SIM卡读卡器的研究与设计

《现代电子技术)2007年第 8期总第 247期 新型元器件司 SIM卡读卡器的研究与 周劫 男，石 江宏 ，王 洪 (厦门大学 福建 厦门 361005) 摘 要：GSM数字蜂窝通信系统中的用户识别模块(SIM卡)是一种带微处理器的封装在塑料片上的IC卡，他提供两个 方面的功能：业务的保密接入性能和数据的可移植性。着重研究了接触式集成电路 Ic卡标准 ISO7816，提 出了一种 SIM 卡 读卡器的#设计#，并给出了具体测试步骤与测试结果，证明了该设计的可行性。 关键词：SIM 卡；读卡器；ISO7816标准；GSM 中图分类号：TN92 文献标识码：B 文章编号：1004—373X(2007)08—051—05 Research and Design on Subscriber Identity M odule Reader ZHOU Jienan，SHI Jianghong，WANG Hong (Xiamen University，Xiamen，361005，China) Abstract：In GSM digital cellular telecommunication system，the Subscriber Identity Module(SIM card)is a kind of inte— grated circuit card encapsulated on plastic sheet．SIM cards，with the microprocessors，provide two functions：privately service access and data transplantation．The international standard ISO7816 on contact integrated circuit card is mainly researched．A design on SIM card reader is proposed，the detailed test steps and results are also presented in this paper。which show the feasi一 ／ bility of design． Keywords：SIM card；card reader；ISO 7816；GSM 1 引 言 SIM卡(Subscriber Identity Module)，即用户识别模 块，是一张符合 GSM 的“智慧卡”。SIM 卡可以插入 任何一部符合 GSM规范的移动电话中，“实现电话号码随 卡不随机的功能”，而通话费则自动计入持卡用户的帐单 上，与手机无关 ]。 SIM卡作为智能卡中特殊的一类卡，采用标准的接触 式 IC卡。他受到 ISO7816标准(接触式集成电路 IC卡的 规定)和 ETSI(欧洲电信标准委员会)的 GSM11．11等标 准的规范。他沿袭了智能卡在安全中的特色，并在移动用 户认证和移动商务中扮演重要的角色 ]。 目前手机用户将一些重要的电话号码都储存在手机 的SIM 卡上。如果手机失窃，用户可以买一部新的，但是 储存的号码怎么办呢?如果用户能事先将储存在 SIM 卡 上的电话号码做一份电子拷贝，这样就算手机丢失了，用 户还是可以很容易地将保存 的号码写入到新的 SIM 卡 里。为此，研究并设计了 SIM卡读卡器，通过他可以将手 机 SIM卡中信息读取到电脑中，方便地实现电话簿和短 消息的编辑、备份和管理。为经常使用手机的用户提供了 一 个经济、便捷的信息备份管理解决方案。 收稿 日期：2006一O9一O1 2 SIM 卡常识 SIM 卡是一张符合 GSM规范“智能卡”，他实际上是 一 个装有微处理器的芯片卡，内部有 5个模块，且每个模 块都对应一个功能 ；CPU(8位)、程序存储器(3～8 kb)、工 作存储器(6～16 kb)、数据存储器(128~256 kb)和串行通 信单元。SIM卡能实现存储数据(电话本、短消息等)和在 安全条件下(个人身份号码 PIN、鉴权钥 Ki正确)完成客 户身份鉴权和客户信息加密算法的全过程。这些功能都 是由SIM 卡 内的一部具有操作系统的微处理机完成。 SIM卡具有机卡分离(SIM—ME接口)、通信安全可靠、成 本低等特点[3]。 (1)SIM 卡 的物理 特征：可 以分尺 寸为 54 mm× 84 mmID一1 SIM(大卡)和尺寸为 25 mm×15 mmPlug— in SIM(小卡)两种。 (2)SIM卡的存储容量：一般 SIM 卡有 8 kB的存储 容量 ，另外还有容量分别 为 16 k和 32 k的 SIM 卡，即 STK SIM 卡 。 (3)SIM卡的使用温度；标准温度一25～+7O℃，极 限温度 一35～85℃，极 限情况下 每次使用 不得超过 4小时，总共使用不得超过 100次。 (4)sIM卡的使用寿命：物理寿命是取决于客户的插 拔次数，约在 1万次左右；而集成电路芯片的寿命取决于数 5】 维普资讯 http://www.cqvip.com 周酌男等：SIM卡读卡器的研究与设计 据存储器的写入次数，不同厂家其指标有所不同，就 Mo— torola经试验室试验约 5万次左右。