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非接触式智能卡在系统应用方面的电气兼容性测试与分析

发布时间: 2012/6/26

《测试栏目》

非接触式智能卡在系统应用方面的电气兼容性测试与分析

钱涛,申晔,张修远

(上海华虹集成电路有限责任公司)

        

1  引言

众所周知,非接触式智能卡已在日常生活领域中取得了广泛的应用,可以在不接触读卡器的情况下完成与读卡器的交换信息。常见的典型非接触式智能卡的有效读写距离为10cm,交易时间小于1s。因此,在公共交通、高速公路收费系统,校园卡,门禁卡,小额支付等使用场景下能显著节省时间,提高效率。

         但是伴随着非接触式智能卡技术的进步,从 初的逻辑卡到近期出现的带有CPU的非接触式智能卡,从单一应用功能到一卡在多领域的通用,丰富应用的背后隐藏着很大的一个问题,就是非接触式智能卡在面对不同应用系统时的电气兼容性。该问题主要来自于不同应用系统中采用的读卡器的差异,由此导致非接触式智能卡在不同应用系统中的性能表现各异,因此迫切需要一套规范的测试方法与富含逻辑性的分析对非接触系统中存在的兼容性问题进行判定。

         以华虹集成电路有限责任公司(以下简称华虹)开发的非接触式智能卡SHC1104为例,其遵从ISO/IEC 14443TypeA 标准,包含了典型非接触逻辑算法和华虹算法两种流加密算法,用于保护非接触式智能卡与读卡器之间的数据交换,适用于各种门禁,证件、电子钱包、自动收费系统和公共交通自动售检票系统等领域。因为在多个省市、跨领域的全面推广以及广泛应用,SHC1104在推广中就遇到了在系统应用方面的电气兼容性问题。下文将以SHC1104为例与大家探讨,如何对非接触式智能卡在系统应用中遇到的电气兼容性问题进行分析。

 

2     电气兼容性测试方法

2.1   制定测试流程

在展开非接触式智能卡的电气兼容性测试前,我们 需要制定一个具有可行性的测试流程,如图1所示,用以保证测试过程中的数据收集、测试效率性以及测试结果的准确性,以及后期分析的方向。

1-测试流程

2.2 制定测试计划

         在对非接触式智能卡电气兼容性分析制定测试计划前, 需要确认电气兼容性所存在的主要问题,SHC1104在电气兼容性方面所存在的问题主要表现为在不同读卡器上工作距离的差异,而工作距离的远近又体现了应用系统中非接触式智能卡与读卡器的兼容性。因此我们制定的测试计划如下: ,先收集大量的类型多样化、质量差异、市场占有率高的读卡器,以建立模拟应用场景的读卡器模型。第二,有针对性的收集同类型的非接触式智能卡产品,进行性能的对比。第三,选择会影响工作距离的测试项,如实记录测试结果。第四,对测试过程中的异常现象进行归纳与分析总结。

2.3   确定测试样品

         按照2.2的测试计划,读卡器的选择重点在于多样化与覆盖性,而且作为系统应用兼容性的考核,我们建议选择较为通用的商用读卡器,按照自身资源我们选择了12台商用读卡器。

         其次是同类型的产品,我们选择了行业内相对比较 的公司的非接触式逻辑智能卡:Company A_Sample 1,同时选择同类竞争对手的非接触式逻辑智能卡:Company B_Sample 1

2.4   部署测试环境

         在测试仪器方面,需要使用示波器以及较新的示波器探头(示波器探头会影响测试结果的准确性)、频谱仪(用于测量谐振频率,-3dB的带宽)、符合10373-6规范的测试套件(用于测量非接触式智能卡的 小功耗Hmin,(????中文)调制度Modulation测试等),以及测量距离的测距架,另外需要注意的是,对于同一测试项目如需多次测量的,需要保证每次的测量方法保持一致。

3     电气兼容性测试       2.2中提到进行电气兼容性测试,非常重要的一项工作就是确定测试项,以SHC1104为例,我们选择的与工作距离相关的测试项如表1所示。

1-测试项

测试编号

测试项

参考值

参考规范

1

Frequency

14-21MHz

ISO/IEC 14443 标准

2

Hmin

1.5A/m

ISO/IEC 14443 标准

3

Dmax

10cm

接下来将对各测试项的意义及方法进行逐一分析。

测试项   1Frequency                 谐振频率(动态和静态)

