引言

某车辆管理系统对车辆使用者的身份识别有明确需求[1]，在车载强干扰环境下，要求准确、快速地识别车辆使用者信息。结合车辆的具体使用情况，对比了IC卡、射频卡、ID卡等，提出车辆安装电子标签读卡机和无源电子标签识别方案，最后确定无源RFID (Radio Frequency Identification, 射频识别) 方案。RFID 是一种非接触式的自动识别技术。通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，操作快捷方便。根据频段不同，RFID分为低频和高频系统[2]。低频近距离RFID系统主要有125 kHz和13.56 MHz频段；高频RFID系统主要有915 MHz、2.45 GHz和5.8 GHz。无源电子标签（RFID卡片）也叫被动标签，在进入读卡机的识别范围后接收射频信号，部分射频能量转化为直流电工作，然后将存储在芯片中的信息数据发送给读卡机。无源电子标签成本很低，有很长的使用寿命，体积小，读写距离较近。

在应用中，读卡机作为车载监控终端[1]的一个传感器安装到车辆上，通过读取不同的RFID卡，包括二代身份证，来识别不同的车辆使用者，完成身份识别、时间统计、考勤打卡和报警提醒等功能。

1 读卡机总体设计

为提高信息安全，在总体设计时采取以下设计思路：元器件选型仅限在中国大陆设计制造厂商内优选；通信协议采用更安全的ISO14443 TypeB协议[3]（协议同中国第二代身份证）。公交、食堂、商场、会所等多使用TypeA卡，但是相对TypeA卡来说，TypeB卡芯片具有更高的安全性，接收信号时，不会因能量损失而使芯片内部逻辑及软件工作停止，支持更高的通信速率，抗干扰能力也更强，更能保证数据安全。

读卡机以通用非接触读卡机芯片FM1715SL为核心，采用上海海尔集成电路有限公司的微控制器HR7P90H作为处理器，其他关键模块包含交互接口、电源管理和RFID射频等单元模块。RFID读卡机总体框图如图1所示。

图1 读卡机总体设计框图

车载终端作为主设备，通过数据电源复合接口，给读卡机供电，进行数据通信。电源管理模块输出读卡机需要的电压；RS232驱动电路完成串口通信的电平转换；HR7P90H通过SPI口与FM1715SL进行双向数据通信，实现RFID卡的识别；FM1715SL的天线采用印制板天线，进一步降低成本，提高可生产性；HR7P90H根据车载终端、卡片状态等信息，通过蜂鸣器和LED实现声光提醒。

读卡机能读取第二代身份证的全球唯一ID号，可省略卡片的采购，车辆使用者的身份证可同时作为识别卡使用。

2 系统硬件设计

系统硬件主要包括读卡机芯片和控制器的接口电路、电源电路、时钟电路和匹配电路等。

2. 1RFID卡专用芯片

从开发难度、器件成熟度、生产供货等方面考虑，选择了上海复旦微电子股份有限公司设计的FM1715SL，这是基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，支持13.56 MHz频率下的TypeA和TypeB两种非接触通信协议，以及多种加密算法。FM1715SL具备高集成度的模拟电路，只需少量的外围电路；操作距离达10 cm；支持ISO14443 TypeA及TypeB协议并内置加密单元[4]。FM1715SL电路设计如图2所示。

图2 FM1715SL外围电路

接口电路：FM1715SL的数据总线是标准的4线SPI接口，FM1715SL作为从设备，由微处理器通过SPI总线和FM1715SL输出中断完成通信控制。

发射电路：FM1715SL编解码的参考时钟是13.56 MHz，由晶体振荡器及其驱动电路产生。从TX1和TX2引脚发射出去的是调制的13.56 MHz载波信号，其频谱除了有13.56 MHz外，还有高次谐波分量。图2中L0和C0组成的滤波器用于过滤13.56 MHz的谐波功率，以满足相关EMC规定的要求。

接收电路：FM1715SL的接收电路利用RFID卡的响应信号调制到副载波的双边带进行通信。FM1715SL输出VMD作为RX引脚偏置电压，并采用电容C4进行滤波稳压；电阻R1和R2组成RX和VMD之间的分压电路。

天线设计：天线是RFID读卡机的一个重要组成部分，读卡机的性能与天线的参数有着直接的关系。天线建模有直接连接模型和50 Ω阻抗匹配模型等。由于卡片和天线直接距离设计小于5 cm，可使用简单、低成本的直接连接模型，将天线设计到PCB板上。天线模型如图3所示。

