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非接触IC卡多功能读写器
作者：陈京德 季明松
来源：RFID世界网
日期：2005-05-19 10:18:28
摘要：近年来，自动识别方法在许多服务领域、在货物销售与后勤分配方面、在商业部门、在生产企业和材料流通领域得到了快速的普及和推广。自动识别方法的任务和目的是提供关于个人、动物、货物和商品的信息。
一、非接触IC卡应用现状
近年来，自动识别方法在许多服务领域、在货物销售与后勤分配方面、在商业部门、在生产企业和材料流通领域得到了快速的普及和推广。自动识别方法的任务和目的是提供关于个人、动物、货物和商品的信息。
条型码和带触点的IC卡虽得到了大量应用，但因本身所具有的特点制约了其发展，如条型码虽然很便易，但它的不足之处是存储能力小以及不能改写；具有触点排的IC卡在许多情况下机械触点的接通是不可靠的，且触点对腐蚀和污染缺乏抵抗能力，在有些领域应用起来不方便。非接触识别已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域，它将大量来自不同专业领域的技术综合在一起：如高频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多专业应用领域。
图1 射频识别系统可以划分成低档系统和高档系统
非接触IC卡的应用主要集中于公交收费及不停车收费系统，从而作为非接触IC卡的高档部分——带有微处理器的高档部分得到广泛应用。
在我国，从非接触IC卡的发展过程来看，首先得到应用的的逻辑加密卡，其特点是价格便易，读写器需要配套的专用芯片；随着技术的进步，非接触CPU卡以其高的安全性得到认可，并且开始大量应用，其特点是安全性高，有国际标准（ISO/IEC 14443—1~4）支持，这样使得卡片的选择更加丰富。就当前国内非接触IC卡应用情况看，在一定时期内逻辑加密卡和CPU卡会同时存在，将来逐步以CPU卡为主。因此就需要一种能够读写多种类型卡片的读写器，解决一个系统中支持多卡的问题。
二、非接触IC卡应用系统的数据流
如果一个应用系统（应用软件）要从一个非接触的数据载体（应答器）中读出数据或写入数据到一个非接触的数据载体中去，则它需要一个非接触的读写器作为接口。从应用软件的角度来看，对数据载体的访问应是尽可能地透明。
图2 应用数据流
对一个非接触的数据载体的读、写操作是严格按照“主—从原则”来进行的。这意味着，读写器和应答器的所有动作均有应用软件来控制。因此在一个分层系统结构中，应用软件是作为主动方，而读写器则作为从方只对应用软件的读写指令做出反应。
为了执行应用软件发出的一条指令，读写器会与一个应答器建立通信。而相对于应答器，此时的读写器是主动方。应答器只响应读写器所发出的指令，从不自主活动。
由应用软件向读写器发出的一条简单的读取命令，此时会在读写器和某个应答器之间触发一系列的通信步骤。在下面的例子中，一条读取命令首先启动了一个应答器并进行身份验证，然后是传送所要求的数据。
读写器与应答器之间执行一条读取命令的示例
应用程序←→读写器 读写器←→应答器 注释
Blockread—Adress[00] 从[地址]处读取应答器存储器
←→
→ Request 应答器回答出一个序列号
→ ATR—SNR[4712] 进行身份验证
← GET--Random
→ Random[081514]
← SEND—Token1
→ GEN—Token2 身份验证通过
← Read--@[00] 读命令[地址]
→ Data[9876543210] 从应答器中取出数据
Data[9876543210] 将数据送往应用程序
←
因此，读写器的基本任务就是启动数据载体（应答器），与这个数据载体建立通信并且在应用软件和一个非接触的数据载体之间传送数据。非接触通信的所有具体细节，如建立通信、防止碰撞或身份验证，均由读写器自已来处理。
