STM32單片機的PSAM卡驅動模塊設計

張國鵬，蔡鈞

（揚州大學信息工程學院，揚州225127）

引 言

刷卡消費隨著人們生活水平的提高已經成為常用的支付方式之一。為了保證刷卡消費的安全性，將PSAM卡內嵌于各種終端刷卡設備中。PSAM（Purchase Secure Access Module，銷售點終端安全存取模塊），由IC卡發行主管部門或者應用主管機構發行，是可以用于對IC卡進行脫機消費交易認證的安全認證卡，主要應用于商用POS、網點終端、直連終端等設備上，支持多級發卡機制，適用于多應用的環境，符合識別卡、帶觸點的集成電路卡標準、ISO／IEC 7816－1／2／3／4以及《中國人民銀行PSAM卡規范》。

1 PSAM卡簡介

PSAM卡是接觸式CPU卡的一種。CPU卡也稱智能卡，卡內集成電路帶有微處理CPU，存儲單元（包括隨機存儲器RAM、電可擦除存儲器EEPROM、程序存儲器R0M）及芯片操作系統（Chip Operating System，COS）。裝有COS的CPU卡不僅具有數據存儲功能，同時具有命令處理和數據安全保護等功能。CPU卡芯片相當于芯片內裝置了一個微處理器，其功能大致與一臺微型計算機相同。在生活中，人們常使用的集成電路卡（IC卡）上的金屬片就是CPU芯片。由于CPU卡具有存儲空間大、處理能力強、信息存儲安全、支持一卡多用以及讀取速度快等優點，已經被廣泛用于金融、交警、保險和政府行業等領域，并通過國家密碼委和中國人民銀行的認證。

就外型而言，CPU卡與普通IC卡、射頻卡相比無明顯差別，但是使用性能、安全性卻有巨大提升，這主要源于CPU卡內含有隨機數發生器、3DES加碼算法、硬件DES和3DES加密算法等，配合操作系統就可以達到金融級別的安全等級［1]。減值密鑰一般存儲在PSAM卡中，通過PSAM卡對IC卡進行減值操作，實現安全扣款。在非接觸邏輯加密卡的系統中，PSAM卡主要使用卡片認證密鑰和各扇區的KEYA、KEYB密鑰來產生非接觸邏輯加密卡操作所需要的各扇區的KEYA和KEYB認證碼，交易信息不直接參與運算。而在非接觸CPU卡系統中，PSAM卡通常用來計算和校驗消費交易過程中出現的MAC碼，同時在計算的過程中，交易時間、交易金額、交易類型等交易信息也都參與運算，使得交易更安全可靠。某些情況下，非接觸CPU卡系統中的PSAM卡還可以用來支持安全報文更新數據時MAC的計算，以及交易TAC的驗證。

卡片內部邏輯結構如圖1所示［2]。

圖1 卡片內部邏輯結構

其中CPU及加密邏輯保證EEPROM中數據的安全，使外界不能使用非法手段獲得EEPROM中的數據。RAM是在COS工作時存放命令參數、返回結果、安全狀態以及臨時工作密鑰的區域。ROM用于存放COS程序。EEPROM中存放用戶應用數據區域，COS將用戶數據以文件的形式保存在EEPROM中，當安全條件滿足規定時，可以讀／寫文件。

2 硬件設計

2.1 PSAM卡電路設計

2.1.1 PSAM卡電源切換模塊

ISO7816協議里規定2種使用較多的PSAM卡的類別（A類、B類），A類需要提供5V電壓，B類需要提供3 V電壓，為了保證對于兩種類別卡的兼容性，要求設計的讀寫器，可以提供選擇5 V或者3V的電壓。于是本論文設計了如圖2所示的電源切換模塊。其工作原理是：PSAM＿POW為高時，P溝道的MOS管導通，提供5V電壓給PSAM＿VDD，PSAM＿POW為低時，P溝道的MOS管不導通，提供3.3V電壓，再經過二極管的壓降，提供3V電壓。

圖2 PSAM卡電源切換模塊

2.1.2 PSAM卡復位信號

同樣考慮到PSAM卡的兩種類別，尤其是當PSAM卡為A類的時候，主要考慮MCU的I／O口電壓是3.3 V，而PSAM卡需要的是5V，防止復位電平不夠，將PSAM＿RST1信號通過三極管與SAM＿RST1相連，以增強驅動能力。其中PSAM＿RST1與MCU相連，SAM＿RST1與PSAM卡相連。具體電路如圖3所示。

2.1.3 PSAM卡數據口電平轉換電路

為了保證MCU接收到的信號是3.3V，設計了PSAM卡數據口電平轉換電路，具體電路如圖4所示，當PSAM卡是A類的時候，需要將5V電壓轉換為3.3V，這時在圖4電路中，只需要焊接上兩個三極管（Q1、Q2），不需要焊接電阻R，當PSAM卡是B類的時候，只需要焊接上電阻R，不需要焊接兩個三極管（Q1、Q2）。

