二代身份证阅读机具设计及EMI措施

吴思雄，张 斌，屠黎娜（.浙江立德产品技术有限公司，杭州 3000；.浙江省检验检疫科学技术研究院，杭州 3000）

二代身份证阅读机具设计及EMI措施

吴思雄1，张 斌2，屠黎娜2
（1.浙江立德产品技术有限公司，杭州 310020；2.浙江省检验检疫科学技术研究院，杭州 310020）

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。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。

二代身份证；阅读机具；电磁兼容；EMI

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。电磁兼容性之所以对阅读机具影响很大，主要是和它的工作方式有关。阅读机具的工作原理是依靠阅读机具天线辐射出的13.56 Mhz电磁波，激活二代证内芯片，建立通讯链路进行数据交换。阅读机具本身就是辐射源。如何利用辐射在规定范围内对二代证进行识别，满足GA 450《台式居民身份证阅读器通用技术要求》中阅读机具的读卡距离不小于5 cm的要求，又能达到国家对此类产品的电磁兼容性能的要求，成为本设备需要解决的关键问题。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整改措施。

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。

1.1射频电路

图1　应用系统组成

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13.56 MHz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，一个用于发送器传输身份证件中的操作信息，另一个用于接收身份证中的数据信息，射频电路的组成框图参见图3。

发射部分的晶振产生13.56 MHz的信号，为提高接收的身份证件信号质量，对晶振的相位稳定性和边带噪声有很高的要求，要求稳定在13. 56 MHz±7 kHz的范围。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所示，实际使用中，较经济的手动方法是使用示波器量测，如有杂波，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=(ab)/(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GA 450 -2013《台式居民身份证阅读器通用技术要求》的性能指标要求（8 %~14 %），此情况下无法读取身份证。

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滤除发射器末级的强干扰，并只把身份证的应答信号滤出。对于本系统负载波频率为847 kHz，负载波调制方式为BPSK。读卡芯片推荐使用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115 200 Bps，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

图2　阅读机具的组成框图

图3　射频电路组成框图

图4　Matlab ASK的模拟波形

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。

软件先发送寻卡命令，MCU接到命令后，发请求指令寻找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 s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。

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 9254-2008的A级，其中30 MHz-1 000 MHz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13.56 MHz的倍频引起。

3.1电源的抗EMI措施

图5　程序流程图

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。

图6　系统电源与射频电源间EMC电路

3.2接地抗EMI措施

接地的设计也是电磁兼容中笔者考虑的重点，阅读机具上分为模拟地和数字地，最初设计是模拟地与数字地通过电感进行连接，主要考虑电感隔离是利用LC谐振（分布电容），对噪声点有特效，但分布参数不好控制，容易引起大的地环路。我们最后采用零欧姆电阻取代电感，零欧姆电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。该板初始设计时采用的两层板，受成本控制后期也未改成四层板。于是采取了其他方法，包括删除多余的不使用的信号，使铺地面积更大，同时将天线座子加大包地处理，并孤岛地删除，在读卡芯片发射部分LC滤波电路处形成一块较完整的地，减小环路面积。

3.3软件控制抗EMI措施

从测试图形上分析主要是13.56 MHz的晶振产生的谐振，该机具硬件设计已经固定了，因此我们通过软件把发射功率参数进行调低，例如：NXP芯片对应的参数是 CwConductance，但是不能影响其使用功能，包括阅读距离、调制系数、身份证兼容性等。

经过以上电磁兼容措施后，重新进行测试，符合测试标准参见图7和图8。

4　结束语

随着二代身份证在各个领域应用的普及，阅读机具开发项目也得到了广泛的重视。本文主要以实践经验，详细论述了阅读机具的软件和硬件的开发流程，并逐条进行说明，在阅读机具测试过程中进行电磁兼容性测试所涉及到的措施，我们这里也进行了分析，对同类系统的研发具有一定的借鉴意义。

图7　整改前的空间辐射测试曲线

图8　整改后的空间辐射测试曲线

［1］ GB 9254，信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法［S］.北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局， 2008.

［2］ GA 450，台式居民身份证阅读器通用技术要求［S］.北京：中华人民共和国公安部， 2003.

［3］ GA 467，居民身份证验证安全控制模块接口技术规范［S］.北京：中华人民共和国公安部， 2004.

吴思雄（1982.9-）女 浙江省丽水人 本科 主要从事电磁兼容的抗干扰技术研究。

Design of Resident ID Card Reader and EMI Measures

WU Si-xiong1， ZHANG Bin2， TU Li-na2
（1. Zhejiang LEAD Product Technic Co.， Ltd.， Hangzhou 310020；2. Zhejiang Academy of Science & Technology for Inspection & Quarantine， Hangzhou 310020）

The personal information stored in the resident ID card can be read from the chip by the reader machine for centralization of management. This paper mainly discusses the basic hardware and software design principle of the reader machine， and describes the practical experience from our research and development. Finally， the Electromagnetic Interference （EMI） measurement are analyzed and solved.

resident ID card； reader； electromagnetic compatibility； EMI

TB65

A

1004-7204（2016）04-0034-04