二代身份證閱讀機(jī)具設(shè)計(jì)及EMI措施

吳思雄，張 斌，屠黎娜（.浙江立德產(chǎn)品技術(shù)有限公司，杭州 3000；.浙江省檢驗(yàn)檢疫科學(xué)技術(shù)研究院，杭州 3000）

二代身份證閱讀機(jī)具設(shè)計(jì)及EMI措施

吳思雄1，張 斌2，屠黎娜2
（1.浙江立德產(chǎn)品技術(shù)有限公司，杭州 310020；2.浙江省檢驗(yàn)檢疫科學(xué)技術(shù)研究院，杭州 310020）

二代身份證內(nèi)芯片可通過機(jī)器閱讀個人身份信息，進(jìn)行統(tǒng)一管理。主要論述了二代身份證閱讀機(jī)具的硬件和軟件設(shè)計(jì)的基本原理，描述了研發(fā)中獲得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。對設(shè)計(jì)中涉及到電磁兼容問題進(jìn)行了分析與解決。

二代身份證；閱讀機(jī)具；電磁兼容；EMI

引言

二代身份證閱讀機(jī)具又稱為身份證讀卡器、身份證識別器。根據(jù)《社會公共安全產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)施規(guī)則》，其規(guī)范名稱為居民身份證閱讀機(jī)具，以下簡稱閱讀機(jī)具。主要功能是讀取身份證中所包含數(shù)據(jù)信息，鑒別身份證真假，滿足信息交換需要，進(jìn)行統(tǒng)一管理。電磁兼容性之所以對閱讀機(jī)具影響很大，主要是和它的工作方式有關(guān)。閱讀機(jī)具的工作原理是依靠閱讀機(jī)具天線輻射出的13.56 Mhz電磁波，激活二代證內(nèi)芯片，建立通訊鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。閱讀機(jī)具本身就是輻射源。如何利用輻射在規(guī)定范圍內(nèi)對二代證進(jìn)行識別，滿足GA 450《臺式居民身份證閱讀器通用技術(shù)要求》中閱讀機(jī)具的讀卡距離不小于5 cm的要求，又能達(dá)到國家對此類產(chǎn)品的電磁兼容性能的要求，成為本設(shè)備需要解決的關(guān)鍵問題。本文主要介紹二代身份證閱讀機(jī)具的設(shè)計(jì)原理，以及在設(shè)計(jì)中涉及到的EMI整改措施。

1　硬件設(shè)計(jì)

閱讀機(jī)具從一張身份證內(nèi)讀取數(shù)據(jù)信息，其讀取動作由上位機(jī)軟件來控制，閱讀機(jī)具本身的嵌入式軟件配合工作，其系統(tǒng)組成參見圖1。閱讀機(jī)具主要有三個功能模塊：控制單元、射頻電路和安全控制模塊。閱讀機(jī)具需要與應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所以閱讀機(jī)具應(yīng)帶有一個RS-232C或USB接口。閱讀機(jī)具的組成框圖參見圖2。

1.1射頻電路

圖1　應(yīng)用系統(tǒng)組成

射頻電路由讀卡芯片及外圍電路組成，其中包括發(fā)射電路、接收電路、EMC電路等。發(fā)射部分產(chǎn)生13.56 MHz的發(fā)射信號，身份證內(nèi)部線圈吸收其提供的能量；發(fā)射部分同時對信號進(jìn)行ASK調(diào)制，把操作信息傳送給身份證件；然后接收并解調(diào)來自身份證的BPSK信號。GA 450《臺式居民身份證閱讀器通用技術(shù)要求》中對工作頻率、ASK調(diào)制系數(shù)、編碼方式、天線能量輸出等做了詳細(xì)要求。射頻電路中有兩個獨(dú)立信號通道，一個用于發(fā)送器傳輸身份證件中的操作信息，另一個用于接收身份證中的數(shù)據(jù)信息，射頻電路的組成框圖參見圖3。

發(fā)射部分的晶振產(chǎn)生13.56 MHz的信號，為提高接收的身份證件信號質(zhì)量，對晶振的相位穩(wěn)定性和邊帶噪聲有很高的要求，要求穩(wěn)定在13. 56 MHz±7 kHz的范圍。晶振信號被饋送到有信號編碼的基帶信號控制的ASK調(diào)制器，這里的基帶信號就是鍵控的恒壓信號（TTL電平），在此將二進(jìn)制數(shù)據(jù)以NRZ-L的形式表示出來，讀卡芯片內(nèi)部的檢波器對振蕩器信號進(jìn)行ASK調(diào)制，調(diào)制好的信號輸出到天線端上，并最終耦合到身份證上。