三、读写器的组成
所有系统的读写器均可以简化为两个基本的功能块：控制系统和由发送器和接收器组成的高频接口。
图3 由控制系统与高频接口组成的读写器框图
1.高频接口
读写器的高频接口担负有下列任务：
· 产生高频的发射功率，以启动应答器并为它提供能量；
· 对发射信号进行调制，用于将数据传送给应答器；
· 接收并解调来自应答器的高频信号。
在高频接口中有两个分隔开的信号通道，分别用于往来应答器的两个方向的数据流。传送到应答器中去的数据通过发送器分支，而来自于应答器的数据通过接收器分支来接收。
非接触多功能读写器高频接口部分采用电感耦合方式：
图4 电感耦合射频识别系统的高频接口电路图
在发送器部分,首先由(频率)稳定的石英振荡器产生具有所需工作频率即13.56MHz的信号。为了不进一步影响应答器的极度微弱接收信号的信噪比，对振荡器的相位稳定性和边带器声提出了很高的要求。
振荡器信号被馈送到由信号编码的基带信号控制的调制级。此基带就是键控的恒压信号（TTL电平），在此将二进制数据以串行码的形式（Manchester,Miller,NRZ）表示出来。根据调制器的类型会执行对振荡器信号的ASK或PSK调制。
通过功率输出级使调制后的信号达到所需要的电平，然后就可以将它输出耦合到天线端上。
接收器直接开始于天线端，前端的第一个组件是具有陡峭边沿的带通滤波器。此滤波器的任务是最大程度地屏蔽发射器末级的强信号，并且只把应答器的应答信号滤出。对于本系统，这里的副载波频率为847KHz。
图5 高频接口发送的载波信号和接收的副载波信号
2、控制单元
读写器的控制单元担负着以下任务：
o 与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；
o 控制与应答器的通信过程（主—从原则）；
o 信号的编码与解码；
o 执行防碰撞算法；
o 对应答器与读写器之间要传送的数据进行加密和解密；
o 进行应答器和读取器之间的身份验证。
3、天线
天线是非接触IC卡读写器的一个重要组成部分，它由天线圈与电容组成串并联谐振回路，与高频接口紧密耦合，一方面要与卡片参数匹配，使得卡片能够得到充足的能量和完整的数据，并且把卡片的响应数据接收回来，另一方面又要与放大电路匹配，使放大器高效率工作。
图6读写器的控制单元电路图（用串行口与上级应用系统软件进行通信）
四、主要技术指标
1. 读写卡片类型：Mifare系列 ,TypeA，TypeB（符合 ISO/IEC14443-1~4 标准）；
2. 工作频率：13.56MHz；
3. 读写距离：0-100mm;
4. 通信速率：106Kbps
5. 射频输出：通过50Ω同轴电缆与天线连接；
6. 供电电压：5V±10%（<100mA）,12±5%(<300mA)
7. 工作温度：-20℃--+70℃；
8. 存储温度：-45℃--+125℃；
9. 外形尺寸：100mmⅹ58mmⅹ14mm；
10. 接口：标准RS232（读写器），8位并行口（读写模块）
11. 安装方式：读写器方式采用标准串口与PC机相连，模块方式采用插针或直接焊接在系统板上；
12. 技术支持：提供动态库函数，支持用户二次开发。
五、社会效益和经济效益分析
1、社会效益
虽然我国已成功引进了非接触IC卡技术并在很多部门和领域得到广泛应用，但其核心技术还没有掌握，如IC卡芯片的国产化和本地化，读写核心模块需依赖进口等，这就严重制约了我国IC卡市场的发展，不符合我国经济长期稳定快速增长的需要。非接触多功能IC卡读写器的适时研制成功，不但能完全兼容当今国内大多非接触IC卡的读写，并且填补了国内对符合ISO14443标准的TypeA/B卡无相应读写机具的空白。
2、经济效益
