智能會議預約終端內置讀卡器性能的改善*

鞏宏博

（上海直真視通科技有限公司，上海 200233）

0 引言

智能會議預約終端在智慧園區中應用廣泛。內置IC讀卡模塊實現了用戶認證和會議預約操作一體化，使得用戶無需在會議室門口分別安裝一塊預約終端和一個IC讀卡器設備，大大提升了用戶的操作體驗感。結合智能一卡通系統，它可以支持用戶的統一和即時認證，支持用戶使用一卡通積分來預約會議室。受限于會議預約終端設備，內置的IC讀卡模塊存在一些技術問題，導致讀卡性能低下，無法體現智能終端的優越性。本文基于一款已經定型量產的全金屬框架的會議預約終端設備，介紹了分析和解決IC讀卡性能的方法。

1 內置IC讀卡器現狀及存在的問題

IC卡又稱微芯片卡。讀卡器在讀卡前先產生一個13.56 MHz的信號，并通過天線將該信號發射出去[1]。IC卡通過內部的LC串聯諧振電路收到該信號，同時持續對電容進行充電。該電容的另一端有一個單向導通的電子泵，可以將電容內的電荷送到另一個電容進行存儲[2]。當所積累的電荷形成的電壓達到2 V時，該儲能電容可以為發射部分的電路提供工作電壓，將IC卡內的數據發射出去。讀卡器通過天線和LC諧振電路接收該信號，完成讀卡操作，如圖1所示。

圖1 IC讀卡原理

智能會議預約終端是一款全金屬框架的設備。設備最上層是全貼合觸控顯示屏，中間的設備鋁合金中框用于固定主板IC讀卡模塊，兩側是占用指示燈條，最下方是鋁合金后蓋[3]。觸控顯示屏、中框結構以及后蓋，形成了一個封閉的金屬屏蔽腔體，對無線信號的發射和接收造成了嚴重影響。在初版工程樣機的測試中，IC卡要緊貼在顯示屏表面，才能讀到卡號，且刷卡不可靠，一般要將IC卡在觸控顯示屏表面小范圍晃動幾下才能讀到，體驗感較差。觸控顯示屏作為外購件是無法進行優化的，只能分析IC讀卡模塊、中框結構和后蓋，以提出改善方案。

1.1 讀卡模塊線圈收發無線信號能力弱

讀卡模塊的諧振及天線原理電路如圖2所示。

圖2 讀卡模塊諧振及天線原理電路

Rant和Lant在形成發射天線的同時，與前置的RC回路組成了諧振電路，用于發射和接收13.56 MHz信號[4]。在IC讀卡時，讀卡線圈平面與IC卡內置線圈平面需保持近似平行覆蓋的狀態。此時，兩個線圈之間的耦合主要體現為磁場耦合[5]。如果兩個線圈的磁場耦合性能不佳，會影響到IC讀卡的性能，這是改善IC讀卡靈敏度的一個方向。

1.2 中框結構對無線發射的遮蔽

中框是鋁合金結構。在樣機設計時，金屬中框結構與線圈天線的面積范圍存在部分重疊，導致天線接收無線信號的能力被削弱，結構如圖3所示。

圖3 智能會議預約終端截面

從圖3可以看出來，重疊的中框結構對電磁場通信有所影響，也影響了磁場在空間中的傳播，進而導致讀卡線圈天線收發效率降低。這是整合設計中考慮不全的地方，需要進行優化調整。

1.3 后蓋結構對無線信號的屏蔽

智能會議預約終端設備的后蓋是基于鋁合金采用CNC工藝一體化成型的，既是設備的安裝面，也是設備4個側面的支撐面，如圖4所示。

從刷卡的操作上來看，磁場要同時穿過讀卡器的線圈天線和IC卡內置的線圈天線，才能在信號發射時，使接收端獲取最大的感應效果。而這種全封閉的金屬后蓋結構，是全部屏蔽了無線信號的通信，導致信號被極大衰減，因此是改善讀卡性能的一個重點。

1.4 無線發射功率不足

在智能會議預約終端樣機設計中使用了MFRC52202HN1。它是一款高度集成的讀寫IC，用于13.56 MHz的非接觸式通信。它的基本參數如表1所示。

考慮到諸多因素影響收發線圈進行無線信號通信的靈敏度，所以在后續優化時需要考慮在不大幅度增加設備功耗的情況下重新選型，以獲得良好的性能。

圖4 智能會議預約終端截面

表1 MFRC52202HN1基本參數

2 讀卡問題解決方案研究

2.1 讀卡問題解決方案分析

智能會議預約終端的刷卡問題，可簡化為兩個線圈之間的耦合問題，也就是說要通過各種方案增加IC卡內部的次級線圈天線上得到的感應電動勢。它的計算公式為：

式中，N是線圈匝數，S是線圈面積，?B/?t是磁通量變化率。要增加讀卡靈敏度，可以從以下幾個方面著手。第一，增加線圈匝數。第二，增加讀卡器線圈和IC卡內置線圈的耦合面積。除了要求智能會議預約終端要在設備上明顯標識刷卡區域以引導用戶正確刷卡外，還要求讀卡器線圈的面積要盡量與IC卡內置線圈的面積靠攏，以使兩個線圈的耦合面積最大化。第三，增加通過線圈的磁通量，以提高單位時間內磁通量的變化率。