使用Matlab模擬出的ASK調(diào)制前后的信號如圖4所示，實(shí)際使用中，較經(jīng)濟(jì)的手動方法是使用示波器量測，如有雜波，需采用多次測量求平均值的方式來計(jì)算調(diào)制系數(shù)，各讀卡芯片廠商的測量計(jì)算方式需根據(jù)其芯片手冊進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。以NXP芯片為例，調(diào)制系數(shù)=(ab)/(a+b)，其中a為最大幅值，b為最小幅值，圖4中的調(diào)制系數(shù)為（2-1）/（2+1）=33.3 %，并不符合GA 450 -2013《臺式居民身份證閱讀器通用技術(shù)要求》的性能指標(biāo)要求（8 %~14 %），此情況下無法讀取身份證。

接收器直接開始于天線端，首先接收到的身份證應(yīng)答信號經(jīng)過檢波并放大，此部分的功能是最大程度地濾除發(fā)射器末級的強(qiáng)干擾，并只把身份證的應(yīng)答信號濾出。對于本系統(tǒng)負(fù)載波頻率為847 kHz，負(fù)載波調(diào)制方式為BPSK。讀卡芯片推薦使用Atmel、NXP的，國內(nèi)也有廠家有相關(guān)讀卡芯片。

1.2控制單元

控制單元是整個系統(tǒng)的核心，由CPU及外圍電路組成，主要功能是與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行軟件發(fā)來的命令，控制與身份證件的整個通信過程。為完成這些任務(wù)，控制單元采用MCU作為核心部件，比如意法半導(dǎo)體的STM32系列芯片，上位機(jī)軟件與閱讀機(jī)具之間的數(shù)據(jù)交換通過RS-232或USB來進(jìn)行，采用串口的話，波特率采用常用的115 200 Bps，射頻電路與控制單元之間的接口采用SPI或其他接口。

1.3天線

圖2　閱讀機(jī)具的組成框圖

圖3　射頻電路組成框圖

圖4　Matlab ASK的模擬波形

天線是閱讀機(jī)具的一個重要組成部分，由線圈、電容、電阻等組成匹配電路。根據(jù)實(shí)際的閱讀機(jī)具裝配情況，天線尺寸大小需要調(diào)節(jié)，形狀有方形天線和環(huán)形天線，需要與身份證件參數(shù)匹配，使身份證件能夠耦合到充足的能量以滿足閱讀距離（裝配空間）的要求，并把身份證件響應(yīng)的數(shù)據(jù)接收回來，另一方面又要與讀卡芯片接收電路匹配，使其正常穩(wěn)定的工作。相關(guān)線圈尺寸大小、匝數(shù)、匹配的電阻電容需根據(jù)芯片手冊提供的公式計(jì)算，這也是影響輻射騷擾的關(guān)鍵所在。

1.4安全控制模塊

安全控制模塊是閱讀機(jī)具的一個關(guān)鍵組成，因?yàn)樵谏矸葑R別應(yīng)用中，安全是極其重要的。國家對于該模塊用于企業(yè)閱讀機(jī)具的研發(fā)，組裝，銷售都有嚴(yán)格規(guī)定。其是一個獨(dú)立的部分， GA 467《居民身份證驗(yàn)證安全控制模塊接口技術(shù)規(guī)范》對其進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括其外部尺寸，引腳定義、電氣特性、通信方式、數(shù)據(jù)格式，命令及應(yīng)答等，它主要是完成閱讀機(jī)具對身份證信息的讀取傳輸工作。

2　軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是整個系統(tǒng)的主動方，閱讀機(jī)具對身份證的讀取動作應(yīng)由應(yīng)用軟件來控制，閱讀機(jī)具本身的嵌入式軟件配合工作。嵌入式軟件在閱讀機(jī)具上電后，會檢測安全控制模塊的在位情況，若在位則開啟天線。此時用戶打開電腦端軟件或者自助終端操作界面后，相關(guān)的上位機(jī)軟件工作簡易流程如下（以串口為例），上位機(jī)軟件啟動時先打開串口，通訊端口啟動成功后，應(yīng)用軟件就可以啟動讀取身份證件信息的操作了，程序流程圖參見圖5。

軟件先發(fā)送尋卡命令，MCU接到命令后，發(fā)請求指令尋找天線的有效區(qū)域內(nèi)是否有卡。有卡則返回應(yīng)答，MCU接到應(yīng)答后，返回尋卡成功的信息，其他命令的執(zhí)行過程也是如此。用戶在點(diǎn)擊“讀取身份證”的按鈕到身份證信息顯示之間的1 s內(nèi)，其實(shí)在閱讀機(jī)具和身份證之間已經(jīng)出發(fā)生了一系列的通信步驟。

上位機(jī)軟件要做的簡單易用，方便客戶二次開發(fā)后整合到客戶自己的系統(tǒng)中，同時也方便測試。對于讀取身份證ID的操作，部標(biāo)沒有明確的要求，可根據(jù)客戶或測試需求增加相關(guān)接口及測試按鈕。

