非接觸IC卡多功能讀寫器

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：陳京德 季明松   人氣： 發表時間：2011年11月03日

一、非接觸IC卡應用現狀
　　近年來，自動識別方法在許多服務領域、在貨物銷售與后勤分配方面、在商業部門、在生產企業和材料流通領域得到了快速的普及和推廣。自動識別方法的任務和目的是提供關于個人、動物、貨物和商品的信息。
　　條型碼和帶觸點的IC卡雖得到了大量應用，但因本身所具有的特點制約了其發展，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，在有些領域應用起來不方便。非接觸識別已經逐步發展成為一個獨立的跨學科的專業領域，它將大量來自不同專業領域的技術綜合在一起：如高頻技術、電磁兼容性、半導體技術、數據保護和密碼學、電信、制造技術和許多專業應用領域。

圖1 射頻識別系統可以劃分成低檔系統和高檔系統
　　非接觸IC卡的應用主要集中于公交收費及不停車收費系統，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用。
　　在我國，從非接觸IC卡的發展過程來看，首先得到應用的的邏輯加密卡，其特點是價格便易，讀寫器需要配套的專用芯片；隨著技術的進步，非接觸CPU卡以其高的安全性得到認可，并且開始大量應用，其特點是安全性高，有國際標準（ISO/IEC 14443—1~4）支持，這樣使得卡片的選擇更加豐富。就當前國內非接觸IC卡應用情況看，在一定時期內邏輯加密卡和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，解決一個系統中支持多卡的問題。　
　　二、非接觸IC卡應用系統的數據流
　　如果一個應用系統（應用軟件）要從一個非接觸的數據載體（應答器）中讀出數據或寫入數據到一個非接觸的數據載體中去，則它需要一個非接觸的讀寫器作為接口。從應用軟件的角度來看，對數據載體的訪問應是盡可能地透明。
圖2 應用數據流

　　對一個非接觸的數據載體的讀、寫操作是嚴格按照“主—從原則”來進行的。這意味著，讀寫器和應答器的所有動作均有應用軟件來控制。因此在一個分層系統結構中，應用軟件是作為主動方，而讀寫器則作為從方只對應用軟件的讀寫指令做出反應。
　　為了執行應用軟件發出的一條指令，讀寫器會與一個應答器建立通信。而相對于應答器，此時的讀寫器是主動方。應答器只響應讀寫器所發出的指令，從不自主活動。
　　由應用軟件向讀寫器發出的一條簡單的讀取命令，此時會在讀寫器和某個應答器之間觸發一系列的通信步驟。在下面的例子中，一條讀取命令首先啟動了一個應答器并進行身份驗證，然后是傳送所要求的數據。
　　讀寫器與應答器之間執行一條讀取命令的示例
應用程序←→讀寫器 　　　　　　　　　讀寫器←→應答器 　　　 注釋
Blockread—Adress[00]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 從[地址]處讀取應答器存儲器
←→ 　
→ 　　　　　　　　　　　　　　Request　　　　　　　　 　　　應答器回答出一個序列號
→ 　　　　　　　　　　　　　　ATR—SNR[4712] 　　　　　　　　進行身份驗證
← 　　　　　　　　　　　　　 GET--Random 　
→ 　　　　　　　　　　　　　 Random[081514] 　
← 　　　　　　　　　　　　　 SEND—Token1 　
→ 　　　　　　　　　　　　　 GEN—Token2 　　　　　　　 身份驗證通過
← 　　　　　　　　　　　　　 Read--@[00]　　　　 　　　　 讀命令[地址]
→ 　　　　　　　　　　　　　Data[9876543210]　　　　 　　 從應答器中取出數據
Data[9876543210]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　將數據送往應用程序
← 　
　　因此，讀寫器的基本任務就是啟動數據載體（應答器），與這個數據載體建立通信并且在應用軟件和一個非接觸的數據載體之間傳送數據。非接觸通信的所有具體細節，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
　　所有系統的讀寫器均可以簡化為兩個基本的功能塊：控制系統和由發送器和接收器組成的高頻接口。

圖3 由控制系統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負有下列任務：
· 產生高頻的發射功率，以啟動應答器并為它提供能量；
· 對發射信號進行調制，用于將數據傳送給應答器；
· 接收并解調來自應答器的高頻信號。
　　在高頻接口中有兩個分隔開的信號通道，分別用于往來應答器的兩個方向的數據流。傳送到應答器中去的數據通過發送器分支，而來自于應答器的數據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的高頻接口電路圖
　　在發送器部分,首先由(頻率)穩定的石英振蕩器產生具有所需工作頻率即13.56MHz的信號。為了不進一步影響應答器的極度微弱接收信號的信噪比，對振蕩器的相位穩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制級。此基帶就是鍵控的恒壓信號（TTL電平），在此將二進制數據以串行碼的形式（Manchester,Miller,NRZ）表示出來。根據調制器的類型會執行對振蕩器信號的ASK或PSK調制。
　　通過功率輸出級使調制后的信號達到所需要的電平，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。此濾波器的任務是最大程度地屏蔽發射器末級的強信號，并且只把應答器的應答信號濾出。對于本系統，這里的副載波頻率為847KHz。

圖5 高頻接口發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負著以下任務：
o 與應用系統軟件進行通信，并執行應用系統軟件發來的命令；
o 控制與應答器的通信過程（主—從原則）；
o 信號的編碼與解碼；
o 執行防碰撞算法；
o 對應答器與讀寫器之間要傳送的數據進行加密和解密；
o 進行應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諧振回路，與高頻接口緊密耦合，一方面要與卡片參數匹配，使得卡片能夠得到充足的能量和完整的數據，并且把卡片的響應數據接收回來，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（用串行口與上級應用系統軟件進行通信）
　　四、主要技術指標
1. 讀寫卡片類型：Mifare系列 ,TypeA，TypeB（符合 ISO/IEC14443-1~4 標準）；
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：標準RS232（讀寫器），8位并行口（讀寫模塊）
11. 安裝方式：讀寫器方式采用標準串口與PC機相連，模塊方式采用插針或直接焊接在系統板上；
12. 技術支持：提供動態庫函數，支持用戶二次開發。
　　五、社會效益和經濟效益分析
　　1、社會效益
　　雖然我國已成功引進了非接觸IC卡技術并在很多部門和領域得到廣泛應用，但其核心技術還沒有掌握，如IC卡芯片的國產化和本地化，讀寫核心模塊需依賴進口等，這就嚴重制約了我國IC卡市場的發展，不符合我國經濟長期穩定快速增長的需要。非接觸多功能IC卡讀寫器的適時研制成功，不但能完全兼容當今國內大多非接觸IC卡的讀寫，并且填補了國內對符合ISO14443標準的TypeA/B卡無相應讀寫機具的空白。
　　2、經濟效益
　　我國國內目前對非接觸IC卡的應用主要集中在非接觸存儲卡的應用，而現行的更高安全更大容量的符合國際標準的TypeA/B型CPU卡必將取而代之，這就為非接觸讀寫設備帶來了新的問題，因原有的讀寫存儲卡的設備肯定不能支持新型CPU卡，而新型CPU卡讀寫設備又不向下兼容，故如何選擇你的讀卡設備是你的當務之急。非接觸多功能IC卡讀寫器的開發成功為你提供了一種既不用淘汰現行持卡用戶，又為以后的應用打下了良好的基礎，具有明顯的經濟效益。