2.2 增加線圈匝數

從感應電動勢的計算公式可以看到，增加線圈匝數可以提高感應電動勢的大小。但是，對于讀卡性能改善來說，意義不大。從IC卡線圈電路充能角度來看，需要增加IC卡線圈匝數來提高感應電動勢的大小，但要求用戶已有IC卡改進是不現實的。而從讀卡器線圈獲取IC卡數據的角度來看，需要增加讀卡器線圈的匝數以獲得穩定的數據傳輸性能。所以，增加線圈匝數的方案是不可行的。

2.3 增加線圈耦合面積

事實上，IC卡線圈的面積是固定的，而讀卡線圈的面積相對來說較小。考慮到發射和接收兩個環節，設計要盡量將讀卡線圈的面積調整到接近IC卡線圈面積，以在兩個環節中都獲得最大的有效耦合面積。設計在保持LC諧振參數不變的基礎上，優化線圈的設計。優化前后的PCB設計如圖5和圖6所示。

圖5 優化前線圈設計

圖6 優化后線圈設計

優化前，讀卡器線圈的有效面積是17.2 mm×29.6 mm；優化后，讀卡器的有效面積是24.1 mm×29.6 mm。線圈面積提高了將近40%，對提高讀卡靈敏度來說是一個重大進步。

中框金屬結構遮擋會減小兩個線圈的有效耦合面積。為了避免這個問題，中框結構對涉及到讀卡器線圈有效面積的位置進行了修改，在保持結構強度的前提下，盡可能刪除遮擋部分，如圖7所示。其中，左圖為改善前結構設計，右圖為改善后結構設計。

圖7 中框結構優化示意

2.4 增加通過線圈的磁通量

增加通過線圈的磁通量有3種方案：一是在鋁合金后蓋上的讀卡器線圈的相應位置上增加一些裝飾孔，用于增強磁場通過的效率；二是提高讀卡器天線的發射功率；三是可以在讀卡器線圈上增加鐵氧體材料，以增強磁場強度。對于13.5 MHz的低頻信號來說，IC讀卡線圈面積范圍內2 mm直徑大小的開孔可以讓信號通過，這里不再贅述，重點分析后面兩項。

在無線發射功率問題的闡述中，樣機設計選型的讀卡芯片的最大發射功率只有0.36 W。終端設備整機的設計功率為17 W，芯片最大發射功率增加1 W對于整機功耗影響不大，卻對改善IC讀卡性能非常重要。這樣設計優化后的芯片選型參數如表2所示。

表2 MFRC63002HN基本參數

前面的原理分析中可知，IC讀卡的信號通信主要依靠磁場耦合來完成。通過增加勵磁材料來增強耦合的磁場強度是一個可以嘗試的方向。經過對鐵氧體材料的選型和實測，確定了下面這款鐵氧體材料，如表3所示，并將其通過雙面硅膠完整的黏附在IC讀卡線圈上，如圖8所示。

將上述分析確定的改善方案應用在后續的小批量試產上。經過對25臺設備的逐一測試，IC卡的感應高度可以改善到3～5 mm，且基本上可以較為靈敏地讀取到卡號，驗證了改善方案是成功的。

表3 鐵氧體材料參數

圖8 鐵氧體材料應用

3 內置IC讀卡改善方案的不足

3.1 金屬框架對IC讀卡的影響

從電磁場傳輸理論來看，金屬結構對電磁場的影響非常大。設計之初只考慮了產品的外觀性，對IC讀卡中的無線信號傳輸沒有足夠的重視，導致讀卡性能低下。后續可以在保持外觀性的同時，對中框及后蓋結構進行開模，做成塑料件。一方面可以繼續優化IC讀卡的性能，另一方面可以在量產的時候節省成本。

3.2 讀卡軟件優化的缺失

前面所討論的改善方案都是針對硬件電路及結構設計的改善，沒有考慮對讀卡軟件的優化。現階段，讀卡軟件只是完成一次讀卡的動作，后續可以將軟件調整為連續3次的讀卡動作，以相應地提高成功讀卡的概率。

4 結語

通過對智能會議預約終端內置IC讀卡性能的研究，優化智能會議預約終端的設計，保證了產品按照計劃投入量產。同時，針對一些全金屬結構的無線通信設備，如物聯網關，提供了一種可靠性優化的方案。