3　設(shè)計(jì)中的抗EMI措施

硬件設(shè)計(jì)完成后，我們要進(jìn)行電磁兼容干擾的測試，測試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB 9254-2008的A級，其中30 MHz-1 000 MHz的空間輻射騷擾不合格，從測試圖形我們進(jìn)行分析，主要是由于晶振13.56 MHz的倍頻引起。

3.1電源的抗EMI措施

圖5　程序流程圖

在電磁兼容設(shè)計(jì)中，電源是最重要的一個設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，如果電源信號不穩(wěn)定或者有噪聲，對其他單元的影響是至關(guān)重要的，因此我們要保證電源信號的穩(wěn)定與純凈。最初設(shè)計(jì)時并未加入讀卡芯片手冊中推薦的射頻模擬電源與系統(tǒng)電源的隔離濾波設(shè)計(jì)，相關(guān)圖形參見圖6，圖中TVDD為讀卡芯片天線發(fā)射電源腳，5VDC為系統(tǒng)提供的電源。實(shí)際運(yùn)用中將圖6中的電感換成了伍爾特的磁珠。電感其特性不穩(wěn)定，離散分布參數(shù)不確定，主要用于抑制傳導(dǎo)騷擾；磁珠相當(dāng)于帶阻濾波器，比普通的電感有更好的高頻濾波特性，高頻時呈現(xiàn)阻性，主要用于抑制輻射騷擾。

圖6　系統(tǒng)電源與射頻電源間EMC電路

3.2接地抗EMI措施

接地的設(shè)計(jì)也是電磁兼容中筆者考慮的重點(diǎn)，閱讀機(jī)具上分為模擬地和數(shù)字地，最初設(shè)計(jì)是模擬地與數(shù)字地通過電感進(jìn)行連接，主要考慮電感隔離是利用LC諧振（分布電容），對噪聲點(diǎn)有特效，但分布參數(shù)不好控制，容易引起大的地環(huán)路。我們最后采用零歐姆電阻取代電感，零歐姆電阻相當(dāng)于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制。該板初始設(shè)計(jì)時采用的兩層板，受成本控制后期也未改成四層板。于是采取了其他方法，包括刪除多余的不使用的信號，使鋪地面積更大，同時將天線座子加大包地處理，并孤島地刪除，在讀卡芯片發(fā)射部分LC濾波電路處形成一塊較完整的地，減小環(huán)路面積。

3.3軟件控制抗EMI措施

從測試圖形上分析主要是13.56 MHz的晶振產(chǎn)生的諧振，該機(jī)具硬件設(shè)計(jì)已經(jīng)固定了，因此我們通過軟件把發(fā)射功率參數(shù)進(jìn)行調(diào)低，例如：NXP芯片對應(yīng)的參數(shù)是 CwConductance，但是不能影響其使用功能，包括閱讀距離、調(diào)制系數(shù)、身份證兼容性等。

經(jīng)過以上電磁兼容措施后，重新進(jìn)行測試，符合測試標(biāo)準(zhǔn)參見圖7和圖8。

4　結(jié)束語

隨著二代身份證在各個領(lǐng)域應(yīng)用的普及，閱讀機(jī)具開發(fā)項(xiàng)目也得到了廣泛的重視。本文主要以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)論述了閱讀機(jī)具的軟件和硬件的開發(fā)流程，并逐條進(jìn)行說明，在閱讀機(jī)具測試過程中進(jìn)行電磁兼容性測試所涉及到的措施，我們這里也進(jìn)行了分析，對同類系統(tǒng)的研發(fā)具有一定的借鑒意義。

圖7　整改前的空間輻射測試曲線

圖8　整改后的空間輻射測試曲線

［1］ GB 9254，信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法［S］.北京：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局， 2008.

［2］ GA 450，臺式居民身份證閱讀器通用技術(shù)要求［S］.北京：中華人民共和國公安部， 2003.

［3］ GA 467，居民身份證驗(yàn)證安全控制模塊接口技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中華人民共和國公安部， 2004.

吳思雄（1982.9-）女 浙江省麗水人 本科 主要從事電磁兼容的抗干擾技術(shù)研究。

Design of Resident ID Card Reader and EMI Measures

WU Si-xiong1， ZHANG Bin2， TU Li-na2
（1. Zhejiang LEAD Product Technic Co.， Ltd.， Hangzhou 310020；2. Zhejiang Academy of Science & Technology for Inspection & Quarantine， Hangzhou 310020）

The personal information stored in the resident ID card can be read from the chip by the reader machine for centralization of management. This paper mainly discusses the basic hardware and software design principle of the reader machine， and describes the practical experience from our research and development. Finally， the Electromagnetic Interference （EMI） measurement are analyzed and solved.

resident ID card； reader； electromagnetic compatibility； EMI

TB65

A

1004-7204（2016）04-0034-04