智能卡測試儀器的測試與開(kāi)發(fā)

  一、引言 

    智能卡是IC卡（集成電路卡）的一種，它將微電子與計算機技術(shù)結合在一起，具有保密性強、存儲量大、安全度高、能真正實(shí)現“一卡通”的特點(diǎn)。如今這項技術(shù)已經(jīng)廣泛應用到通信、金融、交通、醫療、身份證明等多個(gè)行業(yè)，提高了人們生活和工作的現代化程度 [1]。然而，智能卡以其自身高效、安全、便捷的特點(diǎn)在眾多領(lǐng)域應用，這使得其應用環(huán)境復雜多變，環(huán)境影響因素相對增多，使用中出現了諸多失效的問(wèn)題，這些失效問(wèn)題的存在嚴重影響了智能卡的應用。因此智能卡投入商用前所進(jìn)行的一系列測試項目顯得尤為重要。針對智能卡的測試，有一系列的國際行業(yè)標準，針對其特點(diǎn)和應用范圍，對卡片規格和性能做出了嚴格的規定[2]。本設計就是針對智能卡性能測試系統的研究，為智能卡的設計生產(chǎn)及使用提供了方便。

    二、智能卡系統整體設計

     系統原理框圖如圖1所示。圖中給出了具備檢測A 卡和B 卡開(kāi)短路、輸入輸出電流及邏輯特性的儀器設計方案，在通信接口的設計上，采用了USB、以太網(wǎng)、串口三種互連技術(shù)，用戶(hù)可以根據需要靈活的選擇互連方式與計算機進(jìn)行通信。如圖顯示，該系統主要由數據采集、通信與存儲模塊、電流與開(kāi)短路檢測模塊、邏輯測試模塊和核心控制模塊組成。

    三、各個(gè)模塊介紹及設計

     1、電流信號采集模塊     電流信號采集模塊由電流取樣、信號調理、模數轉換和處理器接口部分組成。在電路設計中，差分放大器采用LTC6102 實(shí)現對電壓信號的放大[3]，并設計了四路信號調理模塊，用于實(shí)現對CLK、RST、IO、ICC 四路電流的檢測[4]；經(jīng)過(guò)調理后的電壓信號進(jìn)入四通道高精度24 位模數轉換器，并由微處理器控制進(jìn)行模擬信號的采樣；微處理器通過(guò)數字接口與模數轉換器互連實(shí)現對模數轉換器的控制。

     2、智能卡管腳開(kāi)短路檢測模塊

     （1）開(kāi)短路檢測模塊的組成：開(kāi)短路檢測模塊由對地和對電源檢測選擇部分、恒流源激勵，模數轉換器組成。在選擇對地、VCC 檢測后，恒流源產(chǎn)生電流激勵施加于智能卡管腳，微處理器啟動(dòng)微處理器內部集成的模數轉換器，完成對當前檢測管腳電壓的采樣，判定開(kāi)短路狀態(tài)；完畢后將檢測結果以指示燈形式體現出來(lái)。

    （2）開(kāi)短路檢測電路設計：系統采用恒流二級管提供激勵電流，通過(guò)在智能卡插槽的管腳上施加電流地或電源構成電流回路，并有一個(gè)電壓參數輸出。微控制器控制內部集成的12 位模數轉換器采集該引腳電壓，采集后的電壓可作為開(kāi)短路檢測依據。

     3、智能卡邏輯測試模塊

     （1）邏輯測試模塊的組成：智能卡邏輯測試由智能卡插槽、多協(xié)議智能卡控制器和處理器接口部分組成。智能卡插槽用于提供智能卡與測試系統的物理連接，同時(shí)具有探測卡的插入和拔出功能；多協(xié)議智能卡控制器將來(lái)自上位機的邏輯測試指令轉換為ISO7816UART 協(xié)議序列[6]，和將智能卡的信息通過(guò)接口部分提供給處理器；處理器通過(guò)接口部分完成對智能卡控制器的控制。

    （2）邏輯測試模塊的設計：設計中邏輯測試模塊以多協(xié)議智能卡接口為核心，通過(guò)與微處理器接口完成對A 類(lèi)卡和B 類(lèi)卡的檢測。系統選擇了多協(xié)議智能卡，為測試儀器兼容多種協(xié)議(ISO7816、 EMV 、GSM11-11)和卡類(lèi)提供了保障。設計中，J1 和J2 分別為A類(lèi)卡和B 類(lèi)卡的插槽連接處，通過(guò)卡槽，模塊可提供兩種智能卡接口所需的全部信號，同時(shí)兼容1.8V/3V/5V 三種供電電源的智能卡。

     4、FLASH 存儲模塊

     FLASH 存儲模塊由FLASH 存儲器和處理器接口組成。閃存既有ROM 的特點(diǎn)，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重寫(xiě)，功耗很小[7]。處理器通過(guò)接口部分完成對FLASH存儲器的讀操作和寫(xiě)操作，用于提供和存儲智能卡的測試信息。

     5、通信模塊

     通信模塊由 USB 控制器、Ethernet 控制器、RS232 電平轉換器和處理器接口部分組成。USB ，是應用在PC 領(lǐng)域的接口技術(shù)，USB 接口支持設備的即插即用和熱插拔功能[8]。以太網(wǎng)采用帶沖突檢測的載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議（CSMA／CD），速率為10Mbps，傳輸介質(zhì)為同軸電纜。以太網(wǎng)控制器也稱(chēng)以太網(wǎng)適配器，就是我們通常稱(chēng)的“ 網(wǎng)卡”[9] 。RS-232-C 是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì )EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標準[10]。本設計中根據用戶(hù)選擇互連方式的不同，處理器通過(guò)不同接口完成USB 或以太網(wǎng)或串口的傳輸功能。

     6、核心控制模塊

     控制邏輯由 8 位微處理器和接口部分組成，完成對信號采樣模塊、邏輯測試模塊、FLASH 存儲模塊和通信模塊的控制。主控制器件采用了8 位微處理器C8051F120，C8051F120是由Silicon Laboratories 公司推出的小封裝、高性能、低功耗混合信號片上系統型處理器[11]，具有功能全及微功耗等特點(diǎn)，很適合于要求控制器體積小、能進(jìn)行快速運算的高速實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合。

     四、測試儀器面板設計

     測試儀器面板示意圖如圖2 所示。面板由指示燈、插槽、通信接口、電源插座組成。其中指示燈分為：

     （1）開(kāi)短路檢測指示，這部分分布在面板左上角；舉例，如檢測到CLK 對地短路，則CLK 指示燈、對地指示燈、短路指示燈會(huì )點(diǎn)亮。

    （2）電源燈和邏輯功能檢測狀態(tài)指示燈電源燈在上電后點(diǎn)亮，邏輯功能測試正常后，正常燈會(huì )點(diǎn)亮，否則故障燈點(diǎn)亮；插槽由兩部分共６個(gè)槽組成，分別用于A(yíng) 卡和Ｂ卡的檢測；面板通信接口由USB，RJ45 槽和串口插座組成；電源插座為220VAC 市電接入口。    圖2 測試儀器面板示意圖     五、結論分析     該測試儀器已經(jīng)成功應用于智能卡生產(chǎn)線(xiàn)的微電流及邏輯特性參數測試，性能穩定，操作界面友好，整個(gè)系統的分辨率達到0.01μA，符合設計要求，技術(shù)達標。而且具有抗干擾能力強，體積小，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。完全能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)廠(chǎng)家對智能卡的各種特性檢測的要求。