非接觸IC卡多功能讀寫器

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：陳京德 季明松   人氣： 發(fā)表時間：2011年11月03日

一、非接觸IC卡應(yīng)用現(xiàn)狀
　　近年來，自動識別方法在許多服務(wù)領(lǐng)域、在貨物銷售與后勤分配方面、在商業(yè)部門、在生產(chǎn)企業(yè)和材料流通領(lǐng)域得到了快速的普及和推廣。自動識別方法的任務(wù)和目的是提供關(guān)于個人、動物、貨物和商品的信息。
　　條型碼和帶觸點的IC卡雖得到了大量應(yīng)用，但因本身所具有的特點制約了其發(fā)展，如條型碼雖然很便易，但它的不足之處是存儲能力小以及不能改寫；具有觸點排的IC卡在許多情況下機械觸點的接通是不可靠的，且觸點對腐蝕和污染缺乏抵抗能力，在有些領(lǐng)域應(yīng)用起來不方便。非接觸識別已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個獨立的跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域，它將大量來自不同專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)綜合在一起：如高頻技術(shù)、電磁兼容性、半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)據(jù)保護(hù)和密碼學(xué)、電信、制造技術(shù)和許多專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1 射頻識別系統(tǒng)可以劃分成低檔系統(tǒng)和高檔系統(tǒng)
　　非接觸IC卡的應(yīng)用主要集中于公交收費及不停車收費系統(tǒng)，從而作為非接觸IC卡的高檔部分——帶有微處理器的高檔部分得到廣泛應(yīng)用。
　　在我國，從非接觸IC卡的發(fā)展過程來看，首先得到應(yīng)用的的邏輯加密卡，其特點是價格便易，讀寫器需要配套的專用芯片；隨著技術(shù)的進(jìn)步，非接觸CPU卡以其高的安全性得到認(rèn)可，并且開始大量應(yīng)用，其特點是安全性高，有國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC 14443—1~4）支持，這樣使得卡片的選擇更加豐富。就當(dāng)前國內(nèi)非接觸IC卡應(yīng)用情況看，在一定時期內(nèi)邏輯加密卡和CPU卡會同時存在，將來逐步以CPU卡為主。因此就需要一種能夠讀寫多種類型卡片的讀寫器，解決一個系統(tǒng)中支持多卡的問題?！?BR>　　二、非接觸IC卡應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流
　　如果一個應(yīng)用系統(tǒng)（應(yīng)用軟件）要從一個非接觸的數(shù)據(jù)載體（應(yīng)答器）中讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)到一個非接觸的數(shù)據(jù)載體中去，則它需要一個非接觸的讀寫器作為接口。從應(yīng)用軟件的角度來看，對數(shù)據(jù)載體的訪問應(yīng)是盡可能地透明。
圖2 應(yīng)用數(shù)據(jù)流

　　對一個非接觸的數(shù)據(jù)載體的讀、寫操作是嚴(yán)格按照“主—從原則”來進(jìn)行的。這意味著，讀寫器和應(yīng)答器的所有動作均有應(yīng)用軟件來控制。因此在一個分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用軟件是作為主動方，而讀寫器則作為從方只對應(yīng)用軟件的讀寫指令做出反應(yīng)。
　　為了執(zhí)行應(yīng)用軟件發(fā)出的一條指令，讀寫器會與一個應(yīng)答器建立通信。而相對于應(yīng)答器，此時的讀寫器是主動方。應(yīng)答器只響應(yīng)讀寫器所發(fā)出的指令，從不自主活動。
　　由應(yīng)用軟件向讀寫器發(fā)出的一條簡單的讀取命令，此時會在讀寫器和某個應(yīng)答器之間觸發(fā)一系列的通信步驟。在下面的例子中，一條讀取命令首先啟動了一個應(yīng)答器并進(jìn)行身份驗證，然后是傳送所要求的數(shù)據(jù)。
　　讀寫器與應(yīng)答器之間執(zhí)行一條讀取命令的示例
應(yīng)用程序←→讀寫器 　　　　　　　　　讀寫器←→應(yīng)答器 　　　 注釋
Blockread—Adress[00]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 從[地址]處讀取應(yīng)答器存儲器
←→ 　
→ 　　　　　　　　　　　　　　Request　　　　　　　　 　　　應(yīng)答器回答出一個序列號
→ 　　　　　　　　　　　　　　ATR—SNR[4712] 　　　　　　　　進(jìn)行身份驗證
← 　　　　　　　　　　　　　 GET--Random 　
→ 　　　　　　　　　　　　　 Random[081514] 　
← 　　　　　　　　　　　　　 SEND—Token1 　
→ 　　　　　　　　　　　　　 GEN—Token2 　　　　　　　 身份驗證通過
← 　　　　　　　　　　　　　 Read--@[00]　　　　 　　　　 讀命令[地址]
→ 　　　　　　　　　　　　　Data[9876543210]　　　　 　　 從應(yīng)答器中取出數(shù)據(jù)
Data[9876543210]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　將數(shù)據(jù)送往應(yīng)用程序
← 　
　　因此，讀寫器的基本任務(wù)就是啟動數(shù)據(jù)載體（應(yīng)答器），與這個數(shù)據(jù)載體建立通信并且在應(yīng)用軟件和一個非接觸的數(shù)據(jù)載體之間傳送數(shù)據(jù)。非接觸通信的所有具體細(xì)節(jié)，如建立通信、防止碰撞或身份驗證，均由讀寫器自已來處理。
　　三、讀寫器的組成
　　所有系統(tǒng)的讀寫器均可以簡化為兩個基本的功能塊：控制系統(tǒng)和由發(fā)送器和接收器組成的高頻接口。

