非接觸智能卡兼容性測試系統設計

王 豐，劉麗麗

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

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非接觸智能卡兼容性測試系統設計

王 豐，劉麗麗

(北京中電華大電子設計有限責任公司，射頻識別芯片檢測技術北京市重點實驗室，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設計，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的設計實現。該設計為非接觸智能卡兼容性測試積累經驗，以期降低非接觸智能卡產品應用的兼容性風險。

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用于小額支付和身份識別領域。除了使用最為廣泛的交通行業之外，非接觸式應用正推廣至其他行業中。鑒于非接觸智能卡應用的全球性增長，同時考慮到行業應用的多樣性，智能卡設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及應對，希望對非接觸智能卡的測試及智能卡設計起到一定的促進作用。

1 非接觸智能卡應用的介紹

非接觸智能卡應用系統一般由主控機(Host)、非接觸讀寫器(Contactless Reader)、非接觸智能卡(Contactless Card)三部分構成，其基本結構圖1所示。

圖1 非接觸智能卡應用系統基本結構

主控機是應用系統控制管理中心，實現方式可以是PC，或者是信息管理系統的一個子集。讀寫器由MCU、讀寫器芯片以及天線三部分組成。MCU主要負責接收Host發來的指令并負責指令的解釋，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責根據MCU的控制通過高頻14443接口與非接卡通信，實現的功能包括編解碼、加解密以及調制解調等；天線負責射頻信號與電磁波的轉換，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應用中需與種類繁多的讀卡器進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計差異大，導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，而嚴重的兼容性問題將極大地損害其商業利益。因此，如何在產品上市之前盡早發現非接觸智能卡的兼容性問題并減小其兼容性風險就顯得至關重要。對于具體的兼容性測試來說，如何合理設計兼容性測試方案將是其工作重點。

傳統的兼容性測試方法為：選取特定行業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備對非接觸智能卡進行兼容性測試。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，其設計的智能卡芯片的目標應用行業廣泛，幾乎涵蓋了所有智能卡應用領域，如交通、金融、社保等主要行業，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險。

(2)在整個非接觸智能卡產品開發周期內，智能卡的測試周期可以占到產品開發周期的一半以上，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上百種。這種窮舉讀卡器的兼容性測試方法會導致智能卡的測試周期不斷延長，從而產生智能卡芯片產品開發周期不斷延長，錯過上市時機的風險。

基于上述問題，在智能卡芯片開發及測試過程中，如何進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、解調讀卡器調制的指令或數據階段，根據指令完成相應操作階段和調制返回數據發送給讀卡器階段。

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、數據解調失效、功耗波動失效和返回數據調制失效。根據這4種兼容性失效模式的產生機理，模擬失效產生條件進行響應的兼容性測試。

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生電磁場，智能卡天線通過與讀卡器天線耦合感應獲取足夠智能卡芯片工作的能量。由如下磁場強度計算公式[1]可見讀卡器空間上的場強與讀卡器和卡片的相對距離成反比。

式中N為線圈匝數，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，如出現不能工作或工作不穩定即出現兼容性失效。此時失效問題主要體現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險越小。該模型也將在其他失效模式分析中使用。

3.2 數據解調失效模式

非接觸智能卡通過天線耦合獲取讀卡器調制的信號，并通過解調解碼電路獲得命令或數據。ISO-14443協議[2]規定了讀卡器發送數據的調制方式，如圖3所示。

圖3 非接觸讀卡器調制波形圖

數據解調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信號獲得指令或數據，主要體現為非接觸智能卡對讀卡器發送的t1、t2、t3、過沖、調制深度等參數的組合取值的調制信號的解調能力不足，導致出現數據解調失效。ISO-14443協議[1]規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

(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為讀卡器發送的指令或數據，并做出不正確的響應，也是通常所說的智能卡抗干擾能力不足，導致數據解調失效。

3.3 功耗波動失效模式

非接觸智能卡根據接收到的命令或數據進行指定操作，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行調制。當該調制與智能卡調制返回數據的周期接近時可能導致讀卡器出現誤識別，從而出現功耗波動失效。圖4為智能卡功耗波動在某讀卡器上被誤解調，圓圈為功耗波動導致讀卡器誤解調區間，方框為實際卡片返回數據調制區間。