我国国内目前对非接触IC卡的应用主要集中在非接触存储卡的应用，而现行的更高安全更大容量的符合国际标准的TypeA/B型CPU卡必将取而代之，这就为非接触读写设备带来了新的问题，因原有的读写存储卡的设备肯定不能支持新型CPU卡，而新型CPU卡读写设备又不向下兼容，故如何选择你的读卡设备是你的当务之急。非接触多功能IC卡读写器的开发成功为你提供了一种既不用淘汰现行持卡用户，又为以后的应用打下了良好的基础，具有明显的经济效益。
近年来，自动识别方法在许多服务领域、在货物销售与后勤分配方面、在商业部门、在生产企业和材料流通领域得到了快速的普及和推广。自动识别方法的任务和目的是提供关于个人、动物、货物和商品的信息。
条型码和带触点的IC卡虽得到了大量应用，但因本身所具有的特点制约了其发展，如条型码虽然很便易，但它的不足之处是存储能力小以及不能改写；具有触点排的IC卡在许多情况下机械触点的接通是不可靠的，且触点对腐蚀和污染缺乏抵抗能力，在有些领域应用起来不方便。非接触识别已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域，它将大量来自不同专业领域的技术综合在一起：如高频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多专业应用领域。
图1 射频识别系统可以划分成低档系统和高档系统
非接触IC卡的应用主要集中于公交收费及不停车收费系统，从而作为非接触IC卡的高档部分——带有微处理器的高档部分得到广泛应用。
在我国，从非接触IC卡的发展过程来看，首先得到应用的的逻辑加密卡，其特点是价格便易，读写器需要配套的专用芯片；随着技术的进步，非接触CPU卡以其高的安全性得到认可，并且开始大量应用，其特点是安全性高，有国际标准（ISO/IEC 14443—1~4）支持，这样使得卡片的选择更加丰富。就当前国内非接触IC卡应用情况看，在一定时期内逻辑加密卡和CPU卡会同时存在，将来逐步以CPU卡为主。因此就需要一种能够读写多种类型卡片的读写器，解决一个系统中支持多卡的问题。
二、非接触IC卡应用系统的数据流
如果一个应用系统（应用软件）要从一个非接触的数据载体（应答器）中读出数据或写入数据到一个非接触的数据载体中去，则它需要一个非接触的读写器作为接口。从应用软件的角度来看，对数据载体的访问应是尽可能地透明。
图2 应用数据流
对一个非接触的数据载体的读、写操作是严格按照“主—从原则”来进行的。这意味着，读写器和应答器的所有动作均有应用软件来控制。因此在一个分层系统结构中，应用软件是作为主动方，而读写器则作为从方只对应用软件的读写指令做出反应。
为了执行应用软件发出的一条指令，读写器会与一个应答器建立通信。而相对于应答器，此时的读写器是主动方。应答器只响应读写器所发出的指令，从不自主活动。
由应用软件向读写器发出的一条简单的读取命令，此时会在读写器和某个应答器之间触发一系列的通信步骤。在下面的例子中，一条读取命令首先启动了一个应答器并进行身份验证，然后是传送所要求的数据。
读写器与应答器之间执行一条读取命令的示例
应用程序←→读写器 读写器←→应答器 注释
Blockread—Adress[00] 从[地址]处读取应答器存储器
←→
→ Request 应答器回答出一个序列号
→ ATR—SNR[4712] 进行身份验证
← GET--Random
→ Random[081514]
← SEND—Token1
→ GEN—Token2 身份验证通过
← Read--@[00] 读命令[地址]
→ Data[9876543210] 从应答器中取出数据
Data[9876543210] 将数据送往应用程序
←
因此，读写器的基本任务就是启动数据载体（应答器），与这个数据载体建立通信并且在应用软件和一个非接触的数据载体之间传送数据。非接触通信的所有具体细节，如建立通信、防止碰撞或身份验证，均由读写器自已来处理。
三、读写器的组成
所有系统的读写器均可以简化为两个基本的功能块：控制系统和由发送器和接收器组成的高频接口。
图3 由控制系统与高频接口组成的读写器框图
1.高频接口
读写器的高频接口担负有下列任务：
