非接觸式IC卡的設(shè)計(jì)技巧

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：語(yǔ)馨 收編   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月26日

    系統(tǒng)特性 

    將數(shù)字化資訊從資訊源傳送至資訊傳輸目的地的無(wú)線通信系統(tǒng)，一般都可以進(jìn)行類似圖1的通信系統(tǒng)模式化分析。通信系統(tǒng)的作業(yè)模式可以分成變調(diào)方式與編碼方式，但不論哪種方式非接觸式IC卡系統(tǒng)處理的資訊主要是與金融、個(gè)人隱私有關(guān)的高敏感性數(shù)字資料，因此非接觸式IC卡通信系統(tǒng)不允許有方式任何錯(cuò)誤，要求達(dá)到完全無(wú)錯(cuò)誤(error free)水準(zhǔn)。 

    雖然非接觸式IC通信系統(tǒng)的資料傳輸距離d只有數(shù)十cm，傳輸波長(zhǎng)卻高達(dá)2.2m(13.56MHz)，因此d<λ<2π成立，這意味著非接觸式IC卡系統(tǒng)使用電磁結(jié)合領(lǐng)域，進(jìn)行數(shù)字化金融與個(gè)人隱私資料通信，然而這種方式極易因?yàn)楦鞣N因素，造成其中一方的特性例如阻抗(impedance)的變動(dòng)影響通信品質(zhì)。
　 

圖1 通信系統(tǒng)作業(yè)模式

    圖2是非接觸式IC卡片用讀寫器(RW: Read & Writer)的動(dòng)作原理，如圖所示非接觸式IC卡片本身并無(wú)電源，因此RW供應(yīng)電源給IC卡片的同時(shí)還必需進(jìn)行通信作業(yè)，RW與loop天線亦即IC卡片的天線變成電磁性結(jié)合狀態(tài)，RW利用13.56MHz的傳輸波供應(yīng)電源給IC卡。

    此時(shí)RW若傳送資料給IC卡片時(shí)，RW會(huì)傳輸變調(diào)度大約10%左右的ASK(振幅輸變)信號(hào)給IC卡片，IC卡片檢測(cè)該信號(hào)并轉(zhuǎn)換成資料；反之如果從IC卡片傳送資料給RW時(shí)，IC卡片變成從RW接收無(wú)變調(diào)信號(hào)狀態(tài)，接著利用IC卡片內(nèi)的變調(diào)器產(chǎn)生負(fù)載變動(dòng)，RW將此負(fù)載變動(dòng)當(dāng)成自我loop天線，亦即RW的天線的電流、電壓變化檢測(cè)并將資料復(fù)調(diào)。表1是FeilCa的物理層與資料鍊層的主要規(guī)格。
　 

圖2 RW的動(dòng)作原理

表1 物理層與資料鍊層的規(guī)格

    接著介紹有關(guān)如何達(dá)成「完全無(wú)錯(cuò)誤」的電路品質(zhì)與錯(cuò)誤控制相關(guān)技術(shù)。最近幾年強(qiáng)大的錯(cuò)誤修正技術(shù)，使得許多完全無(wú)錯(cuò)誤化的要求獲得實(shí)現(xiàn)，由于非接觸式IC卡片通信系統(tǒng)的packet長(zhǎng)度高達(dá)數(shù)百位元，因此錯(cuò)誤修正效果幾乎被局限在隨機(jī)錯(cuò)誤(random error)范圍，理論上如果能維持比較良好的位元錯(cuò)誤率，會(huì)比採(cǎi)用低編碼效率與不良的修正碼更具實(shí)用效果，依此判斷研究人員最后決定採(cǎi)用低冗長(zhǎng)度，而且可以對(duì)錯(cuò)誤檢測(cè)碼進(jìn)行再送控制的混合方式，事實(shí)上傳統(tǒng)FeilCa也是沿襲上述架構(gòu)進(jìn)行錯(cuò)誤救濟(jì)再送控制。

