手持设备、智能卡接口设备及数据传输方法

1.一种可安装到手持设备扩展槽的智能卡接口设备，其特征在于 包括：        
主机接口单元，用于与手持设备扩展槽中的I/O端口连接，从/向 所述I/O端口接收/发送串行通信数据信号和时钟信号；  
第一智能卡连接器，位于所述智能卡接口设备的外表面，用于与第 一类智能卡电连接；    
第一智能卡接口单元，用于检测所述第一智能卡连接器上是否连接 了第一类智能卡并且驱动所连接的第一类智能卡；
协议实现单元，用于控制所述智能卡接口设备的各个部件，实现所 述智能卡接口设备与所述手持设备之间的通信协议以及所述智能卡接 口设备与所述第一类智能卡之间的通信协议。
2.根据权利要求1的智能卡接口设备，其特征在于所述协议实现 单元包括：
一个微处理器；
一个只读存储器，其中存储由所述微处理器执行的程序，所述程序 用于控制所述智能卡接口设备的各个部件，实现所述智能卡接口设备与 所述手持设备之间的通信协议以及所述智能卡接口设备与所述第一类 智能卡之间的通信协议；
一个随机存取存储器，用作数据缓冲器和所述程序的运行环境。
3.根据权利要求1的智能卡接口设备，其特征在于还包括：
一个电压变换单元，用于与手持设备扩展槽中的电源针连接，从所 述电源针取得电源，并将电源电压转换为智能卡的工作电压。
4.根据权利要求3的智能卡接口设备，其特征在于还包括：
一个电源控制单元，用于与手持设备扩展槽中的I/O端口连接，响 应于来自所述I/O端口的信号的高与低控制所述电压变换单元的输出 电压。
5.根据权利要求1至4中任一项的智能卡接口设备，其特征在于 还包括：
第二智能卡连接器接线器，位于所述智能卡接口设备的外表面，用 于与位于所述智能卡接口设备外部的第二智能卡连接器连接，所述第 二智能卡连接器用于与第二类智能卡电连接；
第二智能卡接口单元，用于检测所述第二智能卡连接器接线器上是 否通过第二智能卡连接器连接了第二类智能卡并且驱动所连接的第二 类智能卡；
所述协议实现单元还用于实现所述智能卡接口设备与所述第二类 智能卡之间的通信协议。
6.一种手持设备，具有一个扩展槽，所述扩展槽含有I/O端口， 所述手持设备的特征在于包括：
用于驱动所述I/O端口的装置；
用于向/从所述I/O端口发送/接收串行通信数据信号和时钟信号 的装置；
与所述扩展槽连接的智能卡接口设备，包括：
主机接口单元，与所述I/O端口连接，从/向所述I/O端口接收/ 发送串行通信数据信号和时钟信号；    
第一智能卡连接器，位于所述智能卡接口设备的外表面，用于与第 一类智能卡电连接；    
第一智能卡接口单元，用于检测所述第一智能卡连接器上是否连接 了第一类智能卡并且驱动所连接的第一类智能卡；
协议实现单元，控制所述智能卡接口设备的各个部件，实现所述智 能卡接口设备与所述手持设备之间的通信协议以及所述智能卡接口设 备与所述第一类智能卡之间的通信协议。
7.根据权利要求6的手持设备，其特征在于所述协议实现单元包 括：
一个微处理器；
一个只读存储器，其中存储由所述微处理器执行的程序，所述程序 用于控制所述智能卡接口设备的各个部件，实现所述智能卡接口设备与 所述手持设备之间的通信协议以及所述智能卡接口设备与所述第一类 智能卡之间的通信协议；
一个随机存取存储器，用作数据缓冲器和所述程序的运行环境。
8.根据权利要求6的手持设备，其特征在于：
所述扩展槽含有电源针；并且
所述智能卡接口设备还包括：
一个电压变换单元，与所述电源针连接，从所述电源针取得电源， 并将电源电压转换为智能卡的工作电压。  
9.根据权利要求8的手持设备，其特征在于所述智能卡接口设备 还包括：
一个电源控制单元，与所述I/O端口连接，响应于来自所述I/O 端口的信号的高与低控制所述电压变换单元的输出电压。
10.根据权利要求6至9中任一项的手持设备，其特征在于所述智 能卡接口设备还包括：