         通常所说的谐振频率f0实际上指的是非接触智能卡的静态谐振频率,它与电容C和电感L的参数有关,计算公式为:f0(MHz)=1/2π√(LC)。反映的更多的是配套天线的参数,各种非接触式智能卡都有特有的谐振频率,当应用系统中的工作频率偏离其谐振频率时,非接触式智能卡耦合能量的能力会下降,表现为工作距离降低。当非接触式智能卡耦合的能量降为峰值的一半时,此时的工作频率宽度就称为带宽BW(MHz)。而品质因数(Q值)是衡量电感器件的主要参数,是指电感器在某一频率的交流电压下工作时,所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比,Q=f0/BWQ值越高,频率选择性越好,带宽越小,效率越高,但Q值过大会引起电感烧毁,电容击穿,对读卡器的兼容性下降。因此也会把Q值特意降低,目的是提高非接触智能卡的兼容性。

         ISO14443TypeA协议规定的读卡器工作频率为13.56MHz,若非接触式智能卡的谐振频率也是13.56MHz,此时非接触式智能卡虽可耦合到 的能量,但其返回信号相比读卡器的信号幅度较弱,对于非接触式智能卡的信号解调会带来影响。因此非接触式智能卡的静态谐振通常会偏离该值,同时需要对非接触式智能卡的谐振频率、带宽,以及Q值之间寻求一个 的平衡点。上述参数的测量可以依靠频谱仪。

2-静态谐振频率

同时按照我们的测试经验,提出了动态谐振频率这一概念,通过10373-6测试套件测试结果如下:测试方法为在固定的读卡器发射能量的条件下,改变读卡器的工作频率,观察非接触式智能卡是否有正确返回,其定义为:非接触式智能卡在工作条件下的谐振频率,该参数反映了非接触式智能卡工作时的端口参数。通常非接触式智能卡可以有返回的工作频率越宽,表现为电气的兼容性越好,因此我们通过图3、图4、图5的动态频带测试结果也可得到与静态谐振频率测试结果相同的结论。

3-SHC1104

4- Company A_Sample 1

5- Company B_Sample 1

         在静态和动态谐振频率方面均可以从工作频带的测试结果看出SHC1104Company A_Sample 1相仿,且均优于Company B_Sample 1

测试项   2Hmin         小可工作场强

Hmin定义为:非接触式智能卡能够执行正常指令流程时所需要的 小工作场强,是其自身耦合能量的能力以及谐振频率的具象(????)功耗要求表现。测试方法中需要采用10373-6测试套件、示波器和校验线圈,测试时先设置好10373-6测试套件初始的输出功率电平(????Power level),然后逐渐减小,直至找到非接触式智能卡正好有稳定返回的功率电平(????Power level)临界值,此时通过校验线圈将其耦合到的信号传送至示波器,通过示波器量出此功率电平(????Power level)对应的载波峰峰值,并通过公式H=Vp-p/0.9(????Vp-p定义,Vp-p是载波 波峰和 波谷的 值之和。)换算成场强HA/m)(????A,mAmpere per meter)的值,即为该非接触智能卡的Hmin(此测试需在基于10373-6协议要求标准环境下进行)。

在其他条件理想的情况下,非接触式智能卡的Hmin越小,其可能的工作距离就越远,因此Hmin也直接决定了非接触式智能卡对应用系统中的读卡器的兼容性,若Hmin越小则表现为非接触式智能卡对一些发射场强较小或发射场强在垂直距离上衰减较快的读卡器的兼容性越佳。我们的测试结果如图6所示: Hmin方面的表现形式体现为Company A_Sample 1 SHC1104次优,可见SHC1104在功耗方面(????)可以继续为之深入研究,进而提高兼容性为努力方向。

图表 6-Hmin

测试项   3Dmax                  远工作距离

         远工作距离体现了之前两项测试综合应用表现,其测试方法比较简单: 将非接触式智能卡放置于读卡器天线表面场强 处垂直上方,然后由远至近将非接触式智能卡向读卡器表面推进,直至非接触式智能卡能够被读卡器正确识别的位置,此即为非接触智能卡的 远工作距离,需要注意的是,(1)测量时选择的指令流程要覆盖非接触式智能卡所有指令,(2)在非接触式智能卡与读卡器交互过程中是否有盲区存在,如一旦出现盲区,而确认并非读卡器原因,说明它在此台读卡器上的兼容存在巨大问题。(????若有盲区如何)

