智能卡测试仪器的测试与开发

     一、引言 

    智能卡是IC卡（集成电路卡）的一种，它将微电子与计算机技术结合在一起，具有保密性强、存储量大、安全度高、能真正实现“一卡通”的特点。如今这项技术已经广泛应用到通信、金融、交通、医疗、身份证明等多个行业，提高了人们生活和工作的现代化程度 [1]。然而，智能卡以其自身高效、安全、便捷的特点在众多领域应用，这使得其应用环境复杂多变，环境影响因素相对增多，使用中出现了诸多失效的问题，这些失效问题的存在严重影响了智能卡的应用。因此智能卡投入商用前所进行的一系列测试项目显得尤为重要。针对智能卡的测试，有一系列的国际行业标准，针对其特点和应用范围，对卡片规格和性能做出了严格的规定[2]。本设计就是针对智能卡性能测试系统的研究，为智能卡的设计生产及使用提供了方便。

    二、智能卡系统整体设计

     系统原理框图如图1所示。图中给出了具备检测A 卡和B 卡开短路、输入输出电流及逻辑特性的仪器设计方案，在通信接口的设计上，采用了USB、以太网、串口三种互连技术，用户可以根据需要灵活的选择互连方式与计算机进行通信。如图显示，该系统主要由数据采集、通信与存储模块、电流与开短路检测模块、逻辑测试模块和核心控制模块组成。

    三、各个模块介绍及设计

     1、电流信号采集模块     电流信号采集模块由电流取样、信号调理、模数转换和处理器接口部分组成。在电路设计中，差分放大器采用LTC6102 实现对电压信号的放大[3]，并设计了四路信号调理模块，用于实现对CLK、RST、IO、ICC 四路电流的检测[4]；经过调理后的电压信号进入四通道高精度24 位模数转换器，并由微处理器控制进行模拟信号的采样；微处理器通过数字接口与模数转换器互连实现对模数转换器的控制。

     2、智能卡管脚开短路检测模块

     （1）开短路检测模块的组成：开短路检测模块由对地和对电源检测选择部分、恒流源激励，模数转换器组成。在选择对地、VCC 检测后，恒流源产生电流激励施加于智能卡管脚，微处理器启动微处理器内部集成的模数转换器，完成对当前检测管脚电压的采样，判定开短路状态；完毕后将检测结果以指示灯形式体现出来。

    （2）开短路检测电路设计：系统采用恒流二级管提供激励电流，通过在智能卡插槽的管脚上施加电流地或电源构成电流回路，并有一个电压参数输出。微控制器控制内部集成的12 位模数转换器采集该引脚电压，采集后的电压可作为开短路检测依据。

     3、智能卡逻辑测试模块

     （1）逻辑测试模块的组成：智能卡逻辑测试由智能卡插槽、多协议智能卡控制器和处理器接口部分组成。智能卡插槽用于提供智能卡与测试系统的物理连接，同时具有探测卡的插入和拔出功能；多协议智能卡控制器将来自上位机的逻辑测试指令转换为ISO7816UART 协议序列[6]，和将智能卡的信息通过接口部分提供给处理器；处理器通过接口部分完成对智能卡控制器的控制。

    （2）逻辑测试模块的设计：设计中逻辑测试模块以多协议智能卡接口为核心，通过与微处理器接口完成对A 类卡和B 类卡的检测。系统选择了多协议智能卡，为测试仪器兼容多种协议(ISO7816、 EMV 、GSM11-11)和卡类提供了保障。设计中，J1 和J2 分别为A类卡和B 类卡的插槽连接处，通过卡槽，模块可提供两种智能卡接口所需的全部信号，同时兼容1.8V/3V/5V 三种供电电源的智能卡。

     4、FLASH 存储模块

     FLASH 存储模块由FLASH 存储器和处理器接口组成。闪存既有ROM 的特点，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重写，功耗很小[7]。处理器通过接口部分完成对FLASH存储器的读操作和写操作，用于提供和存储智能卡的测试信息。

     5、通信模块

     通信模块由 USB 控制器、Ethernet 控制器、RS232 电平转换器和处理器接口部分组成。USB ，是应用在PC 领域的接口技术，USB 接口支持设备的即插即用和热插拔功能[8]。以太网采用带冲突检测的载波监听多路访问协议（CSMA／CD），速率为10Mbps，传输介质为同轴电缆。以太网控制器也称以太网适配器，就是我们通常称的“ 网卡”[9] 。RS-232-C 是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准[10]。本设计中根据用户选择互连方式的不同，处理器通过不同接口完成USB 或以太网或串口的传输功能。

     6、核心控制模块

     控制逻辑由 8 位微处理器和接口部分组成，完成对信号采样模块、逻辑测试模块、FLASH 存储模块和通信模块的控制。主控制器件采用了8 位微处理器C8051F120，C8051F120是由Silicon Laboratories 公司推出的小封装、高性能、低功耗混合信号片上系统型处理器[11]，具有功能全及微功耗等特点，很适合于要求控制器体积小、能进行快速运算的高速实时控制场合。

     四、测试仪器面板设计

     测试仪器面板示意图如图2 所示。面板由指示灯、插槽、通信接口、电源插座组成。其中指示灯分为：

     （1）开短路检测指示，这部分分布在面板左上角；举例，如检测到CLK 对地短路，则CLK 指示灯、对地指示灯、短路指示灯会点亮。

    （2）电源灯和逻辑功能检测状态指示灯电源灯在上电后点亮，逻辑功能测试正常后，正常灯会点亮，否则故障灯点亮；插槽由两部分共６个槽组成，分别用于A 卡和Ｂ卡的检测；面板通信接口由USB，RJ45 槽和串口插座组成；电源插座为220VAC 市电接入口。    图2 测试仪器面板示意图     五、结论分析     该测试仪器已经成功应用于智能卡生产线的微电流及逻辑特性参数测试，性能稳定，操作界面友好，整个系统的分辨率达到0.01μA，符合设计要求，技术达标。而且具有抗干扰能力强，体积小，成本低廉等优点。完全能够满足生产厂家对智能卡的各种特性检测的要求。