智能会议预约终端内置读卡器性能的改善*

巩宏博

（上海直真视通科技有限公司，上海 200233）

0 引言

智能会议预约终端在智慧园区中应用广泛。内置IC读卡模块实现了用户认证和会议预约操作一体化，使得用户无需在会议室门口分别安装一块预约终端和一个IC读卡器设备，大大提升了用户的操作体验感。结合智能一卡通系统，它可以支持用户的统一和即时认证，支持用户使用一卡通积分来预约会议室。受限于会议预约终端设备，内置的IC读卡模块存在一些技术问题，导致读卡性能低下，无法体现智能终端的优越性。本文基于一款已经定型量产的全金属框架的会议预约终端设备，介绍了分析和解决IC读卡性能的方法。

1 内置IC读卡器现状及存在的问题

IC卡又称微芯片卡。读卡器在读卡前先产生一个13.56 MHz的信号，并通过天线将该信号发射出去[1]。IC卡通过内部的LC串联谐振电路收到该信号，同时持续对电容进行充电。该电容的另一端有一个单向导通的电子泵，可以将电容内的电荷送到另一个电容进行存储[2]。当所积累的电荷形成的电压达到2 V时，该储能电容可以为发射部分的电路提供工作电压，将IC卡内的数据发射出去。读卡器通过天线和LC谐振电路接收该信号，完成读卡操作，如图1所示。

图1 IC读卡原理

智能会议预约终端是一款全金属框架的设备。设备最上层是全贴合触控显示屏，中间的设备铝合金中框用于固定主板IC读卡模块，两侧是占用指示灯条，最下方是铝合金后盖[3]。触控显示屏、中框结构以及后盖，形成了一个封闭的金属屏蔽腔体，对无线信号的发射和接收造成了严重影响。在初版工程样机的测试中，IC卡要紧贴在显示屏表面，才能读到卡号，且刷卡不可靠，一般要将IC卡在触控显示屏表面小范围晃动几下才能读到，体验感较差。触控显示屏作为外购件是无法进行优化的，只能分析IC读卡模块、中框结构和后盖，以提出改善方案。

1.1 读卡模块线圈收发无线信号能力弱

读卡模块的谐振及天线原理电路如图2所示。

图2 读卡模块谐振及天线原理电路

Rant和Lant在形成发射天线的同时，与前置的RC回路组成了谐振电路，用于发射和接收13.56 MHz信号[4]。在IC读卡时，读卡线圈平面与IC卡内置线圈平面需保持近似平行覆盖的状态。此时，两个线圈之间的耦合主要体现为磁场耦合[5]。如果两个线圈的磁场耦合性能不佳，会影响到IC读卡的性能，这是改善IC读卡灵敏度的一个方向。

1.2 中框结构对无线发射的遮蔽

中框是铝合金结构。在样机设计时，金属中框结构与线圈天线的面积范围存在部分重叠，导致天线接收无线信号的能力被削弱，结构如图3所示。

图3 智能会议预约终端截面

从图3可以看出来，重叠的中框结构对电磁场通信有所影响，也影响了磁场在空间中的传播，进而导致读卡线圈天线收发效率降低。这是整合设计中考虑不全的地方，需要进行优化调整。

1.3 后盖结构对无线信号的屏蔽

智能会议预约终端设备的后盖是基于铝合金采用CNC工艺一体化成型的，既是设备的安装面，也是设备4个侧面的支撑面，如图4所示。

从刷卡的操作上来看，磁场要同时穿过读卡器的线圈天线和IC卡内置的线圈天线，才能在信号发射时，使接收端获取最大的感应效果。而这种全封闭的金属后盖结构，是全部屏蔽了无线信号的通信，导致信号被极大衰减，因此是改善读卡性能的一个重点。

1.4 无线发射功率不足

在智能会议预约终端样机设计中使用了MFRC52202HN1。它是一款高度集成的读写IC，用于13.56 MHz的非接触式通信。它的基本参数如表1所示。

考虑到诸多因素影响收发线圈进行无线信号通信的灵敏度，所以在后续优化时需要考虑在不大幅度增加设备功耗的情况下重新选型，以获得良好的性能。

图4 智能会议预约终端截面

表1 MFRC52202HN1基本参数

2 读卡问题解决方案研究

2.1 读卡问题解决方案分析

智能会议预约终端的刷卡问题，可简化为两个线圈之间的耦合问题，也就是说要通过各种方案增加IC卡内部的次级线圈天线上得到的感应电动势。它的计算公式为：

式中，N是线圈匝数，S是线圈面积，∆B/∆t是磁通量变化率。要增加读卡灵敏度，可以从以下几个方面着手。第一，增加线圈匝数。第二，增加读卡器线圈和IC卡内置线圈的耦合面积。除了要求智能会议预约终端要在设备上明显标识刷卡区域以引导用户正确刷卡外，还要求读卡器线圈的面积要尽量与IC卡内置线圈的面积靠拢，以使两个线圈的耦合面积最大化。第三，增加通过线圈的磁通量，以提高单位时间内磁通量的变化率。

