摘要：二代身份证内芯片可通过机器阅读个人身份信息，进行统一管理。本文主要论述了二代身份证阅读机具的硬件和软件设计的基本原理，描述了研发中获得的实践经验。对设计中涉及到电磁兼容问题进行了分析与解决。
关键词：二代身份证 阅读机具 电磁兼容 EMI
0 引言
二代身份证阅读机具又称为身份证读卡器、身份证识别器。根据《社会公共安全产品认证实施规则》，其规范名称为居民身份证阅读机具，以下简称阅读机具。主要功能是读取身份证中所包含数据信息，鉴别身份证真假，满足信息交换需要，进行统一管理。在很多领域有着广泛的应用，分为台式、手持式和内置式。本文主要介绍二代身份证阅读机具的设计原理，以及在设计中涉及到的EMI措施。
1 硬件设计
阅读机具从一张身份证内读取数据信息，其读取动作由上位机软件来控制，阅读机具本身的嵌入式软件配合工作，其系统组成参见图1。阅读机具主要有三个功能模块：控制单元、射频电路和安全控制模块。阅读机具需要与应用软件进行数据交换，所以阅读机具应带有一个RS-232C或USB接口。阅读机具的组成框图参见图2。
图1 应用系统组成
图2 阅读机具的组成框图
1.1 射频电路
射频电路由读卡芯片及外围电路组成，其中包括发射电路、接收电路、EMC电路等。发射部分产生13.56MHz的发射信号，身份证内部线圈吸收其提供的能量；发射部分同时对信号进行ASK调制，把操作信息传送给身份证件；然后接收并解调来自身份证的BPSK信号。GA 450《台式居民身份证阅读器通用技术要求》中对工作频率，ASK调制系数，编码方式，天线能量输出等做了详细要求。射频电路中有两个独立信号通道，用于发送和接收身份证件的两个方向的数据信息，一是传送给身份证件中的操作信息通过发送器传输，二是接收来自身份证的数据信息，射频电路组成框图参见图3。
图3 射频电路组成框图
发射部分的晶振产生13.56MHz的信号，为提高身份证件接收信号的质量，对晶振的相位稳定性和边带噪声有很高的要求，要求达到13. 56 MHz士7 kHz的稳定性。晶振信号被馈送到有信号编码的基带信号控制的ASK调制器，这里的基带信号就是键控的恒压信号（TTL电平）
，在此将二进制数据以NRZ-L的形式表示出来，读卡芯片内部的检波器对振荡器信号进行ASK调制，调制好的信号输出到天线端上，并最终耦合到身份证上。
使用Matlab模拟出的ASK调制前后的信号如图4，实际使用中，较经济的手动方法是使用示波器量测，有杂波，需采用多次测量求平均值的方式来计算调制系数，各读卡芯片厂商的测量计算方式需根据其芯片手册进行相关计算。以NXP芯片为例，调制系数=(a-b)/(a+b)，其中a为最大幅值，b为最小幅值，图4中的调制系数为(2-1)/(2+1)=33.3%，并不符合要求（8%~14%），此情况下读不了身份证。对于略微超出调制系数范围的，其身份证读取兼容性也不好。
图4 Matlab ASK的模拟波形
接收器直接开始于天线端，首先接收到的身份证应答信号经过检波并放大，此部分的功能是最大程度地屏蔽发射器末级的强信号，并只把身份证的应答信号滤出。对于本系统副载波频率为847kHz，副载波调制方式为BPSK。读卡芯片推荐Atmel、NXP的，国内也有厂家有相关读卡芯片。
1.2 控制单元
控制单元是整个系统的核心，由CPU及外围电路组成，主要功能是与上位机软件进行通信，并执行软件发来的命令，控制与身份证件的整个通信过程。为完成这些任务，控制单元采用MCU作为核心部件，比如意法半导体的STM32系列芯片，上位机软件与阅读机具之间的数据交换通过RS-232或USB来进行，采用串口的话，波特率采用常用的115200Bps，射频电路与控制单元之间的接口采用SPI或其他接口。
1.3 天线
天线是阅读机具的一个重要组成部分，由线圈、电容、电阻等组成匹配电路。根据实际的阅
读机具装配情况，天线尺寸大小需要调节，形状有方形天线和环形天线，需要与身份证件参数匹配，使身份证件能够耦合到充足的能量以满足阅读距离（装配空间）的要求，并把身份证件响应的数据接收回来，另一方面又要与读卡芯片接收电路匹配，使其正常稳定的工作。相关线圈尺寸大小、匝数、匹配的电阻电容需根据芯片手册提供的公式计算，这也是影响辐射骚扰的关键所在。
1.4 安全控制模块
安全控制模块是阅读机具的一个关键组成，因为在身份识别应用中，安全是极其重要的。国家对于该模块用于企业阅读机具的研发，组装，销售都有严格规定。其是一个独立的部分， GA 467《居民身份证验证安全控制模块接口技术规范》对其进行了详细的介绍，包括其外部尺寸，引脚定义、电气特性、通信方式、数据格式，命令及应答等，它主要是完成阅读机具对身份证信息的读取传输工作。
2 软件设计
上位机软件是整个系统的主动方，阅读机具对身份证的读取动作应由应用软件来控制，阅读
机具本身的嵌入式软件配合工作。嵌入式软件在阅读机具上电后，会检测安全控制模块的在位情况，若在位则开启天线。此时用户打开电脑端软件或者自助终端操作界面后，相关的上位机软件工作简易流程如下（以串口为例），上位机软件启动时先打开串口，通讯端口启动成功后，应用软件就可以启动读取身份证件信息的操作了，程序流程图参见图5。
图5 程序流程图
软件先发送寻卡命令，MCU接到命令后，发请求指令寻天线的有效区域内是否有卡。有卡则返回应答，MCU接到应答后，返回寻卡成功的信息，其他命令的执行过程也是如此。用户在点击“读取身份证”的按钮到身份证信息显示之间的1秒种内，其实在阅读机具和身份证之间已经出发生了一系列的通信步骤。
第三代身份证
上位机软件要做的简单易用，方便客户二次开发后整合到客户自己的系统中，同时也方便测试。对于读取身份证ID的操作，部标没有明确的要求，可根据客户或测试需求增加相关接口及测试按钮。
3 设计中的抗EMI措施
硬件设计完成后，我们要进行电磁兼容干扰的测试，测试标准依据GB/T 9254.1的A级，其中30MHz-1000MHz的空间辐射骚扰不合格，从测试图形我们进行分析，主要是由于晶振13.56MHz的倍频引起。
3.1 电源的抗EMI措施
在电磁兼容设计中，电源是最重要的一个设计环节，如果电源信号不稳定或者有噪声，对其他单元的影响是至关重要的，因此我们要保证电源信号的稳定与纯净。最初设计时并未加入读卡芯片手册中推荐的射频模拟电源与系统电源的隔离滤波设计，相关图形参见图6，图中TVDD为读卡芯片天线发射电源脚，5VDC为系统提供的电源。实际运用中将图6中的电感换成了伍尔特的磁珠。电感其特性不稳定，离散分布参数不确定，主要用于抑制传导骚扰；磁
珠相当于带阻滤波器，比普通的电感有更好的高频滤波特性，高频时呈现阻性，主要用于抑制辐射骚扰。
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