非接触式TYPE A卡设计探讨

    非接触式卡从工作频率上，非接卡的产品可以分为低频卡、高频卡、超高频卡和微波卡。非接触式TYPE A卡是遵循ISO14443标准的高频卡，由于其较好地平衡了功能、性能与成本，是国内众多应用行业采用非接触技术的首选。目前主要应用于公交系统、高速公路等项目市场，以及门禁、网吧、校园、停车场、会员卡等通用市场。每年的市场容量超过一亿张，并且还有较大的增长潜力。 

    由于非接触式卡的市场前景看好，国内外厂商纷纷推出非接触式TYPE A卡。上海华虹集成电路有限责任公司凭借其在非接卡多年的开发经验，认真总结了芯片设计和应用中存在的问题，一一加以解决，为客户提供一流的产品。 

    一、非接TYPE A产品的简单介绍 

    1 典型的应用系统 

    上图是典型的非接卡应用系统。芯片嵌入在模块中，外接3～5圈的线圈作为天线，封装成卡片就形成了一张标准的非接IC卡。读卡机通过磁场发出能量和数据，卡片通过天线耦合接收到能量后开始工作，并与读卡机进行数据交换，从而可以完成各种应用。

    2 非接TYPE A卡的应用流程 

    非接TYPE A卡的典型应用流程如上图。在进入场强上电后，先进行询卡，然后通过抗冲突完成选卡。如果在场强内只有一张卡，将跳过抗冲突的过程，直接进行选卡。选中卡片后，由于卡片还提供了安全功能，必须先通过三重认证后，才能对卡片进行读、写、加、减、恢复、暂停等操作。

    3 非接TYPE A卡芯片的电路模块图 

    整个非接卡芯片可分为三个模块：EEPROM用于存储数据；RF-interface外接天线用来产生能量和数据交换等；数字控制部分包括了抗冲突电路，认证电路，加密电路和其它控制接口电路。

    二、非接TYPE A卡芯片的设计优化

    近几年，各种非接TYPE A卡芯片竞相涌现，逐渐建立起优质的国产品牌。但在实际应用中或多或少还存在一些问题，通过客户反馈、调查、样品测试等分析方法，我们把这些问题分为三类：逻辑功能、RF射频、生产良率问题。本章节详细说明了这些问题的相关现象、原因及解决方法。 

    1 逻辑功能问题 

    这部分的错误比较简单，可分为以下两类： 

    1) 卡片死锁 

    卡片死锁多发生在慢慢进入场强时，卡片很容易发生死锁：读卡机发送任何命令，卡片都无法正确反应。发生这类问题时，使用者必须把卡片拿出场强后重新进入场强，卡片才能恢复工作。 

    这类问题的根本原因是芯片处在某一状态时，突然收到一个错误或异常指令，比如一个异常工作流程发出的指令，芯片内部逻辑控制的状态机就停在某个地方，没有正确返回到相应状态，这时再收到正常的指令，芯片无法正确做出判断，内部逻辑控制状态机就一直停在某个地方，造成死锁。当卡片处在工作距离的临界点，容易把收到的指令当作异常指令，或者当卡正确返回指令后，读卡机没能解调出来，读卡机认为卡已经移出场强，将重新发送询卡指令，但卡片一直不认该询卡指令。这时卡片就处于死锁状态。举例如下图： 

    解决方案是针对各种异常指令或状态，在芯片状态机设计时必须考虑到应该跳到哪个状态、如何恢复等。如果芯片的逻辑电路设计仅仅满足正常功能的状态流程是不够的，必须考虑好各种错误情况。

    2)指令返回超时 

    这要求芯片对各种指令的处理要有时间限制。由于目前的应用系统都以现有的非接卡产品为标准，它针对卡的返回时间设置超时和保护时间。如果国产芯片返回太快或太慢都有可能造成通信错误。从目前的实际情况看来，指令返回超时的问题比较突出，主要原因是芯片对EEPROM擦写的时间过长。 

    从上图可以看出，卡应该在T1~T2期间返回，在其它时间返回就可能被读卡机判错。 

    解决方案是调查读卡机设置的超时和保护时间，以此决定设计时的指标。通常情况下保护时间是很短的，所以真正的解决方法是尽量提高芯片的处理速度，特别是减少EEPROM的擦写时间，卡片尽快返回，避免超时的问题发生。 

    2 RF射频问题 

    1) 芯片对不同天线的适应性差 

    这主要指芯片匹配不同型号的天线时，其最小工作场强不同。直观表现是对于同一台读卡机，配不同天线的非接卡的工作距离不同。目前国内卡厂采用的天线基本都是人工绕制，天线的一致性无法控制，因此即使同一批生产出来的卡片，有的工作距离较远，有的工作距离较近。 

    不同型号的天线有不同的电感、电容和电阻，和芯片组成非接卡后，卡就有不同的谐振频率。当卡的谐振频率和读卡机系统工作频率一致时，谐振的振幅最大，卡耦合到的能量最多，卡可工作的距离越远。所以从理论上讲，配不同天线的卡，工作距离会不一样。然而，国际先进厂商的芯片匹配不同天线时，工作距离的差异不大，而国产的非接卡芯片使用不同天线时，工作距离差异显著，甚至在某些天线下，工作距离太短，无法正常应用。