二代身份證閱讀機具設計及EMI措施

吳思雄，張 斌，屠黎娜（.浙江立德產品技術有限公司，杭州 3000；.浙江省檢驗檢疫科學技術研究院，杭州 3000）

二代身份證閱讀機具設計及EMI措施

吳思雄1，張 斌2，屠黎娜2
（1.浙江立德產品技術有限公司，杭州 310020；2.浙江省檢驗檢疫科學技術研究院，杭州 310020）

二代身份證內芯片可通過機器閱讀個人身份信息，進行統一管理。主要論述了二代身份證閱讀機具的硬件和軟件設計的基本原理，描述了研發中獲得的實踐經驗。對設計中涉及到電磁兼容問題進行了分析與解決。

二代身份證；閱讀機具；電磁兼容；EMI

引言

二代身份證閱讀機具又稱為身份證讀卡器、身份證識別器。根據《社會公共安全產品認證實施規則》，其規范名稱為居民身份證閱讀機具，以下簡稱閱讀機具。主要功能是讀取身份證中所包含數據信息，鑒別身份證真假，滿足信息交換需要，進行統一管理。電磁兼容性之所以對閱讀機具影響很大，主要是和它的工作方式有關。閱讀機具的工作原理是依靠閱讀機具天線輻射出的13.56 Mhz電磁波，激活二代證內芯片，建立通訊鏈路進行數據交換。閱讀機具本身就是輻射源。如何利用輻射在規定范圍內對二代證進行識別，滿足GA 450《臺式居民身份證閱讀器通用技術要求》中閱讀機具的讀卡距離不小于5 cm的要求，又能達到國家對此類產品的電磁兼容性能的要求，成為本設備需要解決的關鍵問題。本文主要介紹二代身份證閱讀機具的設計原理，以及在設計中涉及到的EMI整改措施。

1　硬件設計

閱讀機具從一張身份證內讀取數據信息，其讀取動作由上位機軟件來控制，閱讀機具本身的嵌入式軟件配合工作，其系統組成參見圖1。閱讀機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。閱讀機具需要與應用軟件進行數據交換，所以閱讀機具應帶有一個RS-232C或USB接口。閱讀機具的組成框圖參見圖2。

1.1射頻電路

圖1　應用系統組成

射頻電路由讀卡芯片及外圍電路組成，其中包括發射電路、接收電路、EMC電路等。發射部分產生13.56 MHz的發射信號，身份證內部線圈吸收其提供的能量；發射部分同時對信號進行ASK調制，把操作信息傳送給身份證件；然后接收并解調來自身份證的BPSK信號。GA 450《臺式居民身份證閱讀器通用技術要求》中對工作頻率、ASK調制系數、編碼方式、天線能量輸出等做了詳細要求。射頻電路中有兩個獨立信號通道，一個用于發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據信息，射頻電路的組成框圖參見圖3。

發射部分的晶振產生13.56 MHz的信號，為提高接收的身份證件信號質量，對晶振的相位穩定性和邊帶噪聲有很高的要求，要求穩定在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），在此將二進制數據以NRZ-L的形式表示出來，讀卡芯片內部的檢波器對振蕩器信號進行ASK調制，調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調制前后的信號如圖4所示，實際使用中，較經濟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算調制系數，各讀卡芯片廠商的測量計算方式需根據其芯片手冊進行相關計算。以NXP芯片為例，調制系數=(ab)/(a+b)，其中a為最大幅值，b為最小幅值，圖4中的調制系數為（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要求》的性能指標要求（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答信號經過檢波并放大，此部分的功能是最大程度地濾除發射器末級的強干擾，并只把身份證的應答信號濾出。對于本系統負載波頻率為847 kHz，負載波調制方式為BPSK。讀卡芯片推薦使用Atmel、NXP的，國內也有廠家有相關讀卡芯片。