7  三种非接触智能卡对不同读卡器的Dmax对比      (????图下部红色标注错误-已改)

         SHC1104Company B_Sample 1 远工作距离的走势与Company A_Sample 1的数据相符。以Company A_Sample 1为基数的对比值SHC1104要比Company B_Sample 1表现更好(????为何有些场合相反,表现更差)。

8  Company A_Sample 1差值

 

2  Company A_Sample 1为基数的Dmax对比值

 

SHC1104

Company A_Sample 1差值(mm

Company B_Sample 1

Company A_Sample 1差值(mm

工作距离波动幅度=

MAX

-3.00

-5.50

MIN

-21.50

-35.00

差值

MAX-MIN

18.50

29.50

         在具体数据图 7-上可以看出,Company A_Sample 1在总体工作距离上较佳, SHC11048部读卡器中表现更优,且能力表现比较均衡同时没有在特定的读卡器上浮动过大,Company B_Sample 1则不然。此项说明SHC1104在一些特定的环境下,信号的解调能力并没有表现的过差,兼容性要优于Company B_Sample 1。但是仍可对Company A_Sample 1Company B_Sample 1表现均优于SHC1104的读卡器继续分析,而在表2Company A_Sample 1为基数的对比值中“差值”这一项来体现样品对于Company A_Sample 1的离散性,SHC1104在此表现较好,相对竞争产品Company B_Sample 1有比较大的优势。

         综上所述,在完成前期的数据收集后, 还需要对测试中遇到的异常现象的进行分析,以排除测试过程可能存在的误差,并确保测试结果准确有效,其结果可用于判断SHC1104产品在应用过程中遇到的兼容性问题的来源,这样才能对产品的后期改进、风险的评估和市场应用推广起到应有的作用。

4       电气兼容性测试对于系统应用兼容性的意义

由于市场上各类非接触式智能卡种类繁多,且应用广泛,而且可以预见非接触式智能卡的市场还将继续以爆炸式增长,非接触式智能卡在系统应用中的电气兼容性问题将越来越突出,准确而快速的提升电气兼容性将成为系统应用中的常规要求,也会对整个非接触智能卡行业应用中的系统 产品的推广起到不可或缺的作用,归纳如下:

l  电气兼容性的提升进一步提高了非接触式智能卡的质量,同时成为衡量一款非接触式智能卡质量的重要指标

l  电气兼容性的提升使非接触式智能卡在尽可能多的读卡器上表现优异,尽可能达到平台无关性

l  电气兼容性的提升将使非接触式智能卡的市场更广阔

5  小结

本文以华虹SHC1104产品为例,通过一系列的测试以及分析,展示了非接触式智能卡在遇到不同应用系统时的电气兼容性问题的分析途径,从目前的分析结果看,SHC1104已经朝着行业内主流先进性产品方向奋进,并已在同类对手产品的竞争中取得优势地位,且更具有稳定性。但是系统应用的电气兼容性问题与非接触式智能卡性能互相牵制,非接触式智能卡在满足协议及应用要求的情况下,如何更好的对兼容性有一个突破,是我们现今需要深入研究的课题。

参考文献

1ISO_IEC 14443-12008

2ISO_IEC 14443-22001 Amd.12005 Cor.12007

3ISO_IEC 14443-32001 Amd.12005 Cor.12006

4ISO_IEC 10373-62001 Amd.1~Amd.5

作者简介:

         钱涛,目前在上海华虹集成电路有点责任公司系统应用部从事系统验证工作。主要参与完成的项目有SHC1104非接逻辑卡,SHC1103非接触式IC卡芯片等。

         申晔,上海华东师范大学微电子专业硕士学位,目前在上海华虹集成电路有点责任公司系统应用部从事系统验证工作。主要参与完成的项目有二代身份证,上海世博电子门票芯片,非接触读写芯片等,并参与知道了多个非接触式产品的测试规范。

         张修远,目前在上海华虹集成电路有点责任公司系统应用部从事系统验证工作。主要参与完成的项目有SHC1302双界面CPU卡,SHC1108非接触CPU智能卡等。

 

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