    不過(guò)上述方式回路的位元錯(cuò)誤率會(huì)變差，而且再送次數(shù)則大幅增加，其結(jié)果反而會(huì)造成非接觸式IC卡通信系統(tǒng)的通信成功率惡化，例如packet長(zhǎng)度為256進(jìn)行2次再送時(shí)，為獲得通信錯(cuò)誤率10-8，回路的位元錯(cuò)誤率必需低于10-5，此時(shí)若以ASK的非同步檢波獲得10-5的位元錯(cuò)誤率，S/N比大約需要15dB左右，如此才能確保RW的預(yù)期目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)以上位元錯(cuò)誤率目標(biāo)值的關(guān)鍵，是如何對(duì)策阻抗(impedance)特性變動(dòng)的技術(shù)，具體內(nèi)容分別是: 

    ‧非接觸式IC卡片特性變動(dòng)的對(duì)策
    ‧RW設(shè)置環(huán)境的適應(yīng)性

    非接觸式IC卡片具備無(wú)形狀上限制等特徵，因此最近幾年甚至出現(xiàn)內(nèi)建非接觸式IC晶片的手錶與list band等商品，依此觀之未來(lái)勢(shì)必推廣至移動(dòng)電話等領(lǐng)域，然而RW的廣泛應(yīng)用卻造成RW的相容性、如何同時(shí)辨識(shí)復(fù)數(shù)非接觸式IC卡片、如何設(shè)計(jì)復(fù)數(shù)RW之間不會(huì)相互干擾等問(wèn)題成為重要課題，亦即今后必需克服以下問(wèn)題: 

    ‧支援多樣化媒體與周圍環(huán)境的適應(yīng)性
    ‧復(fù)數(shù)非接觸式IC卡片的辨識(shí)能力
    ‧抑制復(fù)數(shù)RW之間相互干擾

    對(duì)策技術(shù) 

    圖3是媒體特性對(duì)非接觸式IC卡片通人系統(tǒng)的影響實(shí)例，如圖所示它是非接觸式IC卡片－RW之間的距離，與RW－非接觸式IC卡片之間的信號(hào)強(qiáng)度對(duì)復(fù)數(shù)個(gè)卡片共振頻率fc變數(shù)的互動(dòng)關(guān)系，由圖可知fc相異時(shí)通信特性相對(duì)變大，尤其是fc=15MHz的特性，非接觸式IC卡片－RW之間的距離d=10mm時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度幾乎接近zero cross。
　 

圖3 通信距離與信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系

    圖4是有關(guān)RW天線附近設(shè)置鈑金元件對(duì)時(shí)，RW天線的阻抗受到的影響分析結(jié)果，由圖可知由于鈑金元件內(nèi)部有渦電流流動(dòng)，因此阻抗成份減少共振頻率數(shù)則朝高點(diǎn)方向移動(dòng)。
　 

圖4 鈑金元件對(duì)RW天線的影響

    根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果顯示周圍環(huán)境對(duì)非接觸式IC卡片通信系統(tǒng)的影響非常大，類似自動(dòng)販賣機(jī)、自動(dòng)提款機(jī)等內(nèi)建RW的系統(tǒng)，必需依照各別設(shè)置條件進(jìn)行參數(shù)最佳化設(shè)定。

    圖5是研究人員開(kāi)發(fā)的整合電磁界分析與電路分析的系統(tǒng)模擬分析技術(shù)，具體方法是將金屬的影響列入考慮，線狀天線與平面線狀天線則利用高頻電磁波電磁界分析軟件，進(jìn)行RW與卡片天線的自我、相互電感(inductance)與阻抗等定數(shù)分析，接著在電路分析時(shí)輸入上述定數(shù)，進(jìn)行通信距離與整合阻抗等RW特性分析，如此一來(lái)便能夠在試作非接觸式IC卡片之前，作特性預(yù)測(cè)與RW天線形狀的最佳化設(shè)計(jì)。
　 