1.2控制單元

控制單元是整個系統的核心，由CPU及外圍電路組成，主要功能是與上位機軟件進行通信，并執行軟件發來的命令，控制與身份證件的整個通信過程。為完成這些任務，控制單元采用MCU作為核心部件，比如意法半導體的STM32系列芯片，上位機軟件與閱讀機具之間的數據交換通過RS-232或USB來進行，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。根據實際的閱讀機具裝配情況，天線尺寸大小需要調節，形狀有方形天線和環形天線，需要與身份證件參數匹配，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，并把身份證件響應的數據接收回來，另一方面又要與讀卡芯片接收電路匹配，使其正常穩定的工作。相關線圈尺寸大小、匝數、匹配的電阻電容需根據芯片手冊提供的公式計算，這也是影響輻射騷擾的關鍵所在。

1.4安全控制模塊

安全控制模塊是閱讀機具的一個關鍵組成，因為在身份識別應用中，安全是極其重要的。國家對于該模塊用于企業閱讀機具的研發，組裝，銷售都有嚴格規定。其是一個獨立的部分， GA 467《居民身份證驗證安全控制模塊接口技術規范》對其進行了詳細的介紹，包括其外部尺寸，引腳定義、電氣特性、通信方式、數據格式，命令及應答等，它主要是完成閱讀機具對身份證信息的讀取傳輸工作。

2　軟件設計

上位機軟件是整個系統的主動方，閱讀機具對身份證的讀取動作應由應用軟件來控制，閱讀機具本身的嵌入式軟件配合工作。嵌入式軟件在閱讀機具上電后，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，相關的上位機軟件工作簡易流程如下（以串口為例），上位機軟件啟動時先打開串口，通訊端口啟動成功后，應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。

軟件先發送尋卡命令，MCU接到命令后，發請求指令尋找天線的有效區域內是否有卡。有卡則返回應答，MCU接到應答后，返回尋卡成功的信息，其他命令的執行過程也是如此。用戶在點擊“讀取身份證”的按鈕到身份證信息顯示之間的1 s內，其實在閱讀機具和身份證之間已經出發生了一系列的通信步驟。

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

3　設計中的抗EMI措施

硬件設計完成后，我們要進行電磁兼容干擾的測試，測試標準依據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

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

圖6　系統電源與射頻電源間EMC電路

3.2接地抗EMI措施

接地的設計也是電磁兼容中筆者考慮的重點，閱讀機具上分為模擬地和數字地，最初設計是模擬地與數字地通過電感進行連接，主要考慮電感隔離是利用LC諧振（分布電容），對噪聲點有特效，但分布參數不好控制，容易引起大的地環路。我們最后采用零歐姆電阻取代電感，零歐姆電阻相當于很窄的電流通路，能夠有效地限制環路電流，使噪聲得到抑制。該板初始設計時采用的兩層板，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，在讀卡芯片發射部分LC濾波電路處形成一塊較完整的地，減小環路面積。

3.3軟件控制抗EMI措施

從測試圖形上分析主要是13.56 MHz的晶振產生的諧振，該機具硬件設計已經固定了，因此我們通過軟件把發射功率參數進行調低，例如：NXP芯片對應的參數是 CwConductance，但是不能影響其使用功能，包括閱讀距離、調制系數、身份證兼容性等。

經過以上電磁兼容措施后，重新進行測試，符合測試標準參見圖7和圖8。

4　結束語

隨著二代身份證在各個領域應用的普及，閱讀機具開發項目也得到了廣泛的重視。本文主要以實踐經驗，詳細論述了閱讀機具的軟件和硬件的開發流程，并逐條進行說明，在閱讀機具測試過程中進行電磁兼容性測試所涉及到的措施，我們這里也進行了分析，對同類系統的研發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，信息技術設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量監督檢驗檢疫總局， 2008.

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

［3］ GA 467，居民身份證驗證安全控制模塊接口技術規范［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