Emulador de tarjetas PROM.

Introducción

En la actualidad, está muy extendido el uso de las llamadas tarjetas chip. Esta denominación incluye varios tipos de tarjetas cuyas únicas características comunes son el tamaño (tipo tarjeta de crédito) y la inclusión de un chip en lugar de una banda magnética como medio para almacenar datos. Por lo demás, las tarjetas chip pueden estar destinadas a usos muy diversos, y los chips que utilizan pueden ir desde una simple PROM hasta sistemas basados en microcontroladores capaces de codificar y almacenar datos con altos niveles de seguridad.

En este estudio se tratan de forma específica las tarjetas PROM a nivel teórico y práctico, y la manera de construir un circuito simple que sea capaz de emular el funcionamiento de una tarjeta original. Si bien se podría haber conseguido esto con un solo microcontrolador programable, he optado por un diseño algo mayor, pero más fácil de construir, ya que no requiere de un programador o un grabador de EPROMs, ni de ajuste alguno para su construcción y puesta en funcionamiento.

Tarjetas PROM

Las tarjetas PROM más habituales contienen en su interior una PROM de 256 bits, organizados en 256 direcciones de 1 bit. El direccionamiento de dicha PROM lo realiza un circuito contador de 8 bits, de forma que cuando el contador está en la dirección n, podemos leer o escribir en dicha posición n. Para avanzar a la siguiente dirección, sólo hay que darle un impulso a la entrada de reloj del contador, y entonces, éste apuntará a la siguiente dirección, n + 1.

Existe además una entrada de reset que pone a cero el contador. Además, el contador de direcciones es cíclico, de forma que si está en la posición 20 y queremos acceder a la 18, podemos hacer un reset y dar 18 pulsos de reloj, o bien no utilizar el reset y dar 254 pulsos de reloj.

En la figura 1 aparece la numeración de las patillas de un chip de tarjeta PROM estándar, y en la tabla 1 el significado de cada patilla o contacto.

En la figura 2 se puede ver la cronología de las señales para un ciclo de reset, de lectura o de escritura.

Durante un reset, V_pp debe estar a +5V, el estado de D_in es indiferente, y RST debe estar a cero. En estas condiciones, durante el flanco de bajada de CLK, se pone a cero el contador de direcciones interno. Para el resto de operaciones, la patilla RST debe estar a nivel alto.

En estas condiciones, una vez hecho un reset, tendremos en D_out el dato almacenado en la dirección 0 de la PROM. Si ahora damos un pulso de reloj, cuando CLK vuelve a estado bajo, tendremos en D_out el dato de la dirección 1 de la PROM, y así sucesivamente, hasta llegar a 255, en que volvería a la dirección 0.

Si durante un pulso de reloj V_pp está puesto a +21V, el estado de D_in quedará almacenado en la dirección de la PROM que indicara el contador interno. A este respecto, es conveniente aclarar un par de cosas: una PROM en blanco, o virgen, tiene almacenadas en todas sus direcciones ceros. Podemos convertir uno de esos datos en un 1, pero jamás podremos poner un cero donde había un 1. Por tanto, si durante un ciclo de escritura en D_in hay un cero, el contenido de la PROM no variará. Por otro lado, la PROM de las tarjetas comerciales, tiene una zona "reservada", en la que no se puede escribir. Esta zona ocupa las 96 primeras direcciones de la PROM, y ha sido escrita en fábrica y protegida fundiendo un fusible interno. En esta zona reservada, están almacenados datos acerca del fabricante, el tipo de tarjeta, la empresa para la que ha sido fabricada, valor de la tarjeta y nº de serie. El resto de direcciones suelen contener ceros, aunque en algunas tarjetas, algunas direcciones, normalmente de la 96 a la 105, o bien de la 246 a la 255, han sido puestos a 1 durante el control de calidad en fábrica.

Cuando una tarjeta es introducida en un lector, éste lee la zona reservada y comprueba si la tarjeta es de esa empresa y de qué valor es. Si la tarjeta es válida, va leyendo el resto de la tarjeta para averiguar hasta donde ha sido escrita y calcula cuánto le queda por gastar. Conforme se van gastando pasos, el lector va poniendo a 1 direcciones de la PROM y leyéndolas para verificar que han sido bien escritas, hasta llegar a una dirección determinada en que calcula que la tarjeta está completamente agotada.