平均寿命约为4年。 3 SIM卡与移动台设备的接口 SIM卡芯片有 8个触点，与移动台设备相互接通口]： (1)电源 VCC(触点 C1)：4．5～5．5 V，ICC<10 mA； (2)复位 RST(触点 C2)； (3)时钟 CI K(触点 C3)：卡时钟 3．25 MHz； (4)不提供(触点 C4)； (5)接地端 GND(触点 C5)； (6)编程电压 VPP(触点 C6)； (7)数据 I／0口(触点 C7)； (8)不提供(触点 C8)。 sIM卡同移动台设备连接时至少需 5个连接线：数据 I／0口(Data)、复位(RST)、接地端(GND)、电源(VCC)、 时钟(CLK)。他与基带单元的接口电路如图 1所示。其 中SIM CD为 SIM 卡检测脚，用于检测 SIM 卡的拔插； SIM CLK为ME提供的读／写SIM 卡的参考时钟 ；SIM RST为 SIM卡复位信号；SIM IO为串行数据输入／输出 线，由 20 kQ上拉电阻上拉至高电平；SIM RnW 为读／写 控制信号，用以指示当前 SIM IO线上数据传输的方向； sIM PWCTRL为功率控制信号，可在空闲方式时控制 SIM卡上的电源关闭，从而降低功耗，延长待机时间。 CD CLK RST IO VPP VCC OND SIM Card r_] + +5 SIM RnW SⅡ 10 SⅡ PWC1 BASE BAND 图1 SIM卡与基带单元的接口电路图 4 SIM卡内部数据结构 SIM 卡共有 3类数据 文件：主文件 (Master File， MF)、专用文件 (Dedicate File，DF)、基本文件(Element File，EF) ]。组织结构规定如下： 0x3F00代根 目录，0x2FXX代表根 目录下的基本 文件 ； 0x7FXX代表一级子 目录，0x6FXX代表一级子 目录 下的基本文件； 0x5FXX代表二级子 目录，0x4FXX代表二级子 目录 下的基本文件。 5 SIM 卡上电复位流程 sIM 卡符合国际标准 IS07816的要求，按照协议中的 52 规定，SIM 应有 8个触点，包括电源接I=I、复位控制接I=I、 时钟输入接 I=I、数据输入输出接I=I，SIM 卡工作时整体电 流消耗小于 10 mA。SIM 卡的时钟频率可由外部提供，在 指定时间内运行鉴权过程时至少需要 13／4 MHz的时钟 频率，其他情况下，使用最小 为 13／8 MHz的时钟频率。 I／O端口的数据传输波特率为时钟频率的 1／372t4]。 5．1 触点接通与冷复位 时序(Activation and cold re— set) 初始时，所有端IZl皆处于低电平(L)态，电压范围 0～ 0．4 V；VCC电源电压先上电(H态)，后提供 VPP编程电 压，在智能SIM卡中，VPP端无用，电压范围 5 V土0．4 V； VCC电源端稳定一段时间后，将 10端I=I置为接收方式(H 态)，并提供稳定的CLK时钟信号 (注：IO I=I需在提供 CLK 信号前或在提供 CLK信号后 200个时钟周期内( )置为接 收方式)；RST复位信号需在提供 CLK信号后 400个时钟 周期内(tD保持 L态，之后才可置为 H态；提供复位信号后 400~40 000个时钟周期内(￡ )，I／O口有复位应答。 [二二二二二 n 三 一!一 二二 十 + ： 卜 斗 I／0叵三[] l - + ~nswer t。~<200If 蜘 H≤tb 4001~≤t ~-<40O00／f 图 2 触点接通与冷复位 时序 5．2 热复位时序(Warm reset) 热复位在冷复位失败情况下使用，过程中保持 VCC 为 H态，且有稳定 的 CLK时钟信号；热复位时需保持 RST端为 L态的时间至少为400个时钟周期(t )；在 RST 端置 L态之前或之后 200个时钟周期时间内( )，IO口应 置为接收方式；在 RST置为 H态后的 400～40 000个时 钟周期内，I／O口有复位应答。 5．3 时钟停止时序(Clock stop) 外部控制停止时钟，可使 SIM 卡通信暂时中断，过程 中保持 VCC端与复位端 RST为 H态；要停止时钟，需在 I／O口输出最后一个字符之后等待至少 1 860个时钟周期 (￡ )；恢复时钟后至少等待 700个时钟周期(t )，Uo开始 有字符输出。 5．4 触点释放时序(Deactivation) 将 RST端置为 L态；结束 CLK输入并将 I／O口置为 I 态；最后将 VCC端置为 L态。 5．5 SIM 卡的复位应答 SIM 卡的触点被激活之后，终端启动一个冷复位。如 S S 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007正 第 8期总 第 247 果 SIM 卡在冷复位后回送的字节数不符，或在 19 200个 初始 etu之内复位应答未完成，终端不立即终止卡片操作 过程，而是再发一个热复位信号。如果仍然得到同样的结 果，那么，接口设备应释放触点，否则卡将继续进行后续操 作。流程如图6所示 。 VPP 一 ! [二二二 Id+ 。 十 — ： 十 Answer Td≤ 200／ ．／-4嫡 ≤ l 4oo／f~