非接觸智能卡兼容性測試系統(tǒng)設(shè)計

王 豐，劉麗麗

(北京中電華大電子設(shè)計有限責(zé)任公司，射頻識別芯片檢測技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102209)

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非接觸智能卡兼容性測試系統(tǒng)設(shè)計

王 豐，劉麗麗

(北京中電華大電子設(shè)計有限責(zé)任公司，射頻識別芯片檢測技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102209)

主要介紹了非接觸智能卡兼容性測試方法及測試系統(tǒng)設(shè)計，重點闡述非接觸智能卡兼容性測試存在的問題，并針對問題提出兼容性測試方法及兼容性測試系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)。該設(shè)計為非接觸智能卡兼容性測試積累經(jīng)驗，以期降低非接觸智能卡產(chǎn)品應(yīng)用的兼容性風(fēng)險。

非接觸智能卡；兼容性測試；非接觸讀卡器

0 引言

近年來，非接觸式智能卡已越來越多地應(yīng)用于小額支付和身份識別領(lǐng)域。除了使用最為廣泛的交通行業(yè)之外，非接觸式應(yīng)用正推廣至其他行業(yè)中。鑒于非接觸智能卡應(yīng)用的全球性增長，同時考慮到行業(yè)應(yīng)用的多樣性，智能卡設(shè)計滿足與不同讀卡器終端的兼容性需求成了不可回避的問題，隨之而來的兼容性測試也成為一項極富挑戰(zhàn)性的工作。本文將討論非接觸智能卡兼容性測試中面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對，希望對非接觸智能卡的測試及智能卡設(shè)計起到一定的促進(jìn)作用。

1 非接觸智能卡應(yīng)用的介紹

非接觸智能卡應(yīng)用系統(tǒng)一般由主控機(jī)(Host)、非接觸讀寫器(Contactless Reader)、非接觸智能卡(Contactless Card)三部分構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)圖1所示。

圖1 非接觸智能卡應(yīng)用系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

主控機(jī)是應(yīng)用系統(tǒng)控制管理中心，實現(xiàn)方式可以是PC，或者是信息管理系統(tǒng)的一個子集。讀寫器由MCU、讀寫器芯片以及天線三部分組成。MCU主要負(fù)責(zé)接收Host發(fā)來的指令并負(fù)責(zé)指令的解釋，控制Reader IC完成對卡的操作以及模塊本身的管理；非接卡讀寫器芯片負(fù)責(zé)根據(jù)MCU的控制通過高頻14443接口與非接卡通信，實現(xiàn)的功能包括編解碼、加解密以及調(diào)制解調(diào)等；天線負(fù)責(zé)射頻信號與電磁波的轉(zhuǎn)換，完成能量和信號傳送及信號接收。

2 兼容性測試存在的問題

通常，非接觸智能卡在各個行業(yè)應(yīng)用中需與種類繁多的讀卡器進(jìn)行非接觸通信完成交易，但也正是由于這些種類繁多的讀卡器設(shè)計差異大，導(dǎo)致智能卡與讀卡器可能存在兼容性問題。對于智能卡廠商來說，如何提升用戶體驗，減少兼容性問題是其急需解決的問題，而嚴(yán)重的兼容性問題將極大地?fù)p害其商業(yè)利益。因此，如何在產(chǎn)品上市之前盡早發(fā)現(xiàn)非接觸智能卡的兼容性問題并減小其兼容性風(fēng)險就顯得至關(guān)重要。對于具體的兼容性測試來說，如何合理設(shè)計兼容性測試方案將是其工作重點。

傳統(tǒng)的兼容性測試方法為：選取特定行業(yè)的市場占有率較高的幾款讀卡器，然后使用這些讀卡器作為測試設(shè)備對非接觸智能卡進(jìn)行兼容性測試。但該種測試方法存在如下問題：

(1)對于非接觸智能卡芯片廠商來說，其設(shè)計的智能卡芯片的目標(biāo)應(yīng)用行業(yè)廣泛，幾乎涵蓋了所有智能卡應(yīng)用領(lǐng)域，如交通、金融、社保等主要行業(yè)，而實際存在兼容性問題的讀卡器可能正是市場占有率相對較小的產(chǎn)品，因此僅選擇市場占有率較高的幾款讀卡器將不能滿足兼容性測試要求，存在測試不充分的風(fēng)險。

