基于射頻卡芯片AT88SC6416CRF設計的門診電子病歷

    摘要：介紹了一套基于AT88SC6416CRF開發(fā)醫(yī)院門診電子病歷的射頻識別系統(tǒng)設計方法。該系統(tǒng)既能方便安全地記錄門診病人相關的各種就診信息，又能確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性，完全可以滿足門診電子病歷的基本要求。

    關鍵詞：射頻識別系統(tǒng)?電子病歷?AT88SC6416CRF

１ 引言

射頻卡（簡稱ＲＦ卡）是一種新式非接觸ＩＣ卡，具有使用壽命長、對讀寫設備（ＰＣＤ）無物理磨損、不存在因接觸而引起病菌交叉?zhèn)魅镜葍?yōu)點，所以特別適用于在醫(yī)院這種特殊場所進行信息儲存。ＲＦ卡的關鍵部分為鑲嵌在卡片內(nèi)部的ＲＦ芯片，下面以ＡＴ-ＭＥＬ公司的ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ射頻卡芯片為例來討論其在門診電子病歷中的應用。

２　芯片簡介

ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ射頻卡芯片在出廠時已被做成封裝好的微型模塊，其體積僅為５．０６×８．００×０．３８ｍｍ３。內(nèi)部帶有６４ｋＢ的用戶ＥＥＰＲＯＭ和２ｋＢ的系統(tǒng)ＥＥＰＲＯＭ，遵循ＩＳＯ１４４４３ Ｂ標準，使用１３．５６ＭＨｚ頻段，內(nèi)設防重疊系統(tǒng)，可支持多卡同時使用。該器件采用３組６４位長、相互加密校驗的密鑰和密碼對，能重復寫１００?０００次以上，數(shù)據(jù)可保持１０年，并可抵抗各種惡劣的使用環(huán)境，溫度使用范圍為－４０～＋８５℃。ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ采用開放式結構，具有良好的兼容性，允許用戶自行選擇讀卡設備同時與常用的ＰＨＩＬＩＰＳ公司的ＭＣ５３１兼容，而且價格低廉，每個芯片售價不到７元人民幣。

３　內(nèi)部結構

ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ射頻卡芯片內(nèi)部分為ＲＦ射頻接口電路和其它數(shù)字電路兩大部分，其功能組成框圖如圖１所示。

３．１ 系統(tǒng)配置區(qū)結構

ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ內(nèi)有大小為２．０４８ｂｉｔ的ＥＥＰ-ＲＯＭ單元，稱為系統(tǒng)配置區(qū)，專門用于存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如密碼、數(shù)據(jù)編碼方式和用戶內(nèi)存中每個扇區(qū)的安全級別定義等。對配置區(qū)的操作可通過安全熔絲技術對卡的配置區(qū)等特定部分的編程寫入進行控制。該類操作只能由系統(tǒng)開發(fā)者以規(guī)定的控制時序邏輯來完成，普通的最終用戶?如電子病歷卡的使用者?無法改變其中的信息。

３．２ 用戶區(qū)內(nèi)存結構

ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ給用戶提供有８１９２個字節(jié)?６４ｋＢ?的ＥＥＰＲＯＭ存儲容量，整個用戶內(nèi)存劃分為１６個扇區(qū)，編號為扇區(qū)０～扇區(qū)１５。每個扇區(qū)有１６個頁（ｐａｇｅ），每個頁的長度為３２個字節(jié)，這樣，一個扇區(qū)共有３２Ｂｙｔｅ×１６＝５１２Ｂｙｔｅ。用戶區(qū)內(nèi)存具體的分配結構如表１所列。

表1 用戶EEPROM具體分配結構

３．３ 用戶區(qū)內(nèi)存的存取

在讀卡器（即ＰＣＤ）對ＲＦ卡進行配置時，將會加載安全認證協(xié)議，并對每一次讀／寫操作的當前密碼進行雙向校驗，同時用此安全認證機制來驗證數(shù)據(jù)的正確性。為了保證每個用戶扇區(qū)的數(shù)據(jù)安全，每個用戶扇區(qū)可以配置成自由讀／寫數(shù)據(jù)，或者設置操作密碼。各個不同的用戶扇區(qū)可以設置自己互不相同的密碼。ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ芯片內(nèi)部設有特殊計數(shù)器，同時可以限定嘗試密碼的次數(shù)，還可以有效地抵抗外界暴力破解密碼的攻擊。具體的安全認證過程如圖２所示。

在ＲＦ卡和識別系統(tǒng)建立起信任關系前，首先應將自己的卡號送給識別系統(tǒng)，以使識別系統(tǒng)計算出一個驗明身份的Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ Ａ，并將它送給ＲＦ卡進行校驗。ＲＦ卡接著計算驗明身份的Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ Ｂ，同時將它送回給識別系統(tǒng)進行校驗。完成第一次雙向校驗后，識別系統(tǒng)開始讀取密碼，并由ＲＦ卡對讀取的該密碼進行檢查，檢查通過后，將發(fā)送檢驗用的Ｃｈｅｃｋｓｕｍ和數(shù)據(jù)給識別系統(tǒng)，以便由識別系統(tǒng)對Ｃｈｅｃｋｓｕｍ進行校驗。完成上面的第二步雙向校驗后，識別系統(tǒng)將寫密碼、數(shù)據(jù)和Ｃｈｅｃｋｓｕｍ送給ＲＦ卡，再由ＲＦ卡對Ｃｈｅｃｋｓｕｍ進行校驗。完成這第三步雙向校驗后，雙方即可建立起信任關系，同時識別系統(tǒng)即可對ＲＦ卡執(zhí)行讀／寫操作。

