探索DS8007：多功能双智能卡接口的技术解密

在电子设备的设计领域，智能卡接口的重要性不言而喻。今天，我们将深入探讨MAXIM公司的DS8007多功能双智能卡接口，一起揭开它的神秘面纱，了解其特性、工作原理和应用场景。

文件下载：DS8007-KIT.pdf

一、DS8007概述

DS8007是一款低成本的双智能卡读卡器接口，它支持所有ISO 7816、EMV®和GSM11 - 11要求。通过其8位并行总线和专用地址选择（AD3–AD0），DS8007可以轻松直接连接到Maxim安全微控制器的非复用字节宽总线。此外，该并行总线也可以进行复用，以允许通过MOVX内存寻址直接访问与80C51兼容的微控制器的复用总线。

1. 主要特性

• 集成ISO 7816 UART：为两个独立的智能卡设备提供完整的接口和控制。
• ESD保护：卡接口具有8kV（最小值）的静电放电（ESD）保护。
• 内部IC卡电源电压生成：能够生成5.0V ±5%（最大65mA）、3.0V ±8%（最大50mA）和1.8V ±10%（最大30mA）的电压。
• 自动卡激活和通信：由专用内部序列器控制卡的自动激活、停用和数据通信。
• 主机接口：通过8位并行总线，用户可选择复用或非复用模式。
• 芯片选择和三态总线：允许总线上连接多个设备（读卡器和存储器）。
• 接收FIFO：具有8字符的接收先进先出（FIFO）缓冲区，可选择可编程深度/阈值。
• 辅助接口：I/O接口引脚可连接到外部ISO 7816 UART，用于辅助接口。
• 时钟生成：独立的卡时钟生成（最高10MHz），具有2倍频功能。
• 时钟控制：可选择卡时钟停止高、停止低或内部生成1.25MHz（用于卡掉电）。
• 认证设计和评估套件：提供EMV认证的参考设计和评估套件（DS8007 - KIT）。

2. 应用场景

DS8007的应用范围广泛，涵盖了银行应用（如销售点终端、借记卡/信用卡支付终端、个人识别码（PIN）键盘、自动取款机）、电信、付费电视和访问控制等领域。

二、电气特性和参数

1. 绝对最大额定值

DS8007在特定条件下有明确的绝对最大额定值限制，例如连续功耗（在(T_{A}= +70^{circ}C)时，LQFP多层板）、各引脚相对于地的电压范围、最大结温、工作温度范围、存储温度范围、焊接温度等。超出这些额定值可能会对设备造成永久性损坏。

2. 电气特性

文档中详细列出了在(V{DD}= +3.3V)，(V{DDA}= +3.3V)，(T_{A}= +25^{circ}C)（除非另有说明）条件下的各项电气参数，包括数字电源电压、升压转换器电源电压、不同模式下的电流消耗、电源故障复位电压、输出电压、输出电流、输出电容等。这些参数对于工程师在设计电路时进行电源管理和信号处理至关重要。

3. 交流电气规格 - 时序参数

针对复用并行总线、非复用并行总线以及对URR/UTR/TOC的连续读写操作，文档分别给出了详细的时序参数。这些参数规定了信号的时序关系，如时钟周期、脉冲宽度、地址有效时间、数据读写有效时间等，确保设备在不同操作模式下的正常运行。

三、引脚描述

DS8007共有48个引脚，每个引脚都有其特定的功能。例如，RSTOUT引脚用于复位外部设备；I/OAUX引脚可连接到辅助智能卡接口；I/OA和I/OB分别是智能卡A和B的I/O数据线；CLKA和CLKB是智能卡A和B的时钟输出；VCCA和VCCB是智能卡A和B的电源电压输出等。了解这些引脚的功能对于正确连接和使用DS8007至关重要。

四、详细功能描述

1. 并行总线接口

DS8007通过复用或非复用的8位并行数据总线（D0 - D7）与主机计算机/处理器进行接口。它能够自动检测外部总线是复用还是非复用模式。在复用模式下，D7 - D0信号在地址和数据之间复用；在非复用模式下，地址由AD3 - AD0提供，数据由D7 - D0传输。

2. 控制寄存器

DS8007的许多功能由主机计算机/微控制器通过并行总线访问的特殊控制寄存器进行管理。这些寄存器包括卡选择寄存器（CSR）、时钟配置寄存器（CCR）、可编程分频寄存器（PDR）、UART控制寄存器（UCR1和UCR2）、功率控制寄存器（PCR）、超时配置寄存器（TOC）等。每个寄存器都有其特定的位功能，用于控制卡的选择、时钟配置、通信协议、电源管理等。

3. 卡接口电压调节和升压转换器操作

VDD和VDDA引脚为DS8007供电，电压监控电路会检测输入电压水平，并根据控制寄存器的设置自动启动升压转换器，以生成适用于卡接口的电压。同时，设备还具有电压供应监控功能，确保在电源电压不足时将设备保持在复位状态。此外，还具备短路和热保护电路，防止因意外短路或过热对设备造成损坏。

4. 激活和停用序列

激活序列可由主机设备通过并行总线接口请求，主机可以通过设置PCRx寄存器的START位来激活特定的卡（卡A或卡B）。激活时间从START位被置位到时钟输出启用小于130µs。停用序列则通过将START位复位为0来请求，停用时间从START位被复位到VCCx电压降至小于0.4V小于150µs。此外，在检测到不满意的操作条件时，会触发紧急停用。