第二智能卡连接器接线器，位于所述智能卡接口设备的外表面，用 于与位于所述智能卡接口设备外部的第二智能卡连接器连接，所述第 二智能卡连接器用于与第二类智能卡电连接；
第二智能卡接口单元，用于检测所述第二智能卡连接器接线器上是 否通过第二智能卡连接器连接了第二类智能卡并且驱动所连接的第二 类智能卡；    
所述协议实现单元还用于实现所述智能卡接口设备与所述第二类 智能卡之间的通信协议。    
11.一种利用手持设备的扩展槽从手持设备传送数据的方法，其特 征在于包括以下步骤：
在手持设备中产生串行通信数据信号和时钟信号；
驱动所述手持设备扩展槽中的I/O端口；
将所述数据信号和时钟信号按照预定协议传送到所述I/O端口。
12.一种利用手持设备的扩展槽从手持设备接收数据的方法，其特 征在于包括以下步骤：
从所述手持设备扩展槽中的I/O端口接收串行通信数据信号和时 钟信号；
按照预定协议将所述数据信号和时钟信号转换为数据。

技术领域
本发明涉及手持设备、用于手持设备的智能卡接口设备以及与手持 设备进行数据传输的方法。本发明更具体地涉及智能卡启动的手持设备、 可安装于手持设备扩展槽的智能卡接口设备以及利用手持设备扩展槽与 手持设备进行数据传输的方法。
背景技术
目前手持设备多种多样，3COM公司的PalmPilot和IBM公司的 WorkPad是其中的两种。手持设备的大量涌现，使得将信息产业扩展到 成千上百万移动用户的梦想成为可能。然而，较低的CPU性能和较少 的存储容量极大地限制了手持设备在电子商务中的应用。因为手持设 备有限的资源不能解决安全问题。另外，当电池耗尽或意外情况(如 丢失)时，驻留在手持设备存储器中的数据是易失的。因此，在手持 设备中保存永久的重要数据是不安全的。但是，某些重要数据(例如 加密算法的密钥)在大多数手持设备的安全系统中是必需的。
手持设备有限的资源使其不能提供复杂的功能，不能提供安全的数 据存储能力。但是这些可由智能卡提供。智能卡已得到广泛的应用。 普通的智能卡是信用卡大小的，还有一种更小尺寸的智能卡，即SIM 卡。智能卡一般用于存储重要数据(例如加密密钥、个人识别代码等)， 或者通过运行一些复杂的程序提供特定的功能。例如，安全智能卡可 以提供加密算法，Java卡可以运行Java小应用程序等。
如果将智能卡与手持设备结合起来，必将极大提高手持设备的性 能，扩大手持设备的应用领域。本发明的目的在于解决将手持设备与 智能卡结合的问题。
发明内容
因此，本发明的第一个目的是提供一种可安装于手持设备扩展槽的 智能卡接口设备。
本发明的第二个目的是提供一种智能卡启动的手持设备。
本发明的第三个目的是提供一种利用手持设备扩展槽从手持设备 传送数据的方法。
本发明的第四个目的是提供一种利用手持设备扩展槽从手持设备 接收数据的方法。
本发明的第五个目的是提供一种在手持设备中控制智能卡接口设 备电源的方法。
为实现第一个目的，本发明提供一种可安装到手持设备扩展槽的智 能卡接口设备，包括：    
主机接口单元，用于与手持设备扩展槽中的I/O端口连接，从/向 I/O端口接收/发送串行通信数据信号和时钟信号；
第一智能卡连接器，位于智能卡接口设备的外表面，用于与第一类 智能卡电连接；
第一智能卡接口单元，用于检测第一智能卡连接器上是否连接了第 一类智能卡并且驱动所连接的第一类智能卡；
协议实现单元，用于控制智能卡接口设备的各个部件，实现智能卡 接口设备与手持设备之间的通信协议以及智能卡接口设备与第一类智 能卡之间的通信协议。
为实现第二个目的，本发明提供一种手持设备，具有一个扩展槽， 扩展槽含有I/O端口，该手持设备包括：
用于驱动I/O端口的装置；
用于向/从I/O端口发送/接收串行通信数据信号和时钟信号的装 置；
与扩展槽连接的智能卡接口设备，包括：
主机接口单元，与I/O端口连接，从/向I/O端口接收/发送串行通 信数据信号和时钟信号；
第一智能卡连接器，位于智能卡接口设备的外表面，用于与第一类 智能卡电连接；