(2)在整個非接觸智能卡產(chǎn)品開發(fā)周期內(nèi)，智能卡的測試周期可以占到產(chǎn)品開發(fā)周期的一半以上，為了確保不存在兼容性問題，將需要窮舉所有讀卡器，但這樣所需兼容性測試的讀卡器種類將多達(dá)上百種。這種窮舉讀卡器的兼容性測試方法會導(dǎo)致智能卡的測試周期不斷延長，從而產(chǎn)生智能卡芯片產(chǎn)品開發(fā)周期不斷延長，錯過上市時機(jī)的風(fēng)險。

基于上述問題，在智能卡芯片開發(fā)及測試過程中，如何進(jìn)行合理有效的兼容性測試將是我們面臨的最大難題。

3 兼容性測試方法研究

非接觸智能卡的基本工作流程包括以下4個階段：智能卡從非接觸讀卡器發(fā)射的13.56 MHz的射頻場中獲取足夠智能卡工作能量的階段、解調(diào)讀卡器調(diào)制的指令或數(shù)據(jù)階段，根據(jù)指令完成相應(yīng)操作階段和調(diào)制返回數(shù)據(jù)發(fā)送給讀卡器階段。

上述智能卡的基本工作階段存在4種兼容性失效模式：能量獲取失效、數(shù)據(jù)解調(diào)失效、功耗波動失效和返回數(shù)據(jù)調(diào)制失效。根據(jù)這4種兼容性失效模式的產(chǎn)生機(jī)理，模擬失效產(chǎn)生條件進(jìn)行響應(yīng)的兼容性測試。

3.1 能量獲取失效模式

非接觸智能卡通過天線耦合獲得讀卡器天線發(fā)送的載波能量，獲取原理為：非接觸讀卡器生成13.56 MHz正弦波信號并通過讀卡器的天線線圈產(chǎn)生電磁場，智能卡天線通過與讀卡器天線耦合感應(yīng)獲取足夠智能卡芯片工作的能量。由如下磁場強(qiáng)度計算公式[1]可見讀卡器空間上的場強(qiáng)與讀卡器和卡片的相對距離成反比。

式中N為線圈匝數(shù)，R為圓形線圈半徑，x為沿x方向與線圈中心的距離。

圖2 三維空間耦合模型圖

實際應(yīng)用中非接觸智能卡需在讀卡器的工作空間上獲得足夠其工作的能量，如出現(xiàn)不能工作或工作不穩(wěn)定即出現(xiàn)兼容性失效。此時失效問題主要體現(xiàn)為智能卡是否可以在任一讀卡器的任一工作位置上獲得足夠其穩(wěn)定工作的能量。讀卡器的工作位置為三維空間耦合模型，如圖2所示。

圖2為可能的非接觸智能卡與讀卡器的空間耦合模型，該模型越大意味著可能的兼容性風(fēng)險越小。該模型也將在其他失效模式分析中使用。

3.2 數(shù)據(jù)解調(diào)失效模式

非接觸智能卡通過天線耦合獲取讀卡器調(diào)制的信號，并通過解調(diào)解碼電路獲得命令或數(shù)據(jù)。ISO-14443協(xié)議[2]規(guī)定了讀卡器發(fā)送數(shù)據(jù)的調(diào)制方式，如圖3所示。

圖3 非接觸讀卡器調(diào)制波形圖

數(shù)據(jù)解調(diào)失效模式主要存在以下兩種情況：

(1)非接觸智能卡不能正確解調(diào)信號獲得指令或數(shù)據(jù)，主要體現(xiàn)為非接觸智能卡對讀卡器發(fā)送的t1、t2、t3、過沖、調(diào)制深度等參數(shù)的組合取值的調(diào)制信號的解調(diào)能力不足，導(dǎo)致出現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)失效。ISO-14443協(xié)議[1]規(guī)定了智能卡需滿足的時序條件，實際需要大于表1所示的最大最小條件。

表1 智能卡時序參數(shù)

(2)非接觸智能卡在接收信號期間把射頻場上的噪聲信號誤解調(diào)為讀卡器發(fā)送的指令或數(shù)據(jù)，并做出不正確的響應(yīng)，也是通常所說的智能卡抗干擾能力不足，導(dǎo)致數(shù)據(jù)解調(diào)失效。

