PDF de programación - Sistema lector de Tarjetas-Chip con acceso USB

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE MADRID

ESCUELA POLITECNICA SUPERIOR





PROYECTO FIN DE CARRERA

Sistema lector de Tarjetas-Chip con acceso USB

José Rubén Ibáñez Sánchez

Enero 2013























Sistema lector de Tarjetas-Chip con acceso USB

AUTOR: José Rubén Ibáñez Sánchez

TUTOR: Guillermo González de Rivera Peces



















Human Computer Technology Laboratory



Dpto. de Tecnología Electrónica y de las Comunicaciones

Escuela Politécnica Superior

Universidad Autónoma de Madrid

Enero de 2013























































































Resumen


En el proyecto que se presenta a continuación se ha llevado a cabo el
diseño y construcción de un lector de tarjetas-chip con acceso USB. Su diseño
busca aunar un reducido tamaño, bajo consumo, sencillez e independencia
entre los componentes que lo forman, es decir, modularidad.


Siguiendo esta pauta, el lector esta formado por un microcontrolador
como sistema central que comunica por un lado con un chip especializado en la
lectura de tarjetas y, por el otro, se comunica con el sistema gestor (PC,
sistema embebido, etc) al que se encuentra conectado por medio de una
conexión USB.


Para el intercambio de datos entre los dos chips principales, el
microcontrolador y el lector de tarjetas, se utiliza un bus I2C por el que se
envían tramas de comandos y datos formateadas según el protocolo ALPAR y,
dentro de este, según el protocolo APDU.


Además de la fabricación del prototipo se ha desarrollado un software
para la programación del microcontrolador que actúa como sistema central del
dispositivo. El cometido de este software es configurar el sistema y mantener el
dispositivo listo y a la espera de que se inserte una tarjeta para proceder a su
lectura. Una vez terminada la lectura los datos recogidos son enviados por USB
al PC y la tarjeta es desactivada para así poder ser extraída de forma segura.


Este es el primer proyecto en el que se utiliza una nueva herramienta de
diseño electrónico, utilizada para la captura de esquemáticos y la generación
de ficheros para la fabricación de circuitos impresos adquirida en el laboratorio,
Altium Designer.

Palabras Clave

Lector de tarjetas, tarjeta-chip, tarjeta inteligente, I2C, USB, ALPAR, APDU,
modularidad.





































Abstract


The project presented below shows the design and construction of a
chip-card reader with USB access. This design seeks to join a small size, low
power, simplicity and independence between the components that constitute it,
namely, modularity.


Following this guideline, the designed reader consists of a microcontroller
as central system which communicates on one side with a specialized chip card
reading and, on the other side, with the PC connected via the USB connection.


An I2C bus is used to exchange data between the two main chips,
microcontroller and card reader. Swapped command and data frames are
encapsulated according firstly to the APDU protocol, and then by the ALPAR
protocol.


In addition

to

the manufacture of prototype, software developed
programs the central system of the device: the microcontroller. The main
purpose of this software is to configure the system and keep the device ready
and waiting to insert a card to proceed with its reading. Once finished the
reading, the collected data is sent via USB to the PC and the card is
deactivated in order to be remove safely.


This is the first project using a new electronic design tool, used to
schematic capture and file generation for printed circuit manufacture acquired in
laboratory, Altium Designer.



Key words

Card reader, chip-card, smart card, I2C, USB, ALPAR, APDU, modularity.

















































Agradecimientos



En primer lugar quiero dar las gracias a mi tutor, Guillermo González de
Rivera Peces, por darme la oportunidad de realizar este proyecto y por
compartir conmigo su tiempo y conocimientos.


También quiero dar las gracias a todos los miembros del grupo HCTLab,
en especial a Alberto Sánchez González, por prestarme su ayuda siempre que
la he necesitado.


Gracias a todos los compañeros con los que he compartido estos años,
gracias a Chema, Pablo, Rober y Javi por las risas, los ánimos y el apoyo en
los momentos de apuro. Y, en especial, gracias a Oscar, por todo lo que me
has enseñado y que nunca olvidaré, y a Santi, a quien conocí al principio de
esta aventura y ahora es uno de mis mejores amigos.


Dejo para el final de estos agradecimientos lo más importante que hay

en mi vida, mi familia y mi novia sin los que jamás habría llegado hasta aquí.


Gracias a mis padres, por todo el cariño que me habéis dado, por el
apoyo en los malos momentos y la alegría e ilusión compartida en los buenos.
Gracias por la educación y valores que me habéis enseñado y que me han
convertido en la persona que soy hoy. Gracias a mi hermana Sandra, por estar
siempre a mi lado cuando la necesito y por los buenos ratos que pasamos
juntos, os quiero.


Y, en especial, gracias a mi Yadi, por estar siempre a mi lado, por darme

todo tu apoyo, ayuda y cariño, por compartir tu vida conmigo. Te quiero.








J. Rubén Ibáñez Sánchez
Enero 2013











































ÍNDICE DE CONTENIDOS



2.3

2.3.1

2.2.1
2.2.2

1 Introducción................................................................................................... 1
1.1 Motivación............................................................................................ 1
1.2 Objetivos .............................................................................................. 2
1.3 Organización de la memoria ................................................................ 4
2 Estado del arte .......................................................................................... 5
2.1 Historia................................................................................................. 5
Tarjetas inteligentes............................................................................. 6
2.2
Clasificación de las tarjetas inteligentes. ...................................... 7
Estructura de la tarjeta microprocesada. ...................................... 9
Lectores de tarjetas inteligentes. ....................................................... 11
Lectores de tarjetas comerciales. ............................................... 12
2.4 Normativa: ISO/IEC 7816................................................................... 17
3 Diseño del prototipo ............................................................................... 21
3.1
Introducción ....................................................................................... 21
3.2 Búsqueda de componentes. .............................................................. 22
3.3 Selección de componentes ................................................................ 24
3.3.1 Microcontrolador: ........................................................................ 25
3.3.2
Chip lector de tarjetas: ................................................................ 27
3.4 Protocolos de comunicación .............................................................. 29
Bus I2C........................................................................................ 29
Protocolo del bus I2C: .......................................................... 30
Hardware del bus I2C:.......................................................... 34
Protocolo ALPAR ........................................................................ 38
Protocolo APDU.......................................................................... 40
3.5 Solución propuesta ............................................................................ 42
4 Desarrollo del prototipo.......................................................................... 43
4.1
Introducción ....................................................................................... 43
4.2 Esquemático ...................................................................................... 44
4.3 Rutado PCB ....................................................................................... 51
4.4 Construcción PCB.............................................................................. 58
4.6 Software lector de tarjetas ................................................................. 70
4.7 Software PC....................................................................................... 77

3.4.1.1
3.4.1.2

3.4.1

3.4.2
3.4.3




5 Conclusiones y trabajos futuros ........................................................... 79
5.1 Conclusiones ..................................................................................... 79
5.2
Trabajos futuros ................................................................................. 80
Bibliografía......................................................................................................... I
Glosario...........................................................................................................VII
Anexos .............................................................................................................IX
Esquemático y Layout del PCB.....................