图3 直接连接天线模型

在读卡机和卡片通信过程中，天线用于产生能发射和接收射频信号的磁通量。而磁通量用于向RFID卡提供电源并在读卡机和卡片之间传送信息。因此，设计天线线圈的电流最大，以产生最大的磁通量。13.56 MHz属于短波频段，因此可以采用小型环状天线，形状有方型、圆形、椭圆型、三角型等，本设计采用图3所示的矩型天线。C1完成发射端的50 Ω的匹配，提高能量传输效率；C2与天线的等效电感L1组成13.56 MHz谐振网络；R1用来调整天线的品质因数Q。在天线设计中，Q是一个非常重要的参数，Q太小则天线的读卡范围内有盲区，影响数据通信的稳定和可靠；Q太大则读卡距离缩短。Q一般取35较好[4]。为提高生产一致性，降低调试难度，PCB采用多层板设计，并通过叠层阻抗控制，精细设计矩形天线的电感和阻抗，同时模拟电路的电阻采用1%精度的贴装型号，电容采用低温度系数、低温飘、1%精度、NPO介质的贴片电容。

2.2 微控制器

HR7P90H是海尔公司高性能8位精简指令集微控制器，具有丰富的片上外设。其中，高速异步收发器UART实现与车载终端的通信；通过I/O端口完成4路LED、1路蜂鸣器的控制和1路SPI接口的模拟；内置的防护电路满足工业级ESD(Electrostatic Discharge)和EFT(Electrical Fast Transient burst) 标准，非常适合工业控制和汽车电子领域。HR7P90H内置16 MHz振荡器和上电复位电路，SOP28的小型贴片封装，能极大地减少外围电路，给FM1715SL的射频和天线电路设计提供更多的板上面积。HR7P90H支持在系统编程（InSystem Programming, ISP)和在线调试功能( InCircuit Debugging, ICD)，电路设计了这两种接口，方便开发调试和批量生产[5]。

2.3 工业设计

工业设计充分考虑了车载环境的高温、振动等特殊性，兼顾用户的便利性。把读卡机设计成接触式卡槽，方便固定卡片，一方面缩短了卡片到天线的距离，降低了印制板天线的设计难度，另一方面也减小了读卡机的外观尺寸，整个读卡机仅比卡片略大一圈，更容易安装。材料选择阻燃型ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene），并在卡槽内部设计多条尼龙压条，进一步提高卡片在车载环境下的稳固性。读卡机工业设计如图4所示。

图4 读卡机工业设计图

3 识别软件设计

识别软件的主要功能是自动检测进入识别范围的各种卡片，完成和车载终端的通信，并根据数据内容和卡片信息，设置相关的指示灯和蜂鸣器。软件编程使用海尔公司的集成开发环境HRIDE工具完成，HRIDE支持C语言的编辑、交叉编译、链接调试和仿真；考虑到软件代码的规模和复杂度，开发调试使用了低成本的ICD仿真器。识别软件开发采用基于中断驱动的数据流处理架构[6]，软件流程图如图5所示。

图5 识别软件流程图

识别软件主要由中断服务程序、任务调度和各种子任务处理程序组成。整个软件的中断来源有串口通信的收发中断、FM1715SL外部中断和各个子任务触发的软中断等。每个中断服务程序都简洁短小，能快速完成设置标志读取数据等实时性高的工作，释放处理器资源完成各种任务处理；任务调度模块根据设置的标志进行子任务的调度，每个子任务完成就清除标志后返回；子任务也可以设置标志，从而触发其他子任务的调度。比如读卡子任务完成读卡后，会触发中断，设置标志；传输子任务将卡号发送给车载终端；如果卡号无效或者定期无法读取卡片，亦会触发传输子任务，车载终端将发送点亮“无效卡”指示灯的指令，串口收中断被触发，指示灯设置子任务将被调用,“无效卡”指示灯亮起。

HR7P90H只有2 KB的SRAM，软件架构如果采用RTOS则难以实现，而采用串行的多函数架构，则实时性、可靠性、扩展性不能保证，调试难度大。通过对数据传输和任务处理合理划分，将数据读取采取中断驱动，数据处理任务通过标志统一调度，数据读取和数据处理剥离，很好地满足高实时性下多数据处理的要求。整个软件架构清晰简洁，编码设计简单，调试和维护难度都较小。

结语

读卡机已经作为某车载终端的传感器，经过各种试验测试后批量安装到车上使用。工作稳定可靠安全，成本低廉，能读取包括二代身份证的符合ISO14443标准TypeB类型的RFID卡。