· 产生高频的发射功率，以启动应答器并为它提供能量；
· 对发射信号进行调制，用于将数据传送给应答器；
· 接收并解调来自应答器的高频信号。
在高频接口中有两个分隔开的信号通道，分别用于往来应答器的两个方向的数据流。传送到应答器中去的数据通过发送器分支，而来自于应答器的数据通过接收器分支来接收。
非接触多功能读写器高频接口部分采用电感耦合方式：
图4 电感耦合射频识别系统的高频接口电路图
在发送器部分,首先由(频率)稳定的石英振荡器产生具有所需工作频率即13.56MHz的信号。为了不进一步影响应答器的极度微弱接收信号的信噪比，对振荡器的相位稳定性和边带器声提出了很高的要求。
振荡器信号被馈送到由信号编码的基带信号控制的调制级。此基带就是键控的恒压信号（TTL电平），在此将二进制数据以串行码的形式（Manchester,Miller,NRZ）表示出来。根据调制器的类型会执行对振荡器信号的ASK或PSK调制。
通过功率输出级使调制后的信号达到所需要的电平，然后就可以将它输出耦合到天线端上。
接收器直接开始于天线端，前端的第一个组件是具有陡峭边沿的带通滤波器。此滤波器的任务是最大程度地屏蔽发射器末级的强信号，并且只把应答器的应答信号滤出。对于本系统，这里的副载波频率为847KHz。
图5 高频接口发送的载波信号和接收的副载波信号
2、控制单元
读写器的控制单元担负着以下任务：
o 与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；
o 控制与应答器的通信过程（主—从原则）；
o 信号的编码与解码；
o 执行防碰撞算法；
o 对应答器与读写器之间要传送的数据进行加密和解密；
o 进行应答器和读取器之间的身份验证。
3、天线
天线是非接触IC卡读写器的一个重要组成部分，它由天线圈与电容组成串并联谐振回路，与高频接口紧密耦合，一方面要与卡片参数匹配，使得卡片能够得到充足的能量和完整的数据，并且把卡片的响应数据接收回来，另一方面又要与放大电路匹配，使放大器高效率工作。
图6读写器的控制单元电路图（用串行口与上级应用系统软件进行通信）
四、主要技术指标
1. 读写卡片类型：Mifare系列 ,TypeA，TypeB（符合 ISO/IEC14443-1~4 标准）；
2. 工作频率：13.56MHz；
3. 读写距离：0-100mm;
4. 通信速率：106Kbps
5. 射频输出：通过50Ω同轴电缆与天线连接；
6. 供电电压：5V±10%（<100mA）,12±5%(<300mA)
7. 工作温度：-20℃--+70℃；
8. 存储温度：-45℃--+125℃；
9. 外形尺寸：100mmⅹ58mmⅹ14mm；
10. 接口：标准RS232（读写器），8位并行口（读写模块）
11. 安装方式：读写器方式采用标准串口与PC机相连，模块方式采用插针或直接焊接在系统板上；
12. 技术支持：提供动态库函数，支持用户二次开发。
五、社会效益和经济效益分析
1、社会效益
虽然我国已成功引进了非接触IC卡技术并在很多部门和领域得到广泛应用，但其核心技术还没有掌握，如IC卡芯片的国产化和本地化，读写核心模块需依赖进口等，这就严重制约了我国IC卡市场的发展，不符合我国经济长期稳定快速增长的需要。非接触多功能IC卡读写器的适时研制成功，不但能完全兼容当今国内大多非接触IC卡的读写，并且填补了国内对符合ISO14443标准的TypeA/B卡无相应读写机具的空白。
2、经济效益
我国国内目前对非接触IC卡的应用主要集中在非接触存储卡的应用，而现行的更高安全更大容量的符合国际标准的TypeA/B型CPU卡必将取而代之，这就为非接触读写设备带来了新的问题，因原有的读写存储卡的设备肯定不能支持新型CPU卡，而新型CPU卡读写设备又不向下兼容，故如何选择你的读卡设备是你的当务之急。非接触多功能IC卡读写器的开发成功为你提供了一种既不用淘汰现行持卡用户，又为以后的应用打下了良好的基础，具有明显的经济效益。