Emulador

Lógicamente, para emular una tarjeta PROM tendremos que realizar un circuito capaz de responder como una tarjeta real, pero si queremos que sea reutilizable, deberá ser posible borrarla, es decir, hacer que siempre que la introduzcamos en un dispositivo de lectura, se comporte como una tarjeta nueva.

Por tanto, nuestro emulador deberá responder a la lectura de los primeros 96 bits como lo haría una tarjeta real, y deberá permitir que se escriba y se lea en el resto, almacenando los valores escritos hasta que nosotros queramos, o, al menos, durante el rato que dure su utilización.

Nuestro emulador ha sido diseñado de acuerdo con esta idea, es decir, con las siguientes especificaciones: debe responder en las primeras 96 direcciones (0 - 95) como una tarjeta estándar, y en el resto (96 - 255), debe responder con 0 mientras no se escriba otra cosa (como si fuera una tarjeta recién comprada), y cuando se escriba un 1 en una dirección, ese dato debe poder ser leído en sucesivas operaciones de lectura. Además, debe responder ante un ciclo de RESET como lo haría una tarjeta real, es decir, inicializando el contador de direcciones a 0, pero sin que se borre el contenido de dichas direcciones de memoria.

Como primera aproximación, nuestro emulador consta de los siguientes bloques:

- Un circuito contador; se encargará de ir contando como lo haría el contador interno de una tarjeta comercial, para que nuestro circuito "sepa" cuál es la dirección en la que el dispositivo lector va a escribir o leer, y cuándo está en la zona reservada y cuándo no. El chip encargado de esta función es un 4040.

- Una ROM de 96 bits, conteniendo una copia exacta de los primeros 96 bits de la tarjeta que se quiere emular. La ROM más barata y que mejor se ajusta a estas características es el propio chip de una tarjeta comercial (puede ser usada, puesto que el contenido de esta zona reservada no varía de una tarjeta nueva a una gastada).

- Una memoria RAM estática de, al menos, 160 bits; se encargará de almacenar los datos que vaya escribiendo el lector, como si fuera una PROM, pero con la diferencia de que puede ser borrada. Para esta función se ha elegido un chip de tipo 4537, una RAM en tecnología CMOS de 256 bits.

- Un decodificador de direcciones que asegure que en las primeras 96 direcciones funcione nuestra ROM y en el resto nuestra RAM. En nuestro circuito, esta función la realizan un par de puertas.

Como se podrá observar, aparte de la tarjeta usada, el resto de componentes no cuesta más de 500 pesetas.

Diseño práctico

En la figura 3 se puede ver el esquema del emulador. Para explicar su funcionamiento, veremos qué componentes intervienen en cada una de los tres tipos de operaciones que debe realizar, reset, lectura y escritura, así como el funcionamiento en el momento de la desconexión de la fuente de alimentación externa (proporcionada por el propio dispositivo lector).

Durante un ciclo de reset, IC1 pone su contador interno a 0, puesto que sus patillas 5 y 6 están directamente conectadas a las patillas 5 y 6 de CON1. El reseteo de IC5 es algo más complejo. El conjunto formado por R1, R2 e IC2C, se encarga de que en la salida de IC2C haya un 1 siempre que la tensión de programación (+21 V) esté desactivada en la patilla 2 de CON1. En estas condiciones, si en la patilla 6 de CON1 aparece un 1, en la salida de IC3A habrá también un 1. El conjunto formado por D4, D5 y R4, actúa como una puerta AND, y el conjunto de T1 y R5 como un inversor. En estas condiciones, al pasar a nivel bajo la patilla 5 de CON1, en el cátodo de D4 aparece un 1 y , por tanto, en el ánodo de D4 y D5 aparece un 1, lo cual hará que IC5 se resetee. El conjunto de R6 y C2 tiene por objeto retrasar el pulso de RESET un poco respecto al de CLOCK, para evitar que una vez reseteado IC5, durante la caída de la señal de reloj, cuente un paso.

En los ciclos de lectura, IC3D y la puerta OR formada por D2, D3 y R3, actúan como decodificador de direcciones, de forma que en el cátodo de D2 y D3 aparece un 1 cuando el valor del contador IC5 es mayor que 95, y un 0 si el valor del contador está en el rango de 0 a 95. El conjunto formado por IC2A, IC2B, IC3B, IC3C e IC2D actúa como un puerto de dos entradas y una salida, de forma que en las direcciones de 0 a 95 los datos se lean de IC1 y en las direcciones de 96 a 255 se lean de IC4.

