非接觸式智能卡監(jiān)聽器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
    智能卡以其使用方便、交易時(shí)間短、安全可靠等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于交通、醫(yī)療、消費(fèi)等領(lǐng)域。智能卡可分為兩大類：接觸式智能卡和非接觸式智能卡。接觸式智能卡通過物理觸點(diǎn)和讀卡器交換信息，非接觸式智能卡通過射頻信號(hào)來交換信息。非接觸式智能卡以其良好的防水、防塵、使用壽命長、交易方便的特點(diǎn)受到越來越多的青睞。然而，非接觸式智能卡通過射頻來交換信息，為系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試帶來新的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合ISO14443 A類非接觸式智能卡通信的特點(diǎn)，給出A類非接觸式智能卡監(jiān)聽器的一種設(shè)計(jì)方法。借助于該設(shè)備，能夠監(jiān)聽智能卡與讀卡器之間的所有信息交換，快速定位問題所在，加速系統(tǒng)開發(fā)。

1 A類非接觸式智能卡與讀寫設(shè)備的通信機(jī)制
    非接觸式智能卡是無源設(shè)備，通過接收射頻能量獲得電能，供給智能卡工作。非接觸式讀寫設(shè)備擔(dān)當(dāng)著能量供給與信息交換的雙重任務(wù)。根據(jù)ISO14443協(xié)議規(guī)定，非接觸式讀寫設(shè)備發(fā)送磁場(chǎng)強(qiáng)度為1．5～7．5 A／m、頻率為13．56 MHz的射頻信號(hào)，Type A類讀寫設(shè)備向智能卡發(fā)送信息，按照改進(jìn)型米勒編碼、100％ASK調(diào)制方式；智能卡向讀寫設(shè)備回復(fù)數(shù)據(jù)按照曼徹斯特編碼、負(fù)載調(diào)制方式。智能卡和讀寫設(shè)備數(shù)據(jù)交互的整個(gè)過程中，讀寫設(shè)備是主動(dòng)方，智能卡只是接收讀寫設(shè)備下發(fā)的命令幀，作出相應(yīng)回復(fù)。
    根據(jù)讀寫設(shè)備命令幀和智能卡回復(fù)幀之間延遲時(shí)間的不同要求，讀寫設(shè)備的命令可以分為：固定幀延遲命令和非固定幀延遲時(shí)間命令。固定幀延遲命令要求智能卡在指定時(shí)間點(diǎn)作出回復(fù)，包括REQA命令、WUPA命令、ANTICOLLISION命令、SELECT命令。這些命令主要用于智能卡的初始化，對(duì)于某一確定的智能卡具有唯一的回復(fù)。非固定幀延遲命令要求智能卡在大于某固定時(shí)間后發(fā)送回復(fù)幀，包括以上命令外的所有命令。針對(duì)以上兩種類型命令，在后面的設(shè)計(jì)中會(huì)對(duì)其進(jìn)行不同處理。

2 設(shè)計(jì)原理
    根據(jù)以上智能卡與讀寫器之間信息交互的原理，在讀寫設(shè)備與智能卡之間加入一個(gè)監(jiān)聽設(shè)備，使得讀寫設(shè)備發(fā)送的命令由監(jiān)聽設(shè)備接收，再由監(jiān)聽設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)至智能卡；智能卡回復(fù)的數(shù)據(jù)由監(jiān)聽設(shè)備接收，再由監(jiān)聽設(shè)備回復(fù)至讀寫器。這樣，監(jiān)聽設(shè)備就捕獲了讀寫器與智能卡之間所有的交互數(shù)據(jù)，如圖1所示。

    由于監(jiān)聽設(shè)備的存在，使得讀寫設(shè)備與智能卡之間的幀延遲具有不確定性，針對(duì)固定幀延遲命令，監(jiān)聽設(shè)備應(yīng)該提前獲得智能卡對(duì)這些命令的回復(fù)，在讀寫設(shè)備發(fā)送這些命令時(shí)，在固定回復(fù)時(shí)間點(diǎn)直接回復(fù)讀寫設(shè)備，而不經(jīng)過智能卡取回復(fù)的過程。針對(duì)非固定幀延遲命令，由于命令及回復(fù)的多樣性且對(duì)幀延遲時(shí)間要求不高，適合使用監(jiān)聽設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)的工作方式。整體工作流程如圖2所示。首先監(jiān)聽設(shè)備發(fā)送固定幀延遲命令，獲得智能卡的回復(fù)并保存；然后讀寫設(shè)備開始發(fā)送命令，對(duì)于固定幀延遲命令監(jiān)聽設(shè)備直接回復(fù)，對(duì)于非固定幀延遲命令監(jiān)聽設(shè)備傳遞命令及回復(fù)..