圖3 由控制系統(tǒng)與高頻接口組成的讀寫器框圖
　　1.高頻接口
　　讀寫器的高頻接口擔(dān)負(fù)有下列任務(wù)：
· 產(chǎn)生高頻的發(fā)射功率，以啟動應(yīng)答器并為它提供能量；
· 對發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給應(yīng)答器；
· 接收并解調(diào)來自應(yīng)答器的高頻信號。
　　在高頻接口中有兩個分隔開的信號通道，分別用于往來應(yīng)答器的兩個方向的數(shù)據(jù)流。傳送到應(yīng)答器中去的數(shù)據(jù)通過發(fā)送器分支，而來自于應(yīng)答器的數(shù)據(jù)通過接收器分支來接收。
　　非接觸多功能讀寫器高頻接口部分采用電感耦合方式：

圖4 電感耦合射頻識別系統(tǒng)的高頻接口電路圖
　　在發(fā)送器部分,首先由(頻率)穩(wěn)定的石英振蕩器產(chǎn)生具有所需工作頻率即13.56MHz的信號。為了不進(jìn)一步影響應(yīng)答器的極度微弱接收信號的信噪比，對振蕩器的相位穩(wěn)定性和邊帶器聲提出了很高的要求。
　　振蕩器信號被饋送到由信號編碼的基帶信號控制的調(diào)制級。此基帶就是鍵控的恒壓信號（TTL電平），在此將二進(jìn)制數(shù)據(jù)以串行碼的形式（Manchester,Miller,NRZ）表示出來。根據(jù)調(diào)制器的類型會執(zhí)行對振蕩器信號的ASK或PSK調(diào)制。
　　通過功率輸出級使調(diào)制后的信號達(dá)到所需要的電平，然后就可以將它輸出耦合到天線端上。
　　接收器直接開始于天線端，前端的第一個組件是具有陡峭邊沿的帶通濾波器。此濾波器的任務(wù)是最大程度地屏蔽發(fā)射器末級的強信號，并且只把應(yīng)答器的應(yīng)答信號濾出。對于本系統(tǒng)，這里的副載波頻率為847KHz。

圖5 高頻接口發(fā)送的載波信號和接收的副載波信號
　　2、控制單元
　　讀寫器的控制單元擔(dān)負(fù)著以下任務(wù)：
o 與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令；
o 控制與應(yīng)答器的通信過程（主—從原則）；
o 信號的編碼與解碼；
o 執(zhí)行防碰撞算法；
o 對應(yīng)答器與讀寫器之間要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密；
o 進(jìn)行應(yīng)答器和讀取器之間的身份驗證。
　　3、天線
　　天線是非接觸IC卡讀寫器的一個重要組成部分，它由天線圈與電容組成串并聯(lián)諧振回路，與高頻接口緊密耦合，一方面要與卡片參數(shù)匹配，使得卡片能夠得到充足的能量和完整的數(shù)據(jù)，并且把卡片的響應(yīng)數(shù)據(jù)接收回來，另一方面又要與放大電路匹配，使放大器高效率工作。

圖6讀寫器的控制單元電路圖（用串行口與上級應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信）
　　四、主要技術(shù)指標(biāo)
1. 讀寫卡片類型：Mifare系列 ,TypeA，TypeB（符合 ISO/IEC14443-1~4 標(biāo)準(zhǔn)）；
2. 工作頻率：13.56MHz；
3. 讀寫距離：0-100mm;
4. 通信速率：106Kbps
5. 射頻輸出：通過50Ω同軸電纜與天線連接；
6. 供電電壓：5V±10%（<100mA）,12±5%(<300mA)
7. 工作溫度：-20℃--+70℃；
8. 存儲溫度：-45℃--+125℃；
9. 外形尺寸：100mmⅹ58mmⅹ14mm；
10. 接口：標(biāo)準(zhǔn)RS232（讀寫器），8位并行口（讀寫模塊）
11. 安裝方式：讀寫器方式采用標(biāo)準(zhǔn)串口與PC機相連，模塊方式采用插針或直接焊接在系統(tǒng)板上；
12. 技術(shù)支持：提供動態(tài)庫函數(shù)，支持用戶二次開發(fā)。
　　五、社會效益和經(jīng)濟效益分析
　　1、社會效益
　　雖然我國已成功引進(jìn)了非接觸IC卡技術(shù)并在很多部門和領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其核心技術(shù)還沒有掌握，如IC卡芯片的國產(chǎn)化和本地化，讀寫核心模塊需依賴進(jìn)口等，這就嚴(yán)重制約了我國IC卡市場的發(fā)展，不符合我國經(jīng)濟長期穩(wěn)定快速增長的需要。非接觸多功能IC卡讀寫器的適時研制成功，不但能完全兼容當(dāng)今國內(nèi)大多非接觸IC卡的讀寫，并且填補了國內(nèi)對符合ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的TypeA/B卡無相應(yīng)讀寫機具的空白。
　　2、經(jīng)濟效益
　　我國國內(nèi)目前對非接觸IC卡的應(yīng)用主要集中在非接觸存儲卡的應(yīng)用，而現(xiàn)行的更高安全更大容量的符合國際標(biāo)準(zhǔn)的TypeA/B型CPU卡必將取而代之，這就為非接觸讀寫設(shè)備帶來了新的問題，因原有的讀寫存儲卡的設(shè)備肯定不能支持新型CPU卡，而新型CPU卡讀寫設(shè)備又不向下兼容，故如何選擇你的讀卡設(shè)備是你的當(dāng)務(wù)之急。非接觸多功能IC卡讀寫器的開發(fā)成功為你提供了一種既不用淘汰現(xiàn)行持卡用戶，又為以后的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)，具有明顯的經(jīng)濟效益。