Durante un ciclo de escritura, siempre se escribe en la RAM (IC4), y el conjunto formado por R1, R2 e IC2C se encarga de generar la señal de Write Enable para IC4 a partir de la tensión de programación (V_pp).

Cuando se desconecta la tensión de alimentación del circuito (al extraer el emulador del lector de tarjetas), el conjunto formado por D1 y C1 actúan como una pequeña alimentación de emergencia. El motivo de incluir este dispositivo es evitar que en un pequeño corte de la alimentación se pierdan los datos almacenados en IC4. Con los valores descritos, los datos persistirán en la RAM durante unos segundos (depende del modelo usado para IC4), al cabo de los cuales se borrarán, quedando el emulador en condiciones de volver a usarse. En caso necesario, se puede incluir un pulsador que cortocircuite C1 a través de una resistencia de 100 ohmios, para provocar un borrado manual.

Construcción

Para la construcción del emulador se ha diseñado el circuito impreso de la figura 4. Como puede observarse, alberga todos los componentes, incluido el chip de una tarjeta usada. Debido al pequeño grosor de las tarjetas comerciales (0.8mm ±0.1mm), será necesario utilizar placa de circuito impreso flexible de una sola cara, en la que se efectuará el trazado de las pistas por el método que se prefiera, pero respetando especialmente la forma en la zona que actuará como conector del emulador. Antes de insertar y soldar los componentes, es importante dar la forma adecuada a sus patillas para evitar que deformen la placa. Se utilizará un soldador de poca potencia (menos de 25W) con toma de tierra, para evitar daños a los circuitos integrados. Si no se dispone de soldador con toma de tierra, es recomendable utilizar zócalos para dichos circuitos integrados.

En la figura 5 está la lista de componentes empleados. Empezaremos por soldar los ocho puentes, para los que se utilizará cable de pequeña sección con funda aislante (es muy importante colocar los puentes antes que el resto de componentes, ya que algunos quedarán debajo de IC3 e IC4). A continuación soldaremos las resistencias y los condensadores, teniendo en cuenta que C1 tiene polaridad. Después los diodos, prestando atención a la posición de la marca; D2 debe soldarse de forma que permita posteriormente insertar el circuito integrado IC3. A continuación se soldará el transistor T1. El siguiente componente es el chip de una tarjeta usada, pero antes de soldarlo a la placa debemos prepararlo. Recortaremos de una tarjeta usada, sólo el cuadrado que incluye el chip y los ocho contactos, ya que el resto de la tarjeta es sólo plástico. Colocándolo sobre una superficie metálica que facilite la disipación de calor, soldaremos lo más rápido posible (para evitar que se caliente en exceso), un hilito de cobre a cada patilla, lo más cerca posible del borde del cuadrado. Pegaremos con pegamento el chip en su sitio (por la cara de plástico, es decir, con los contactos hacia arriba), y soldaremos los hilos a la placa de circuito impreso. Por último, soldaremos los circuitos integrados, dejando para el final IC4, por ser el más sensible (nótese que IC4 va en distinta postura que el resto de los circuitos integrados).

Una vez terminado, es muy importante proteger el circuito para que la cara de cobre no haga contacto con el chasis del lector de tarjetas. Para ello, pegaremos una lámina de plástico adhesivo (lo venden en papelerías) por la parte de las pistas de cobre, con cuidado de que no haga burbujas, y quede perfectamente liso, al menos en la parte que se introducirá en el lector. Una vez pegado, cortaremos y retiraremos el cuadrado correspondiente a la zona que hará de conector (esta operación se debe hacer con cuidado para no dañar las pistas de cobre o la propia placa de circuito impreso). En el prototipo, añadí además una lámina de plástico (la recorté de un separador de un bloc) pegada sobre la cara de componentes, para aproximar el grosor del emulador al de una tarjeta real (unos 0.8mm), y, al mismo tiempo, darle más rigidez.

Notas finales

En el diseño no se ha previsto un circuito de puesta a cero de la memoria RAM, debido a que en las pruebas, con una RAM de tipo MCM14537AL, todas las direcciones se ponían a 0 espontáneamente al alimentarla. Sin embargo, no hay garantía de que otros modelos se comporten igual, por lo que, dentro de lo posible, es recomendable utilizar ese modelo en concreto.

Por último, hay que hacer hincapié en que el circuito sólo debe utilizarse con fines experimentales, y en ningún caso con fines lucrativos ni comerciales. El utilizarlo en equipos de pago automático puede ser constitutivo de delito.