第一智能卡接口单元，用于检测第一智能卡连接器上是否连接了第 一类智能卡并且驱动所连接的第一类智能卡；
协议实现单元，控制智能卡接口设备的各个部件，实现智能卡接口 设备与手持设备之间的通信协议以及智能卡接口设备与第一类智能卡 之间的通信协议。
为实现第三个目的，本发明提供一种利用手持设备的扩展槽从手持 设备传送数据的方法，包括以下步骤：
在手持设备中产生串行通信数据信号和时钟信号；
驱动手持设备扩展槽中的I/O端口；
将数据信号和时钟信号按照预定协议传送到I/O端口。
为实现第四个目的，本发明提供一种利用手持设备的扩展槽从手持 设备接收数据的方法，包括以下步骤：
从手持设备扩展槽中的I/O端口接收串行通信数据信号和时钟信 号；
按照预定协议将数据信号和时钟信号转换为数据。
为实现第五个目的，本发明提供一种在手持设备中控制智能卡接口 设备电源的方法，包括以下步骤：
在访问智能卡之前，对智能卡接口设备上电；
在访问智能卡之后，对智能卡接口设备下电。
根据本发明，通过在安装于手持设备扩展槽的智能卡接口设备中嵌 入不同的智能卡，即可使手持设备具有智能卡所提供的不同功能，从 而极大地扩展了手持设备的应用领域。
附图说明
通过结合附图对本发明较佳实施方式的详细描述，本发明的上述特 征和优点将会更加明显。其中
图1是根据本发明的智能卡启动的手持设备的基本逻辑结构；
图2是在手持设备与智能卡之间的数据流图；
图3是根据本发明的智能卡接口设备的硬件结构图；
图4是智能卡数据传输协议层软件流程图；
图5是智能卡接口设备数据链路协议层软件流程图；
图6是应用协议层的基本结构。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的最佳实施方式。
本发明的基本构思是设计一种智能卡接口设备，该智能卡接口设备 可以用来连接第一类智能卡和/或第二类智能卡。第一类智能卡指SIM 卡，第二类智能卡指任何其他尺寸(一般为信用卡大小)的智能卡。 可以将这种智能卡接口设备插到手持设备的扩展槽中，以便建立与手 持设备的电连接。另外，在手持设备和智能卡接口设备中需要设计相 应的软件，以便支持手持设备与智能卡之间的数据传输。本发明中， 将这种安装有智能卡接口设备并配备有相关软件的手持设备称为智能 卡启动的手持设备。
图1示出的根据本发明的智能卡启动的手持设备的基本逻辑结构 是一种分层的结构，其中包括：
硬件物理层，对手持设备与智能卡接口设备之间的硬件通道进行管 理，以及对智能卡接口设备与智能卡之间的硬件通道进行管理；
智能卡传输协议层，提供可靠的智能卡接口设备-智能卡数据传输 通道；
接口设备数据链路协议层，提供可靠的手持设备-智能卡接口设备 数据传输通道；
手持设备应用协议层，用于为开发人员提供通用编程接口，以便为 手持设备开发更高级的应用程序或更高级的协议，开发运行在手持设 备应用协议层之上的应用程序或更高级的协议，从而这些应用程序或 协议能够利用智能卡支持典型的应用任务，例如保护手持设备自身及/ 或防止在手持设备与远程服务器之间传送的数据免受恶意攻击。
图2是在手持设备与智能卡之间的数据流图。如图2所示，数据在 三个部件(即手持设备、智能卡接口设备和智能卡)之间流动。在每 一个部件中，下层提供对上层的支持，最下层的硬件层是每一部件的 基础。在手持设备与智能卡接口设备之间的数据传输，涉及数据链路 协议层和硬件层。在智能卡接口设备与智能卡之间的数据传输，涉及 智能卡传输协议层和硬件层。
下面详细描述硬件物理层。硬件物理层提供手持设备与智能卡之间 的硬件接口，本发明中将其实现为一种智能卡接口设备，用于在手持 设备与智能卡之间传送电信号。
目前大多数手持设备具有一个扩展槽，以支持第三方的硬件。根据 本发明的智能卡接口设备是一块可安装到手持设备扩展槽上的插入式 扩展卡。图3示出智能卡接口设备的硬件结构图。