在用戶卡與識別系統(tǒng)進行初始化系統(tǒng)配置區(qū)時，應當將不同類型的數(shù)據(jù)存儲在不同的區(qū)域(即存儲在多扇區(qū)的結構內(nèi))，而且只有在分別進行了安全認證后，才能進行存取操作；實際上，也可以給多個扇區(qū)選擇同樣的安全模式，以便把這些扇區(qū)當作一塊整體存儲區(qū)域來操作。這種特點為該卡的使用帶來了極大的靈活性。

４　工作原理

筆者設計的這種射頻識別系統(tǒng)是由鑲嵌有ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ以及天線的用戶卡片（ＰＩＣＣ）和讀寫ＰＩＣＣ的ＰＣＤ系統(tǒng)共兩部分組成。其中ＰＣＤ有兩種構成方法，第一種是用現(xiàn)成的ＩＳＯ１４４４３ Ｂ讀寫ＯＥＭ模塊，它帶有與ＰＣ機可以直接相連的接口，因而可以方便地實現(xiàn)對ＰＩＣＣ的操作；第二種方法是只使用專用芯片ＲＦ５３１，它可與ＭＣＵ（如ＡＴ８９Ｃ５２）一起構成ＰＣＤ，該種方法比較復雜，但由于是從底層做起，靈活程度高，成本也較低。本文具體討論后者，其電路主要結構如圖３所示。

這種方法構成的整個射頻識別系統(tǒng)的基本原理是：根據(jù)ＩＳＯ １４４４３－２規(guī)定的要求，用ＰＣＤ來產(chǎn)生通信的射頻場，其工作場頻為１３．５６ＭＨｚ，該射頻場主要通過發(fā)射天線給作用范圍（１０ｃｍ）內(nèi)的ＰＩＣＣ傳送功率。首先由ＰＣＤ向ＰＩＣＣ發(fā)一組固定頻率的電磁波，在電磁場的激勵下，ＲＦ芯片內(nèi)的ＬＣ串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷。在這個電容的另一端接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖?，它可以將電荷送到另一個電容內(nèi)并儲存，當所積累的電荷達到規(guī)定的電壓值時，此電容可作為電源對卡內(nèi)其他部分的電路提供工作電壓，同時將ＲＦ芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收ＰＣＤ的數(shù)據(jù)。

ＰＩＣＣ和ＰＣＤ之間的雙向通信遵循ＩＳＯ１４４４３－２通信標準，主要的通信參數(shù)有位持續(xù)時間、二進制相移鍵控、調(diào)制系數(shù)、不歸零ＮＲＺ－Ｌ位編碼方式和副載波。雙方具體的識別和對話過程如下：ＰＣＤ的射頻工作場激活→ＰＩＣＣ靜待來自ＰＣＤ的命令→ＰＣＤ命令的傳送→ＰＩＣＣ響應的傳送。

實現(xiàn)整個系統(tǒng)的設計程序代碼比較復雜，限于篇幅，本文將不一一列舉，有興趣者，可以參考其它有關文獻。

５　典型應用

鑒于ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ的特點和醫(yī)院信息化的需要，筆者已將該芯片組成的ＰＩＣＣ（便攜式門診病人病歷卡）運用到日常的醫(yī)療活動中。由于該款ＲＦ芯片具有６４ｋＢ容量的用戶ＥＥＰＲＯＭ，因此，根據(jù)其自身特點?可以將其全部作為一個大的存儲單元?考慮到加密和校驗位的開銷，每個漢字用２０ｂｉｔ，其容量足可存儲３２７６個漢字，可完全滿足記錄患者門診病歷的需要，從而方便用來存儲病人的姓名、性別、年齡、藥物過敏史、醫(yī)療保險ＩＤ號、每次就診記錄和輔助檢查結果等文本信息。有了該電子病歷，病人就診時只要在掛號處通過一定流程，（具體為：ＰＣＤ讀卡→打印出處方單→在醫(yī)生處通過ＰＣＤ調(diào)入以往病歷記錄→診療活動結束→）就可以將本次就診信息（包括輔助檢查結果）記入電子病歷以完成診視過程。醫(yī)院使用該系統(tǒng)時，只要在現(xiàn)有的醫(yī)院管理信息系統(tǒng)的基礎上，再在掛號處和門診部的每個工作站增加一個ＰＣＤ，而不需要很多的資金投入，就可以輕松的實現(xiàn)門診病人病歷的無紙化，從而提升醫(yī)院微機應用檔次，更好地適應建設數(shù)字化醫(yī)院的時代要求。