圖4 功耗波動引起誤解調波形圖

3.4 返回數據調制失效模式

非接觸智能卡完成指定操作后對返回數據進行調制供讀卡器解調接收。該調制信號的關鍵點為智能卡所調制的包絡幅度，ISO-14443協議僅對調制信號的最小幅度有要求，而通過對實際出現的兼容性失效問題分析發現，某些讀卡器對最大信號也有一定要求。因此，智能卡返回數據的調制幅度應需否滿足所有讀卡器的要求。

根據以上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生條件的兼容性測試系統對非接觸智能卡進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險點。

4 兼容性測試系統實現

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

該測試系統主要由3部分組成：PC及其測試軟件、非接觸自動測試機械臂、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的控制，首先控制測試機械臂實現智能卡與讀卡器的相對空間移動以模擬實際應用中可能存在的全部耦合方式，并配置測試讀卡器發射的射頻場強、干擾信號、調制/解調等參數，然后控制測試讀卡器與智能卡進行通信，最后通過判斷讀卡器接收到的智能卡響應是否正確來判斷是否通過本次兼容性測試。

自動測試機械臂為該兼容性測試系統的機械控制部分，主要完成智能卡與讀卡器的相對位置的設置，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生條件的功能：可變射頻場強載波輸出、可變調制信號輸出、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構框圖

該非接觸兼容性測試讀卡器由讀卡器主控器、射頻芯片CIE72D01、數控電源模塊、功率放大器、天線及天線匹配網絡組成。

讀卡器主控器控制數控電源模塊輸出可變電壓值，該數控電源為功率放大器供電，由于功率放大器對射頻芯片CIE72D01輸出的射頻場進行功率放大，因此實現對射頻場強的可變增益放大。該兼容性讀卡器的輸出場強范圍為0～12 A/M，大于ISO-14443協議規定的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生條件，即可進行能量獲取失效模式的兼容性測試。

天線網絡是影響輸出調制信號的關鍵模塊，通過調整天線網絡即可達到調整調制信號t1、t2、t3、t4、過沖、調制深度等參數的目的。天線匹配網絡原理圖如圖6所示。

圖6 測試讀卡器天線匹配網絡原理圖

電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility, EMC)網絡為低通濾波器，通過改變其諧振頻率即可達到調整過沖的目的；通過改變匹配網絡C1、C2的參數并配合調整射頻芯片的調制寬度參數即可達到調整t1、t2、t3、t4的目的；調整射頻芯片CIE72D01的發射管參數即可達到調整調制深度的目的。

使用上述調整方法可模擬數據解調失效模式第1種情況可能的全部產生條件。

測試讀卡器通過配置噪聲信號的調制寬度、調制深度、噪聲數量及產生位置等參數，并疊加到正常發送數據時序中，如圖7所示。可模擬數據解調失效模式第2種情況可能的全部產生條件。

圖7 正常調制數據前后疊加噪聲信號圖

該測試讀卡器進行數據解調失效模式全部的兼容性測試。

該非接觸測試讀卡器通過調整射頻芯片CIE72D01接收解調能力強弱參數即可實現對智能卡功耗波動失效模式及返回數據調制失效模式的兼容性測試。

本文所設計實現的兼容性測試系統可以通過配置或調整該測試讀卡器的參數，模擬全部可能的兼容性失效模式產生條件，并調度讀卡器配合自動測試機械臂實現全自動兼容性測試。

5 結論

本文通過對非接觸智能卡實際應用進行分析，總結出讀卡器的4種兼容性失效模式，提出了一種模擬失效模式產生條件對非接觸智能卡進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，并設計實現了一套非接觸智能卡兼容性自動測試系統，可有效提高測試效率。該非接觸智能卡測試方法及系統的設計已解決原有兼容性測試問題，并能有效降低智能卡產品的兼容性風險，為智能卡產品更好、更快地面世打下堅實基礎。

[1] FINKENZELLER K.射頻識別技術(第3版)[M]. 吳曉峰，陳大才，譯.北京：電子工業出版社，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設計[J].微型機與應用，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備設計。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備設計。