3.3 功耗波動失效模式

非接觸智能卡根據(jù)接收到的命令或數(shù)據(jù)進(jìn)行指定操作，而在操作過程中，智能卡本身存在功耗波動，該波動會對射頻場進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)該調(diào)制與智能卡調(diào)制返回數(shù)據(jù)的周期接近時可能導(dǎo)致讀卡器出現(xiàn)誤識別，從而出現(xiàn)功耗波動失效。圖4為智能卡功耗波動在某讀卡器上被誤解調(diào)，圓圈為功耗波動導(dǎo)致讀卡器誤解調(diào)區(qū)間，方框為實際卡片返回數(shù)據(jù)調(diào)制區(qū)間。

圖4 功耗波動引起誤解調(diào)波形圖

3.4 返回數(shù)據(jù)調(diào)制失效模式

非接觸智能卡完成指定操作后對返回數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制供讀卡器解調(diào)接收。該調(diào)制信號的關(guān)鍵點為智能卡所調(diào)制的包絡(luò)幅度，ISO-14443協(xié)議僅對調(diào)制信號的最小幅度有要求，而通過對實際出現(xiàn)的兼容性失效問題分析發(fā)現(xiàn)，某些讀卡器對最大信號也有一定要求。因此，智能卡返回數(shù)據(jù)的調(diào)制幅度應(yīng)需否滿足所有讀卡器的要求。

根據(jù)以上4種兼容性失效模式的分析及原有兼容性測試方法存在的問題，提出一種兼容性測試方法，該方法使用可以模擬所有兼容性失效模式產(chǎn)生條件的兼容性測試系統(tǒng)對非接觸智能卡進(jìn)行全面的兼容性測試，并評估出被測試智能卡存在的兼容性風(fēng)險點。

4 兼容性測試系統(tǒng)實現(xiàn)

為了模擬非接觸智能卡所有兼容性失效模式產(chǎn)生條件，本文設(shè)計了一種非接觸智能卡兼容性測試系統(tǒng)。

該測試系統(tǒng)主要由3部分組成：PC及其測試軟件、非接觸自動測試機(jī)械臂、非接觸兼容性測試讀卡器。

PC及其測試軟件主要完成測試系統(tǒng)的控制，首先控制測試機(jī)械臂實現(xiàn)智能卡與讀卡器的相對空間移動以模擬實際應(yīng)用中可能存在的全部耦合方式，并配置測試讀卡器發(fā)射的射頻場強(qiáng)、干擾信號、調(diào)制/解調(diào)等參數(shù)，然后控制測試讀卡器與智能卡進(jìn)行通信，最后通過判斷讀卡器接收到的智能卡響應(yīng)是否正確來判斷是否通過本次兼容性測試。

自動測試機(jī)械臂為該兼容性測試系統(tǒng)的機(jī)械控制部分，主要完成智能卡與讀卡器的相對位置的設(shè)置，配合測試讀卡器完成全自動兼容性測試。

兼容性測試讀卡器為該測試系統(tǒng)的核心，其除了具有商用讀卡器的全部功能外，還具有模擬兼容性失效模式產(chǎn)生條件的功能：可變射頻場強(qiáng)載波輸出、可變調(diào)制信號輸出、可編程噪聲輸出。該讀卡器的電路框圖如圖5所示。

圖5 非接觸兼容性測試讀卡器結(jié)構(gòu)框圖

該非接觸兼容性測試讀卡器由讀卡器主控器、射頻芯片CIE72D01、數(shù)控電源模塊、功率放大器、天線及天線匹配網(wǎng)絡(luò)組成。

讀卡器主控器控制數(shù)控電源模塊輸出可變電壓值，該數(shù)控電源為功率放大器供電，由于功率放大器對射頻芯片CIE72D01輸出的射頻場進(jìn)行功率放大，因此實現(xiàn)對射頻場強(qiáng)的可變增益放大。該兼容性讀卡器的輸出場強(qiáng)范圍為0～12 A/M，大于ISO-14443協(xié)議規(guī)定的1.5～7.5 A/M范圍，可以模擬全部能量獲取失效模式的所有產(chǎn)生條件，即可進(jìn)行能量獲取失效模式的兼容性測試。