2.1.4 PSAM卡卡槽電路接口

PSAM卡卡槽電路接口如圖5所示。由于是低電平復位，在RST端口需要接上PSAM＿VDD信號，在正常工作的時候將電平拉高。數據腳（DATA）正常情況下也需要上拉，這是為了防止電平幅度不夠，尤其在5V的時候，通過電平切換的信號是3.3V，必須上拉到5V才行。

圖3 PSAM卡復位信號

圖4 PSAM卡數據口電平轉換電路

圖5 PSAM卡卡槽電路接口

2.2 主控模塊設計

圖6為主控模塊以及相關的外圍電路的原理圖。主控模塊選用的是STM32F103C8T6芯片。OSC32＿IN、OSC32＿OUT兩個引腳外接32.768kHz的低速外部晶振，可以用其驅動實時時鐘RTC。OSC＿IN、OSC＿OUT兩個引腳外接8MHz晶振，通過設置STM32的相關寄存器經過PLL倍頻之后產生72MHz的STM32系統時鐘（SYSCLK）。C1、C2作為晶體的匹配電容。為了使晶振更加容易啟振，在晶振旁邊并聯1MΩ電阻（R）。主控模塊低電平復位，電阻上接高電平，電容在下接地，中間位RST。具體工作原理是在上電時給電容充電，電容給RST一個短暫的低電平，此低電平隨著VCC給電容充電的過程中變高。

3 軟件設計

對于PSAM卡的軟件驅動設計要符合ISO7816－4協議。應用協議數據單元（APDU）可包含有命令報文或響應報文，它從接口設備發送到卡，或者相反地由卡發送到接口設備。

APDU指令的格式如表1所列。

表1 APDU指令的格式

APDU指令的命令頭內容如表2所列。

圖6 主控模塊以及相關的外圍電路的原理圖

表2 APDU指令的命令頭內容

APDU指令響應結構如表3所列。

表3 響應APDU結構

APDU指令響應內容如表4所列。

表4 響應APDU內容

（1）主要的數據結構

（2）主要功能函數

①函數名：PSAM＿APDU＿Out

功能描述：讀取智能卡的數據。

參數：＊Data＿out，返回從智能卡中讀出的數據；PSAMConfig，智能卡的配置。

返回值：讀取數據成功標志（0為失敗，1為成功）。

②函數名：PSAM＿APDU＿In

功能描述：向智能卡寫數據。

參數：＊Data＿in，向卡上寫入的數據；PSAMConfig，智能卡的配置。

返回值：寫入數據成功標志（0為失敗，1為成功）。

③函數名：PSAM＿Send1Byte

功能描述：向智能卡發送1字節數據，并判斷接收方是否成功接收。如果沒有成功，則向收方發送兩次該數據。

參數：SendByte，待發送的字節數據。

返回值：SendStatus，數據發送是否成功標志（成功為0x01，失敗為0x00，超時為0xFF）。

④函數名：PSAM＿Send1Block

功能描述：向智能卡發送n個字節數據。

參數：＊SendPtr，待發送的字節數據指針；DataLen，傳送的字節數；ByteDir，字節方向。

返回值：SendStatus，數據發送是否成功標志（成功為0x01，失敗：0x00）。

⑤函數名：PSAM＿Receive1Byte

功能描述：接收智能卡的1字節數據，當檢測到奇偶出錯時，可請求2次智能卡從發當前字節數據。

參數：無。

返回值：DataBuf，其中高字節是數據接收是否成功標志（成功為0x01，失敗為Parity error（0x55），timeout overflow（0xff））低字節是收到的有效字節數據。

⑥函數名：PSAM＿Reset

功能描述：對智能卡進行復位操作，并等待智能卡的應答，如果應答成功則返回復位成功標志，否則返回復位失敗標志。

參數：＊uiATR，保存復位應答信息的指針。

返回值：復位成功標志（0x01為復位成功，0x00為復位失敗）。

4 模塊測試

通過串口調試助手對系統進行測試，分析發送和返回的數據，判斷該模塊工作是否正常。圖7為發送對PSAM卡的復位操作的命令。圖8為發送對PSAM卡進行透明數據流傳輸的命令。

圖7 PSAM卡復位

結 語

圖8 PSAM卡透明數據流傳輸

本文設計的PSAM卡驅動模塊，根據上述軟件和硬件的設計思路進行的設計得到了實際的驗證，取得了令人滿意的效果。無論是軟件的代碼還是硬件的電源轉換模塊都具有很好的可移植性，方便在不同的系統中應用，并且提供了對外的接口函數，方便上層系統應用工程師的調用。該模塊可以應用到固網支付、POS終端等設備上。

［1] 白翠翠，夏春雷，戴曙光.非接觸式CPU卡讀卡器的設計與實現［J] .無線電通信技術，2012（5）.

［2] 北京握奇數據系統有限公司.TimeCOS／PBOC專用技術參考手冊，2002.