远距离非接触智能IC卡管理系统

2006-10-17 15:34:04来源: 单片机与嵌入式系统ic网
1 引言
  
  目前,全球IC(Integrated Circuit)卡产业发展非常迅速,非接触IC卡是世界上近几年发展起来的一项IC卡新技术,它将无线通信识别技术、微电子技术和计算机技术结合起来,解决了无源和非接触读取数据的技术难题,非接触IC卡已在企业人员考勤管理、会议安全管理、道路交通安全管理、物流管理自动化及物品识别等领域中得到应用,但目前的非接触IC卡管理系统读写距离小,致使人员拥挤、物流漏检、效率较低,而远距离非接触智能IC卡管理系统将大大改变这一现象,它具有可靠性高、操作方便、实时性强、加密性能好等优点,因此应用前景非常好,市场需求非常大。
  
  国内目前远距离非接触智能IC卡的有效读写距离一般在30cm以内,其应用范围受到极大的限制,而我们开发的远距离非接触智能IC卡管理系统,其有效读写距离达到100~150cm,非接触智能IC卡管理系统中天线是提高有效读写距离最关键的部件,我们受TI(Texas Instruments)公司驻上海办事处,北京国证技术开发公司的委托,已为其非接触智能IC卡管理系统设计生产出适用不同场合、不同需求的专用射频天线。

2 系统组成
  
  远距离非接触智能IC卡管理系统由上位计算机主机、读卡器、射频天线、射频IC卡、串行接口通信线及同轴线组成,其结构如图1所示。典型的射频识别系统由应答器和寻呼器组成,这里的读卡器是寻呼器,IC卡是应答器。

图1非接触IC卡管理系统结构图

3 系统的工作原理

  (1) 数据传输流程
  
  图2是智能IC卡管理系统数据传输流程图。

图2IC卡管理系统数据传输流程图

  智能IC卡管理系统中的主机协议实现了主机与读卡器之间的通信;IC卡协议在射频天线辐射场激活IC卡集成天线范围内实现了读卡器与IC卡之间的通信。通信均为半双工点对点方式,收发共用一个频率。其工作原理为:首先读卡器接到上位机的命令后,由其内部命令控制器完成主机协议解码,其次根据IC卡协议编码由读卡器射频天线向IC卡发射载波频率为13.56MHz的电磁波,在电磁波的激励下,通过电感耦合能量在IC卡集成天线上建立工作电压,并携带IC卡中EEPROM中的信息向外发射电磁波,然后读卡器通过其双工天线收到IC卡的响应信号进行解码,最后按主机协议编码响应上位机,于是便实现了主机、读卡器、IC卡之间的信息传递。

  (2) 数据通信协议
  
  发送端接收端必须遵守相同的协议才能使通信正常工作,该通信协议包括通信参数和数据帧格式。数据帧格式由软件来实现。对于非接触IC卡读卡器,采用异步双工通信方式,其串行口通信参数为:数据传输速率为19200波特/s,数据位8位,停止位1位,无校验,上位计算机与读卡器之间的数据传输的帧格式见表1和表2所示。
  
  如表1和表2可知请求命令帧格式和响应命令帧格式基本上是一样的,只是在第五个字节位置上的块有所不同,请求命令在这个位置上的块是控制位,而响应命令在这个位置上的块是状态位。
  
  从读卡器到IC卡的数据通信是依靠13.56MHz的载波来进行的,因此数据传输率=13.56MHz/128=106kbit/s(其中的128表示每128个振荡表示1个信号),即一位数据所占用的时间周期为9.4μs,采用ASK(Amplitude Sift Keying)10%调幅制、非归零(NRZ)编码方式;
  
  从卡片到读卡器的通信采用负载调制方式,IC卡通过电感耦合与读卡器通信,在IC卡中利用读卡器发射的载波频率生成副载波(频率为fs),副载波在IC卡中用开通/断开负载的方法来实现,副载波频率fs=13.56MHz/16(其中16表示每16个振荡表示1个信号)(约847kHz),IC卡仅在数据传输时产生副载波,副载波采用相移调制方式(PSK)调制和非归零编码方式。

  (3) IC卡集成天线工作原理
  
  非接触IC卡使用射频识别技术,它的电气部分由一个天线和ASIC(Application Specific Integrated Circuit)组成,卡片中的天线是几组绕线线圈,专用集成电路(ASIC)由一个RF射频场收发电路,一个控制单元和一个EEPROM(可用电擦除的可编程只读存储器)组成。

  当IC卡集成天线接收到读卡器的射频天线发射来电磁能量后,由ASIC将其转换成直流电压作为电源为其它电路提供工作电压,从而将EEPROM内的数据发射出去。

  (4) 射频天线
  
  由于非接触智能IC卡管理系统中的IC卡是无源卡,是依靠电感耦合来提供工作电压,因此IC卡发射出来的能量相当微弱,为了有效地接收IC卡发射出来的信号,我们设计一种高信噪比谐振环射频天线来提高读写距离,但环天线效率低,为了保证读卡器的输出功率有效地传输给射频天线,我们采用变压器匹配的方法,使得传输线与天线达到良好的匹配,其等效电路如图3所示,变压器匹配电路主要由平衡与非平衡转换、变压器匹配两部分组成。变压器匹配法中电流相互隔离,由于变压器匹配法中电流相互隔离,表明了射频天线电感线圈与读卡器没有直流连接,因此不需要有良好的接地。

图3变压器匹配等效电路

4 系统的主要特点
  
  远距离非接触智能IC卡管理系统具有许多独特的优点:

  · 可靠性高。由于读写IC卡时无机械接触,可避免由于接触而产生的各种故障,同时我们采用了美国德州仪器公司成熟的产品与技术。

  · 操作方便快捷。非接触智能IC卡管理系统能在其感应天线范围内对卡片进行操作,使用时无方向性,出入人员只需佩戴自己的卡片,在经过安全门时,系统可以记录人员的进出时间,对应人员的资料,从而实现对进出人员进行管理,无需插拔卡,而且读取快速,一次同时读取上百个卡。

  · 加密性能好。IC卡具有良好的安全性,保证数据传输的完整性,不被他人窃取、修改数据,这是因为IC卡的序列号是全球唯一的,制造商在产品出厂前已将此序列号固化在芯片中,不可以更改;同时IC卡与读写器之间在通信安全上均采用符合ISO9798国际标准的三次互感校验技术,即读写器要验证IC 卡的合法性、IC卡也要验证读写器的合法性、IC卡在数据交换前要与读写器进行三次相互认证,而且通信过程中所有数据都加密,以确保卡上的数据不被非法修改。

  · IC卡与自带天线全封闭,表面无裸露芯片,防尘、防水、防静电不怕弯曲。

  · 防冲突。非接触IC卡有快速防冲突机制,能防止卡片之间出现数据干扰,读卡器可对同时进入读写区域的多张卡片依次分别处理。

  · 可扩充性。本系统在系统产品系列、容量与处理能力等方面具有扩充与换代功能,软件是通用的,并能支持二次开发,这种扩充充分保护了原有投资,而且具有较高 的性能价格比。

  · 规范性。本系统是一个综合系统,IC卡和应用系统遵循相关标准和规范,并且遵从该规范的各项技术规定,做好系统的标准化设计与管理工作。

  · 功能完备。具有丰富的统计和报表功能,并支持多种数据接口。

关键字:无线  通信  射频  串行

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/RFID/200610/2301.html
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