如图3所示，手持设备1具有一个扩展槽2。扩展槽2中含有数据 针3、地址针4、电源针5、I/O针(输入/输出针)6。智能卡接口 设备7具有一个电压变换单元8、电源控制单元9、主机接口单元10、 协议实现单元11、第一智能卡接口单元12、第二智能卡接口单元13、 第一智能卡连接器14以及第二智能卡连接器接线器。在智能卡接口设 备7外部，可以将一个第二智能卡连接器16连接到第二智能卡连接器 接线器15上。
电压变换单元8与扩展槽2中的电源针5连接，从手持设备1取得 电源(Vcc/Gnd)并向智能卡接口设备7的各个部件供电。大多数手 持设备采用3.3伏电压，而标准智能卡的工作电压是5伏。所以电压 变换单元8将取自电源针5的电源电压变换为适于智能卡工作的电压 (例如，5伏)。
电源控制单元9是为了节能的目的设置的，用于有选择地将电压变 换单元8输出的电压提供给智能卡接口设备的其他部件进而提供给所 连接的智能卡，或者不供电。电源控制单元9的工作方式可以类似一 个触发器，由来自I/O针6的信号控制。例如，当来自I/O针6的信 号为高电平时，电源控制单元9供电；而当来自I/O针6的信号为低 电平时，电源控制单元9不供电。
这里给出的电源控制单元9的工作方式只是一种举例。为了实现节 能的目的，电压变换单元8和电源控制单元9可以采用任何可能的工 作方式。
主机接口单元10用于在协议实现单元11(实际上是协议实现单元 11中的微处理器)与手持设备之间提供一个可靠的物理通道，满足数 据通信双方的要求。由于受到硬件资源的限制，大多数手持设备的外 围接口信号是相对简单的。这对设计这些手持设备的嵌入式设备造成 了极大的困难。本发明中采用了一种非常简单灵活的手持设备扩展方 法。该方法中，利用软件模拟I2C总线的电信号，采用两个并行端口 线来实现标准12C串行数据传送总线。这种总线仅用两个并行端口线 就能提供手持设备1与智能卡接口设备7之间的完全同步的数据传 送。
协议实现单元11在功能上包括三个部分：微处理器、只读存储器 和随机存取存储器。只读存储器中存储有完成以下三项主要任务的程 序：控制整个智能卡接口设备；实现智能卡接口设备与智能卡之间的 通信协议；实现手持设备与智能卡接口设备之间的通信协议。微处理 器是智能卡接口设备的控制核心，它通过执行只读存储器中存储的程 序，使得智能卡接口设备中的各个独立部件相互协调地工作，它还起 到一个桥梁的作用，将手持设备与智能卡连接起来。随机存取存储器 用作数据缓冲器并为程序提供运行环境。
第一智能卡接口单元12在协议实现单元11中的微处理器与智能卡 之间建立可靠的电通道。第一智能卡接口单元12可以进一步分为两个 单独的部分。第一部分是智能卡检测电路，用于检测在第一智能卡连 接器14中是否已经嵌入智能卡，监视智能卡电源状态，并且当产生短 路或电压不足状态时向协议实现单元11中的微处理器产生中断。第二 部分是智能卡驱动电路，用于向智能卡供电并且在智能卡与协议实现 单元11中的微处理器之间传送数据。
第一智能卡连接器14设置在智能卡接口设备的外表面上，它是一 个小尺寸的SIM卡连接器。这种结构使得能够将智能卡-即第一类智能 卡-和智能卡接口设备两者都设置到手持设备1的壳体内部，不破坏手 持设备的可移动性。
有时需要支持两个智能卡同时工作。为此，在智能卡接口设备7 的线路板面积允许的情况下，可以设置多个类似于第一智能卡接口单 元12的智能卡接口单元和多个类似于第一智能卡连接器14的智能卡 连接器，并且适当修改协议实现单元11中只读存储器中存储的程序即 可。
还有时需要使用普通尺寸的智能卡，即第二类智能卡。第二类智能 卡由于具有较大的尺寸，所以不能将其设置到手持设备1的壳体内部。 为此，如图3所示，在智能卡接口设备7上设置了第二智能卡接口单 元13和第二智能卡连接器接线器15。
第二智能卡接口单元13与第一智能卡接口单元12工作方式相同。 在此不再赘述。
有时难于将两个智能卡连接器设置在智能卡接口设备7的有限面 积中，所以在智能卡接口设备7的表面上，设置了一个第二智能卡连 接器接线器15，可以通过电缆将一个外部第二智能卡连接器16连接 到第二智能卡连接器接线器15，进而连接到第二智能卡接口单元13。 根据手持设备1的外部形状，可以将第二智能卡连接器16安放在适当 位置。
