应用于移动支付的速率自适应智能卡ISO7816接口电路设计

摘要

近年来移动支付成为热门的小金额支付解决方案，其中近场支付SWP-SIM卡方案采用智能卡ISO7816接口来完成SIM卡与IFD（Interface Device）之间一般数据的单线半双工通信，具有简单、兼容性好、可扩展等特点，迅速成为最理想的移动支付解决方案。对比现有的SWP-SIM卡产品，国外产品中ISO7816接口电路技术比较成熟，但是价格偏贵，并不具有自主知识产权。目前国内相关芯片中实现的ISO7816接口电路，还存在电路规模较大、功耗较高等一些问题。
　　本文针对智能卡接口在实际应用中的通信需求：一方面在大数据量的情况下进行高速率的数据传输；另一方面在非高速传输的情况下满足低功耗的需求，实现了通信数据速率实时自适应的传输过程。首先，基于智能卡与终端通信的动态数据传输速率的需求，本文实现了实时监测时钟频率以及分频参数，对相应电路时钟频率进行动态调节；然后，为了满足高数据速率的需求，在数据传输中本文设计实现了DMA的工作模式以及高速异步数据FIFO缓存、可配置的ETU TIMER等；另外，针对非高速的数据传输，本文设计实现了时钟停止和休眠唤醒的策略，评估正常工作时的电路功耗大约在0.7mw左右，而唤醒时间在0.11ms左右，满足应用需求。
　　然后，本文基于Xilinx K7 FPGA平台对相应电路进行了验证，ISO7816从接口模块电路规模为185 SLICE单元，按照软件通常配置的通信速率最高时可达到数据208.33kbit/s，相对于同样的配置有数据深度为16的FIFO缓存的UART串行接口（同样支持DMA传输，占用管脚资源跟本文实现的智能卡接口相同）的标准有效数据115.2kbit/s，性能几乎提高了一倍。最后本文基于SMIC130nm eFLASH工艺流片，ISO7816从接口模块的电路面积等效4.2K门，成功流片后并使用业界智能卡规范测试仪器MP300对样片进行全面测试，该接口电路对于输入的时钟频率从1MHz到5MHz（步进为0.1MHz扫描）能够动态检测，进行数据通信速率从208.33kbit/s到1.30kbit/s的自适应通信，性能优于国内同方等同类芯片相应接口。

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1 绪论

1.1 课题概述

1.2 研究目标与主要工作

1.3 本论文结构安排

2 ISO7816接口协议简介及其通信流程分析

2.1 电气特性

2.2 通信流程

2.3 字符格式

3 ISO7816接口电路整体架构与设计

3.1 ISO7816接口速率自适应设计

3.2 高性能寄存器总线电路设计

3.3 ISO7816 接口低功耗策略与实现

3.4 本章小结

4 ISO7816接口电路功能测试与性能分析

4.1 ISO7816软硬件协同数据通路仿真测试

4.2 ISO7816基于FPGA的协议层仿真测试

4.3 ISO7816接口电路性能分析与优化对比

4.4 本章小结

5 ISO7816接口电路ASIC设计与样片测试

5.1 ISO7816接口电路的ASIC实现

5.2 样片测试及ISO7816接口性能分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 展望

致谢

参考文献