2.2 增加线圈匝数

从感应电动势的计算公式可以看到，增加线圈匝数可以提高感应电动势的大小。但是，对于读卡性能改善来说，意义不大。从IC卡线圈电路充能角度来看，需要增加IC卡线圈匝数来提高感应电动势的大小，但要求用户已有IC卡改进是不现实的。而从读卡器线圈获取IC卡数据的角度来看，需要增加读卡器线圈的匝数以获得稳定的数据传输性能。所以，增加线圈匝数的方案是不可行的。

2.3 增加线圈耦合面积

事实上，IC卡线圈的面积是固定的，而读卡线圈的面积相对来说较小。考虑到发射和接收两个环节，设计要尽量将读卡线圈的面积调整到接近IC卡线圈面积，以在两个环节中都获得最大的有效耦合面积。设计在保持LC谐振参数不变的基础上，优化线圈的设计。优化前后的PCB设计如图5和图6所示。

图5 优化前线圈设计

图6 优化后线圈设计

优化前，读卡器线圈的有效面积是17.2 mm×29.6 mm；优化后，读卡器的有效面积是24.1 mm×29.6 mm。线圈面积提高了将近40%，对提高读卡灵敏度来说是一个重大进步。

中框金属结构遮挡会减小两个线圈的有效耦合面积。为了避免这个问题，中框结构对涉及到读卡器线圈有效面积的位置进行了修改，在保持结构强度的前提下，尽可能删除遮挡部分，如图7所示。其中，左图为改善前结构设计，右图为改善后结构设计。

图7 中框结构优化示意

2.4 增加通过线圈的磁通量

增加通过线圈的磁通量有3种方案：一是在铝合金后盖上的读卡器线圈的相应位置上增加一些装饰孔，用于增强磁场通过的效率；二是提高读卡器天线的发射功率；三是可以在读卡器线圈上增加铁氧体材料，以增强磁场强度。对于13.5 MHz的低频信号来说，IC读卡线圈面积范围内2 mm直径大小的开孔可以让信号通过，这里不再赘述，重点分析后面两项。

在无线发射功率问题的阐述中，样机设计选型的读卡芯片的最大发射功率只有0.36 W。终端设备整机的设计功率为17 W，芯片最大发射功率增加1 W对于整机功耗影响不大，却对改善IC读卡性能非常重要。这样设计优化后的芯片选型参数如表2所示。

表2 MFRC63002HN基本参数

前面的原理分析中可知，IC读卡的信号通信主要依靠磁场耦合来完成。通过增加励磁材料来增强耦合的磁场强度是一个可以尝试的方向。经过对铁氧体材料的选型和实测，确定了下面这款铁氧体材料，如表3所示，并将其通过双面硅胶完整的黏附在IC读卡线圈上，如图8所示。

将上述分析确定的改善方案应用在后续的小批量试产上。经过对25台设备的逐一测试，IC卡的感应高度可以改善到3～5 mm，且基本上可以较为灵敏地读取到卡号，验证了改善方案是成功的。

表3 铁氧体材料参数

图8 铁氧体材料应用

3 内置IC读卡改善方案的不足

3.1 金属框架对IC读卡的影响

从电磁场传输理论来看，金属结构对电磁场的影响非常大。设计之初只考虑了产品的外观性，对IC读卡中的无线信号传输没有足够的重视，导致读卡性能低下。后续可以在保持外观性的同时，对中框及后盖结构进行开模，做成塑料件。一方面可以继续优化IC读卡的性能，另一方面可以在量产的时候节省成本。

3.2 读卡软件优化的缺失

前面所讨论的改善方案都是针对硬件电路及结构设计的改善，没有考虑对读卡软件的优化。现阶段，读卡软件只是完成一次读卡的动作，后续可以将软件调整为连续3次的读卡动作，以相应地提高成功读卡的概率。

4 结语

通过对智能会议预约终端内置IC读卡性能的研究，优化智能会议预约终端的设计，保证了产品按照计划投入量产。同时，针对一些全金属结构的无线通信设备，如物联网关，提供了一种可靠性优化的方案。