图3所示的智能卡接口设备可以达到以下性能。
1)支持非常广泛的与ISO7816规范兼容的CPU卡并且支持绝大多 数存储卡，比如SLE4432、SLE4442、AT45D041、AT24C64等。
2)既支持两个同时工作的智能卡，又支持两个单独工作的智能 卡。在智能卡接口设备的表面上设置SIM卡连接器和一个接线器。SIM 连接器用于接收SIM卡，接线器用于通过电缆与外部智能卡连接器连 接。
3)低的功耗。智能卡接口设备的电源由手持设备的电池提供，因 此手持设备对智能卡接口设备的功耗非常敏感。为了延长电池寿命， 在智能卡接口设备中设置了电源控制单元。可以通过软件控制智能卡 接口设备的上电和下电，进而控制智能卡的上电和下电。因此，只有 当手持设备希望管理智能卡时，才使智能卡接口设备消耗功率。
4)智能卡数据传输协议完全是由智能卡接口设备实现的。手持设 备通常具有较低的CPU性能。本发明的这种设计，根据使用智能卡接 口设备的微处理器实现传输协议，将极大地降低手持设备CPU的工作 负载。
5)支持多种智能卡工作频率，可以高至56Kbps。
图4是智能卡数据传输协议层软件流程图。智能卡数据传输协议层 用于实现ISO7816-3，4规范定义的传输协议，它以程序方式实现，并 且存储在图2所示的智能卡接口设备7中的协议实现单元11中的只读 存储器中。智能卡接口设备7的微处理器，通过执行这种程序，可以 读或写与ISO7816规范兼容的各种各样的智能卡。
ISO7816-3规范定义了两种不同的智能卡传输协议，即适于存储卡 的同步传输协议，和适于智能卡的异步传输协议(T＝0，T＝1)。智 能卡接口设备7同时支持这两种协议。仅作为一种举例，图4示出异 步协议的实现。    
图4中，在步骤401，从上层取得一个命令块。在步骤402，判断 所取得的命令块是否是一个复位命令。如果是复位命令，则过程进行 到步骤403；否则进行到步骤404。在步骤403，驱动接口端口根据 ISO7816-2产生复位电信号。在步骤405，等待来自智能卡的复位应答 (ATR)。如果收到应答，则进行到步骤410，否则在步骤409执行 超时处理并停用智能卡。在步骤410，向上层返回响应。
在步骤404，将收到的命令块打包为APDU格式。然后，在步骤406， 判断是否为PTS命令。如果为PTS命令，则过程进行到步骤408，否 则进行到步骤407。在步骤407，根据T＝0协议发送命令。然后进行 到步骤411。在步骤411，等待来自智能卡的响应。然后，进行到步 骤410。
在步骤408，判断是否为T＝0协议。如果为T＝0协议，则过程进行 到步骤407，否则进行到步骤412。在步骤412，根据T＝1协议发送 命令。然后进行到步骤411。
图5是智能卡接口设备数据链路协议层软件流程图。智能卡接口设 备数据链路协议层在手持设备1与智能卡接口设备7之间提供可靠的 数据传送通道，将其实现为两个单独的程序，分别运行在手持设备1 和智能卡接口设备7上。这里采用了两次握手协议，以防止所传送的 数据免于丢失。智能卡接口设备7以命令/响应方式工作。在手持设备 1向/自智能卡接口设备7发送/接收命令/响应之后，执行一个握手过 程，以保证两个部件相互知道对方的存在，保证数据链路的可靠。图5 示出了这种两次握手的过程。
如图5所示，框501、502、505、506、511、512、515和 516是在手持设备1中进行的处理；框503、504、507、510、513 的514是在智能卡接口设备7中进行的处理；而框508和509是在智 能卡中进行的处理。图中虚线所示给出了信号传送过程。下面根据虚 线所示描述这一过程。
在框501中，从上层获得命令块。    
在框502向智能卡接口设备7发送第一握手请求。    
在框503，等待来自手持设备的第一握手请求。