5. 中断生成

INT输出引脚用于向主机设备发出可能需要关注的事件信号。中断源包括卡接口故障、VDD电压下降、复位、过热、引脚电平变化、奇偶校验和/或帧错误、早期应答、超时计数器达到终端计数、FIFO满状态、FIFO溢出和发送缓冲区为空等。

6. 超时计数器操作

超时计数器帮助主机设备对与通信协议相关的实时事件进行计时，如工作等待时间（WWT）、块等待时间（BWT）等。它可以作为单个24位计数器或分别作为16位和8位计数器运行，支持软件模式和起始位模式。

7. ISO UART实现

• 复位操作：通过CSR.RIU控制位复位ISO UART，在激活前必须复位该位，并在UART操作前将其设置为1。
• 同步模式：通过设置同步/异步卡选择位为逻辑1来启用同步模式。在同步模式下，相关的I/Ox卡接口数据通过UART发送/接收寄存器（UTR和URR）的最低有效位（LSb）进行传输。
• 异步模式：异步模式是所有卡接口的默认复位模式，通过将同步/异步卡选择位配置为逻辑0来选择。I/Ox卡接口信号用于主机控制的ISO UART与外部智能卡之间的异步半双工数据通信。
• ETU生成和时序：异步模式下通信的基本时间单位是基本时间单位（ETU），它由为卡接口配置的fCLK频率决定。主机设备可以通过时钟UART（CKU）选择位选择使用fCLK或2 x fCLK进行ETU生成。
• 标准时钟频率和波特率：DS8007支持符合ISO 7816、EMV2000和GSM11 - 11标准的I/O通信和CLKx频率生成。这些标准规定了CLKx频率范围以及CLKx频率与ETU（波特率）生成之间的关系。
• 字符编码/解码约定：ISO UART支持直接和反转两种字符编码/解码格式，通过UCR1.CONV位定义使用哪种格式。可以通过软件配置该位，也可以在启用自动约定检测时由硬件配置。
• 自动约定检测：自动约定检测依赖于在答案到复位（ATR）中接收到的第一个字符（TS字符）中识别预定义模式，以确定未来的字符编码约定。
• 帧错误检测：DS8007在每个检测到的起始位后的10.25 ETU监测所选卡的I/Ox信号，如果此时I/Ox信号未处于高电平状态，则将USR.FER（帧错误）位设置为1。
• 块保护时间：智能卡读卡器（DS8007）与集成电路卡（ICC）之间的异步串行通信的块保护时间定义为连续发送的相反方向起始位之间的最小延迟。DS8007实现了一个内部ETU计数器来帮助主机设备评估是否满足该最小块保护时间。
• 发送模式：通过将相关的UCR1.T/R位设置为逻辑1来启用ISO UART发送模式。发送缓冲区为空时，TBE/RBF位被设置为1；写入字符到UTR寄存器后，TBE/RBF位被清除。
• 保护时间：DS8007为每个卡接口实现了保护时间寄存器（GTR），用于设置连续发送的起始位之间应强制执行的额外ETU数量。
• 最后要发送的字符：通过设置UCR1.LCT位为1，主机软件可以在成功发送字符后自动从发送模式切换到接收模式。
• 接收模式：当相关的UCR1.T/R位为0时，ISO UART处于接收模式。接收FIFO为空时，MSR.FE位被设置为1；FIFO中有未读字符时，FE位被清除；FIFO满时，TBE/RBF位被设置为1。
• 奇偶校验：(T = 1)协议在接收时检查奇偶校验，首次检测到奇偶错误时设置USR.PE位；(T = 0)协议也检查接收奇偶校验，但可以根据PEC2 - PEC0位设置在检测到1 - 8个奇偶错误后设置USR.PE位。
• 错误信号生成：在(T = 0)协议下，DS8007支持根据奇偶校验生成错误信号，PEC2 - PEC0位决定了允许的接收重复次数。
• 接收FIFO：DS8007实现了增强的接收FIFO，可配置为1到8个字符的深度。当FIFO阈值使能位FTE0和FTE1设置为1时，FIFO实现可编程阈值功能。
• 早期应答（EA）：如果在ATR期间，当RSTx引脚为低电平时，在时钟周期200 - 368之间以及RSTx引脚为高电平后的前368个时钟周期内，在I/O线上检测到起始位，则被识别为早期应答，USR.EA寄存器中的EA位被设置，INT引脚被置位。

五、开发和技术支持

为了帮助工程师进行基于DS8007的设计开发，Maxim提供了DS8007评估套件（EV kit），可以直接从Maxim购买。同时，工程师可以访问https://support.maximic.com/micro获取技术支持。

六、总结

DS8007多功能双智能卡接口是一款功能强大、性能可靠的设备，它为智能卡应用提供了全面的解决方案。通过深入了解其特性、电气参数、引脚功能、控制寄存器和工作模式等方面，工程师可以更好地利用DS8007进行设计，满足不同应用场景的需求。在实际设计过程中，还需要根据具体需求进行合理的电路设计和参数配置，以确保设备的稳定运行。你在使用DS8007或其他智能卡接口时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。