圖5 系統(tǒng)模擬分析手法

    圖6是依照以上分析結(jié)果設(shè)計(jì)的RW電路的實(shí)際外觀；圖7是RW的通信距離與非接觸式IC卡片頻率的關(guān)系，圖中的試作卡片是指IC卡片頻率可變的卡片天線與卡片晶片構(gòu)成的測(cè)以試用非接觸式IC卡片。根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示針對(duì)寬廣的卡片頻率，可以達(dá)成90mm以上的通信距離，此外利用定數(shù)的最佳化設(shè)計(jì)，能夠獲得無(wú)死角的通信，封裝后的非接觸式IC卡片通信系統(tǒng)，可以隋著設(shè)置環(huán)境輕易調(diào)整減少調(diào)整部位。
　 

圖6 RW電路的實(shí)際外觀

圖7 RW的通信距離

    如上述非接觸式IC卡片通訊系統(tǒng)要求可以同時(shí)辨識(shí)復(fù)數(shù)個(gè)IC卡片，達(dá)成該要求的技術(shù)有兩項(xiàng)分別是: 

    ⒜.防止沖突技術(shù)
    ⒝.天線設(shè)計(jì)與fc的改善

    有關(guān)防止沖突技術(shù)具體方法是應(yīng)用slot ALOHA順序取得卡片ID，就能夠徹底解決該問(wèn)題。

    有關(guān)天線設(shè)計(jì)與fc的改善，主要原因是復(fù)數(shù)個(gè)非接觸式IC卡片重疊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電磁性耦合現(xiàn)象，進(jìn)而造成IC卡片的特性出現(xiàn)急遽變動(dòng)，一般認(rèn)為天線設(shè)計(jì)與fc的改善，可以使RW獲得最佳化設(shè)計(jì)。

    圖8是置物柜鎖匙以非接觸式list band方式執(zhí)行開(kāi)、閉的應(yīng)用范例，如圖所示由于復(fù)數(shù)個(gè)RW鄰近設(shè)置，因此其中一個(gè)RW可能會(huì)影響其它RW。

    圖9是RW之間相互干涉的模式，事實(shí)上RW之間相互干涉遭受最大影響是該RW接收來(lái)自IC卡片的信號(hào)時(shí)，鄰近的RW發(fā)生down link信號(hào)。從RW產(chǎn)生的down link信號(hào)分成無(wú)變調(diào)與ASK變調(diào)兩種，如果無(wú)變調(diào)信號(hào)出現(xiàn)預(yù)期局與干涉局之間傳輸波頻率差時(shí)，會(huì)在檢波電路引發(fā)混變調(diào)沖擊位元現(xiàn)象，所幸的是實(shí)際RW的傳輸波頻率偏差大多被抑制在50ppm以下，因此位元的頻率被局限在數(shù)百Hz范圍內(nèi)，加上位元包覆(bit coating)採(cǎi)用Manchester編碼方式，收信機(jī)會(huì)將低頻領(lǐng)域去除，所以無(wú)變調(diào)信號(hào)實(shí)用上并不會(huì)構(gòu)成問(wèn)題。
　 

圖8 非接觸式IC卡的應(yīng)用實(shí)例

圖9 RW之間的干涉模式

    ASK變調(diào)信號(hào)的場(chǎng)合，干涉信號(hào)的頻率范圍與預(yù)期波的頻率范圍重疊，此時(shí)即使改善S/N比提高信號(hào)輸出，經(jīng)常發(fā)生位元錯(cuò)誤率毫無(wú)改善的結(jié)果，常用對(duì)策是修改RW的設(shè)計(jì)降低干涉電力，避免鄰近RW同時(shí)動(dòng)作，不過(guò)這類對(duì)策容易引發(fā)非接觸式IC卡片的反應(yīng)遲鈍，所以根本對(duì)策是進(jìn)行最佳化設(shè)計(jì)。