCID標準的數據通訊，工作過程如圖10所示。本讀卡器采用了CCID標準，實現了3個設備端口的初始化，用到了Bulk-OUT Message在Command Pipe發送;Bulk-IN Message在Response Pipe發送;Interrupt-IN Message在interrupt-IN Pipe發送，用到的函數如表1所示。

3.2 SPI從設備通信處理軟件

　　本讀卡器采用了MODE3模式，時序圖如圖11所示，主要涉及到以下關鍵的時間點：包括Ton：片選SSN拉低到第一個Clock之間的延時時間，Toff ：SPI通訊結束的最后一個CLK到片選SSN拉高之間的間隔，Ti：每個字節幀之間的間隔，Tidle ：片選SSN高電平持續的時間。通過CCID設備的固定端口發送SPI時序的配置指令，分別對上面的關鍵時間點Ton、Toff、Ti和Tidle進行設置。

　　參考SPI接口從設備的通信時序圖及通信流程編寫程序，完成了調試，下面給出SPI初始化的程序，具體的程序執行流程圖如圖12所示。

4 結論

　　本文設計的讀卡器實現了和SPI接口從設備通信，同時實現了對SPI從設備時序的配置，方便測試SPI從設備的工作極限參數，例如工作頻率等。此外在進行SPI從設備生產發行過程中，通過修改SPI時序可以很大程度上提高生產產能。另外也方便用戶進行SPI底層程序的調試，縮短了開發周期，在實際應用中具有深遠的意義。

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