在框504，向手持设备发送第一握手接受响应。
在框505，等待来自智能卡接口设备的响应。
在框506，向智能卡接口设备发送命令块。
在框507，从手持设备接收命令块。
在框508，向下层发送命令。
在框509，从下层接收响应。
在框510，向手持设备发送第二握手请求。
在框511，等待来自智能卡接口设备的第二握手请求。
在框512，向智能卡接口设备发送第二握手接受响应。
在框513，向手持设备发送第二握手请求。
在框514，向手持设备发送响应数据。
在框515，从智能卡接口设备接收响应数据。
在框516，向上层发送响应数据。
图6是应用协议层的基本结构。手持设备应用协议层用于为高级应 用程序提供一种通用应用程序编程接口(API)。API具有两个主要 优点：
1)提供对智能卡共同功能的高级访问，比如加密功能。
2)与安全有关的应用程序不需要自身的加密代码；开发人员不必 了解加密功能和智能卡的细节。
将应用程序与智能卡提供的服务细节分开的一个重要好处是，应用 程序能够获得由智能卡提供的可更新的、可替换的服务，而不必修改 应用程序。另一重要好处是，与安全有关的应用程序不必实现任何加 密算法，这些算法是由智能卡提供的。
手持设备应用程序协议层包括两个子层：智能卡相关层和应用程序 相关层。
智能卡相关层定义并提供了用于直接管理单个智能卡的API。不同 类型的智能卡可能具有不同的命令集或不同的命令格式，所以可以为 不同类型的智能卡设置不同的API集。这一子层为熟练的开发人员提 供了更为灵活地管理智能卡的机会。例如，通过调用Ld_sendcmd (unsigned char cmd，unsigned char sendlen，unsigned char *sendbuf，unsigned char *retcode，unsigned char *recvlen， unsigned char *recvbuf)，开发人员可以向智能卡发送一条低级命 令，并且在智能卡完成该命令之后从智能卡获得响应。
应用程序相关层屏蔽了智能卡相关层中不同API集之间的差别以 及智能卡的细节，为开发人员提供了一种与应用程序相关的更为通用 的接口。例如，通过调用DESEncryption(unsigned char sendlen， unsigned char *sendbuf，unsigned char *recvlen，unsigned char *recvbuf)，可以对一块数据进行加密，而不必知道使用哪种类型的智 能卡。
应用程序可以单独调用智能相关层内的API或者应用程序相关层 内的API，或者同时调用它们，如图6中前头所示。
再回到图3，在手持设备1与智能卡接口设备7之间利用了两种数 据传送方法。
第一种方法是一种利用手持设备1的扩展槽2从手持设备1传送数 据的方法，它运行在手持设备1中，并且包括以下步骤：
在手持设备1中产生串行通信数据信号和时钟信号；
驱动手持设备1扩展槽2中的I/O端口(即I/O针6)；
将数据信号和时钟信号按照预定协议(例如ISO7816-3，4)传送 到I/O端口。
第二种方法是一种利用手持设备1的扩展槽2从手持设备1接收数 据的方法，它运行在智能卡接口设备7中，并且包括以下步骤：
从手持设备1扩展槽2中的I/O端口(即I/O针6)接收串行通信 数据信号和时钟信号；
按照预定协议(例如ISO7816-3，4)将数据信号和时钟信号转换 为数据。
这里传送的数据可以是图5所示流程中传送的命令/响应等。
另外，在智能卡接口设备7的操作中，尤其是在电源控制单元9 的操作中，涉及一种在手持设备中控制智能卡接口设备7电源的方法， 它包括以下步骤：
在访问智能卡之前，对智能卡接口设备7上电；
在访问智能卡之后，对智能卡接口设备7下电。
虽然以上结合附图详细描述了本发明的最佳实施方式，但是对于本 领域内熟练的技术人员而言，可以做出各种修改和变更，而不背离本 发明的范围和实质。因此，本发明的范围仅由权利要求书限定。