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    本文中監(jiān)聽器主要由模擬前端、控制器、非接觸式讀卡器3部分組成。
3．1 模擬前端設(shè)計(jì)
    模擬前端由分立器件組成，主要實(shí)現(xiàn)幅度限制、13．56MHz時(shí)鐘提取、數(shù)據(jù)解調(diào)、復(fù)位檢測(cè)、數(shù)據(jù)調(diào)制功能，如圖3所示。由于二極管PN結(jié)電壓為0.7V，限幅電路由5個(gè)二極管串聯(lián)組成，限幅電壓在3.5V左右；數(shù)據(jù)解調(diào)電路使用二極管進(jìn)行包絡(luò)檢波，通過遲滯比較器MAX962ESA比較得到數(shù)據(jù)，調(diào)整遲滯比較器的門限電壓將改變解調(diào)數(shù)據(jù)的位寬；13．56 MHz時(shí)鐘提取電路與數(shù)據(jù)解調(diào)電路類似，合理設(shè)置遲滯比較器的門限電壓，能有效抑制時(shí)鐘提取電路產(chǎn)生窄脈沖，避免窄脈沖對(duì)后面的數(shù)字電路產(chǎn)生影響；數(shù)據(jù)調(diào)制部分使用三極管對(duì)天線電路泄流完成負(fù)載調(diào)制的功能，負(fù)載過大會(huì)影響13．56 MHz時(shí)鐘信號(hào)的提取，負(fù)載過小可能會(huì)造成讀寫器無法識(shí)別數(shù)據(jù)，負(fù)載大小需在調(diào)試時(shí)綜合其他電路性能進(jìn)行調(diào)節(jié)；復(fù)位信號(hào)主要用于檢測(cè)讀寫器是否處于關(guān)閉場(chǎng)強(qiáng)狀態(tài)，控制器通過檢測(cè)該信號(hào)對(duì)監(jiān)聽器讀卡器作出相應(yīng)的關(guān)閉場(chǎng)強(qiáng)動(dòng)作。

3. 2 控制器設(shè)計(jì)
    控制器采用Spartan-6 FPGA芯片，主要完成數(shù)據(jù)解碼、數(shù)據(jù)編碼同步發(fā)送、與PC機(jī)通信、與非接觸式讀卡器通信等功能，如圖4所示。時(shí)鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生424kHz的同步時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編、解碼，在數(shù)據(jù)3 μs位置，沒有13．56 MHz時(shí)鐘，則由系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行填補(bǔ)，組成采樣時(shí)鐘；解碼電路使用采樣時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)采樣、判斷，去除起始結(jié)束位，組成字節(jié)寫入FIFO，同時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)位數(shù)，供內(nèi)部8051控制器讀??；編碼電路對(duì)寫入FIFO的數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，加入奇偶校驗(yàn)位和幀起始結(jié)束位，并在同步時(shí)間點(diǎn)發(fā)送；USB控制器完成監(jiān)聽器與PC機(jī)的通信；8051完成整個(gè)監(jiān)聽的流程控制及數(shù)據(jù)的記錄與傳送。

3．3 非接觸式讀卡器設(shè)計(jì)
    非接觸式讀卡器采用MFRC531，主要完成與智能卡的通信，如圖5所示。MFRC531是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高度集成讀寫芯片系列的一員。該讀寫芯片系列利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸通信方式和協(xié)議，支持ISO／IEC14 443 A／B的所有層和MIFARE經(jīng)典協(xié)議，以及與該標(biāo)準(zhǔn)兼容的標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)部的發(fā)送部分不需要增加有源電路，就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線(可達(dá)100 mm)。接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443 A兼容的應(yīng)答器信號(hào)。數(shù)字部分處理ISO14443 A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)。與主機(jī)通信模式有8位并行和SPI模式。在本文中，與微控制器通信部分使用8位并行設(shè)計(jì)，諧振電路部分設(shè)計(jì)與MFRC531的參考設(shè)計(jì)保持一致。

4 調(diào)試
    調(diào)試過程可以根據(jù)各個(gè)模塊功能分別調(diào)試驗(yàn)證，智能卡模擬前端調(diào)試包括諧振頻率、限幅電路幅值、包絡(luò)檢波閾值、時(shí)鐘提取閾值、負(fù)載調(diào)制強(qiáng)度的調(diào)整；控制器調(diào)試包括數(shù)據(jù)同步收發(fā)、USB通信、MFRC531控制邏輯調(diào)試；非接觸式讀卡器調(diào)試包括諧振頻率、Q值等的調(diào)整。

結(jié)語
    通過對(duì)以上電路的調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)讀寫設(shè)備與智能卡通信的監(jiān)聽，記錄并分析二者交互的信息。該設(shè)備可以應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，快速定位問題所在，加快產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)。由于該設(shè)計(jì)會(huì)增加智能卡回復(fù)幀延遲，可能會(huì)造成時(shí)間緊促系統(tǒng)的讀寫器等待超時(shí)，最終導(dǎo)致監(jiān)聽失敗。