天線網(wǎng)絡(luò)是影響輸出調(diào)制信號的關(guān)鍵模塊，通過調(diào)整天線網(wǎng)絡(luò)即可達(dá)到調(diào)整調(diào)制信號t1、t2、t3、t4、過沖、調(diào)制深度等參數(shù)的目的。天線匹配網(wǎng)絡(luò)原理圖如圖6所示。

圖6 測試讀卡器天線匹配網(wǎng)絡(luò)原理圖

電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility, EMC)網(wǎng)絡(luò)為低通濾波器，通過改變其諧振頻率即可達(dá)到調(diào)整過沖的目的；通過改變匹配網(wǎng)絡(luò)C1、C2的參數(shù)并配合調(diào)整射頻芯片的調(diào)制寬度參數(shù)即可達(dá)到調(diào)整t1、t2、t3、t4的目的；調(diào)整射頻芯片CIE72D01的發(fā)射管參數(shù)即可達(dá)到調(diào)整調(diào)制深度的目的。

使用上述調(diào)整方法可模擬數(shù)據(jù)解調(diào)失效模式第1種情況可能的全部產(chǎn)生條件。

測試讀卡器通過配置噪聲信號的調(diào)制寬度、調(diào)制深度、噪聲數(shù)量及產(chǎn)生位置等參數(shù)，并疊加到正常發(fā)送數(shù)據(jù)時序中，如圖7所示?？赡M數(shù)據(jù)解調(diào)失效模式第2種情況可能的全部產(chǎn)生條件。

圖7 正常調(diào)制數(shù)據(jù)前后疊加噪聲信號圖

該測試讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)失效模式全部的兼容性測試。

該非接觸測試讀卡器通過調(diào)整射頻芯片CIE72D01接收解調(diào)能力強(qiáng)弱參數(shù)即可實現(xiàn)對智能卡功耗波動失效模式及返回數(shù)據(jù)調(diào)制失效模式的兼容性測試。

本文所設(shè)計實現(xiàn)的兼容性測試系統(tǒng)可以通過配置或調(diào)整該測試讀卡器的參數(shù)，模擬全部可能的兼容性失效模式產(chǎn)生條件，并調(diào)度讀卡器配合自動測試機(jī)械臂實現(xiàn)全自動兼容性測試。

5 結(jié)論

本文通過對非接觸智能卡實際應(yīng)用進(jìn)行分析，總結(jié)出讀卡器的4種兼容性失效模式，提出了一種模擬失效模式產(chǎn)生條件對非接觸智能卡進(jìn)行兼容性測試的方法，該方法避免窮舉測試覆蓋率低的問題，并設(shè)計實現(xiàn)了一套非接觸智能卡兼容性自動測試系統(tǒng)，可有效提高測試效率。該非接觸智能卡測試方法及系統(tǒng)的設(shè)計已解決原有兼容性測試問題，并能有效降低智能卡產(chǎn)品的兼容性風(fēng)險，為智能卡產(chǎn)品更好、更快地面世打下堅實基礎(chǔ)。

[1] FINKENZELLER K.射頻識別技術(shù)(第3版)[M]. 吳曉峰，陳大才，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] P and L-Members of ISO/IEC JTC1/SC17 JTC1 SecretariatISO/IEC ITTF. ISO/IEC14443-2-identification cards-contactless integrated circuit(s) cards-proximity cards-part 2:Radio frequency power and signal interface[S]. 2016.

Design of contactless smart card compatibility test system

Wang Feng, Liu Lili

(Beijing Key Laboratory of RFID Chip Test Technology, CEC Huada Electronic Design Co.,Ltd., Beijing 102209, China)

This paper mainly introduced the method and design of contactless smartcard compatibility test system. As the purpose of this paper, we will mainly discuss the problem of thecontactless smartcard compatibility test, and put a contactless compatibility solution and design to the current problem.We gather experiences for the compatibility test of the contactless smartcard, and hope these experiences can reduce compatibility risk occur of the smartcard products.

contactless smart card; compatibility; contactless reader

TP393.08

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.020

王豐，劉麗麗.非接觸智能卡兼容性測試系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(14)：64-67.

2017-01-23)

王豐(1982-)，通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：IC測試方法研究及測試設(shè)備設(shè)計。E-mail：wangfeng88530@163.com。

劉麗麗(1977-)，女，碩士，高級工程師，主要研究方向：IC測試方法研究及測試設(shè)備設(shè)計。