基于ISO/IEC7816-3串行通信协议在FPGA平台上的实现

在电子技术领域，特别是嵌入式系统和通信系统中，使用FPGA（现场可编程门阵列）技术来实现特定的通信协议已经成为一种重要的技术手段。FPGA提供了高度的可编程性，允许设计者根据需要定制硬件逻辑，以实现高效的并行处理和灵活的通信接口。本文讨论的是如何在FPGA平台上实现基于ISO/IEC 7816-3串行通信协议的数据通信，以及其在导航定位系统中的应用。 ISO/IEC 7816-3是一个针对IC卡的串行通信协议，规定了IC卡（如SIM卡）的电气特性和数据传输协议。协议中，IC卡和接口设备（如读卡器或DSP设备）通过I/O端口进行串行数据交换，其中包括供电、复位信号和时钟信号。I/O端口在发送状态和接收状态之间切换，允许两种状态下的数据传输。IC卡根据协议可分为接触式和非接触式两种，其中接触式IC卡主要采用T=0和T=1通信协议。T=0是异步半双工字符传输协议，而T=1是异步半双工块传输协议。ISO/IEC 7816-3定义了基本时间单位ETU（Elementary Time Unit），以及复位应答期间的信息宽度为初始ETU，后续信息宽度为当前ETU，这取决于时钟频率和比特率调整因素。 在导航定位系统中，随着对数据安全要求的提升，数据加密变得越来越重要。SIM卡在导航数据解密运算中扮演了重要角色，因此，需要一个转换设备将DSP芯片中的并行数据转换为符合ISO/IEC 7816-3协议的串行数据，并能将SIM卡返回的串行数据转换回并行格式供DSP处理。FPGA由于其出色的性能资源，被选作实现DSP与SIM卡间数据通信的理想方案。 FPGA设计中包含了DSP与FPGA数据通信接口设计、地址译码、FIFO（先进先出）缓存、并/串转换、串/并转换和SIM卡输入输出控制等模块。FIFO缓存用于临时存储DSP输入数据和串/并转换后的数据。并/串转换模块将DSP输入的并行数据转换为符合串行协议的串行数据，而串/并转换模块则将SIM卡返回的串行数据转换为DSP可以接收的并行数据。在FPGA实现中，利用锁相环IP核生成系统所需的62MHz时钟，同时生成SIM卡所需的5MHz时钟和串行数据所需的5MHz时钟的32分频。FPGA中的FIFO模块仿真结果表明，该缓存方式能够有效地进行数据的存储和读取。 在实际设计中，使用TI公司的DSP芯片和Altera公司的FPGA芯片（EP2S15F672C5）来实现所有设计。利用FPGA的锁相环IP核生成系统所需的时钟信号，利用分频模块生成SIM卡所需的5MHz时钟。采用软复位方法通过DSP向FPGA中写入特定值来生成复位脉冲，这种方法操作简单，出错概率低。并/串和串/并转换模块是FPGA设计中的关键部分，它们分别负责转换方向上的数据格式，确保DSP和SIM卡之间能正确无误地传输数据。 本方案通过FPGA实现的ISO/IEC 7816-3串行通信协议，不仅能有效解决DSP与SIM卡之间的通信问题，而且还大大减少了通信时间，提高了整体系统的性能。由于FPGA的可重构性和优化能力，该方案在导航定位系统中有着广泛的应用潜力。