王 丰，刘丽丽

(北京中电华大电子设计有限责任公司，射频识别芯片检测技术北京市重点实验室，北京 102209)



非接触智能卡兼容性测试系统设计

王 丰，刘丽丽

(北京中电华大电子设计有限责任公司，射频识别芯片检测技术北京市重点实验室，北京 102209)

主要介绍了非接触智能卡兼容性测试方法及测试系统设计，重点阐述非接触智能卡兼容性测试存在的问题，并针对问题提出兼容性测试方法及兼容性测试系统的设计实现。该设计为非接触智能卡兼容性测试积累经验，以期降低非接触智能卡产品应用的兼容性风险。

非接触智能卡；兼容性测试；非接触读卡器

0 引言

近年来，非接触式智能卡已越来越多地应用于小额支付和身份识别领域。除了使用最为广泛的交通行业之外，非接触式应用正推广至其他行业中。鉴于非接触智能卡应用的全球性增长，同时考虑到行业应用的多样性，智能卡设计满足与不同读卡器终端的兼容性需求成了不可回避的问题，随之而来的兼容性测试也成为一项极富挑战性的工作。本文将讨论非接触智能卡兼容性测试中面临的挑战及应对，希望对非接触智能卡的测试及智能卡设计起到一定的促进作用。

1 非接触智能卡应用的介绍

非接触智能卡应用系统一般由主控机(Host)、非接触读写器(Contactless Reader)、非接触智能卡(Contactless Card)三部分构成，其基本结构图1所示。

图1 非接触智能卡应用系统基本结构

主控机是应用系统控制管理中心，实现方式可以是PC，或者是信息管理系统的一个子集。读写器由MCU、读写器芯片以及天线三部分组成。MCU主要负责接收Host发来的指令并负责指令的解释，控制Reader IC完成对卡的操作以及模块本身的管理；非接卡读写器芯片负责根据MCU的控制通过高频14443接口与非接卡通信，实现的功能包括编解码、加解密以及调制解调等；天线负责射频信号与电磁波的转换，完成能量和信号传送及信号接收。

2 兼容性测试存在的问题

通常，非接触智能卡在各个行业应用中需与种类繁多的读卡器进行非接触通信完成交易，但也正是由于这些种类繁多的读卡器设计差异大，导致智能卡与读卡器可能存在兼容性问题。对于智能卡厂商来说，如何提升用户体验，减少兼容性问题是其急需解决的问题，而严重的兼容性问题将极大地损害其商业利益。因此，如何在产品上市之前尽早发现非接触智能卡的兼容性问题并减小其兼容性风险就显得至关重要。对于具体的兼容性测试来说，如何合理设计兼容性测试方案将是其工作重点。

传统的兼容性测试方法为：选取特定行业的市场占有率较高的几款读卡器，然后使用这些读卡器作为测试设备对非接触智能卡进行兼容性测试。但该种测试方法存在如下问题：

(1)对于非接触智能卡芯片厂商来说，其设计的智能卡芯片的目标应用行业广泛，几乎涵盖了所有智能卡应用领域，如交通、金融、社保等主要行业，而实际存在兼容性问题的读卡器可能正是市场占有率相对较小的产品，因此仅选择市场占有率较高的几款读卡器将不能满足兼容性测试要求，存在测试不充分的风险。

(2)在整个非接触智能卡产品开发周期内，智能卡的测试周期可以占到产品开发周期的一半以上，为了确保不存在兼容性问题，将需要穷举所有读卡器，但这样所需兼容性测试的读卡器种类将多达上百种。这种穷举读卡器的兼容性测试方法会导致智能卡的测试周期不断延长，从而产生智能卡芯片产品开发周期不断延长，错过上市时机的风险。

基于上述问题，在智能卡芯片开发及测试过程中，如何进行合理有效的兼容性测试将是我们面临的最大难题。

3 兼容性测试方法研究

非接触智能卡的基本工作流程包括以下4个阶段：智能卡从非接触读卡器发射的13.56 MHz的射频场中获取足够智能卡工作能量的阶段、解调读卡器调制的指令或数据阶段，根据指令完成相应操作阶段和调制返回数据发送给读卡器阶段。

上述智能卡的基本工作阶段存在4种兼容性失效模式：能量获取失效、数据解调失效、功耗波动失效和返回数据调制失效。根据这4种兼容性失效模式的产生机理，模拟失效产生条件进行响应的兼容性测试。

3.1 能量获取失效模式

非接触智能卡通过天线耦合获得读卡器天线发送的载波能量，获取原理为：非接触读卡器生成13.56 MHz正弦波信号并通过读卡器的天线线圈产生电磁场，智能卡天线通过与读卡器天线耦合感应获取足够智能卡芯片工作的能量。由如下磁场强度计算公式[1]可见读卡器空间上的场强与读卡器和卡片的相对距离成反比。

式中N为线圈匝数，R为圆形线圈半径，x为沿x方向与线圈中心的距离。

图2 三维空间耦合模型图

实际应用中非接触智能卡需在读卡器的工作空间上获得足够其工作的能量，如出现不能工作或工作不稳定即出现兼容性失效。此时失效问题主要体现为智能卡是否可以在任一读卡器的任一工作位置上获得足够其稳定工作的能量。读卡器的工作位置为三维空间耦合模型，如图2所示。

图2为可能的非接触智能卡与读卡器的空间耦合模型，该模型越大意味着可能的兼容性风险越小。该模型也将在其他失效模式分析中使用。

3.2 数据解调失效模式

非接触智能卡通过天线耦合获取读卡器调制的信号，并通过解调解码电路获得命令或数据。ISO-14443协议[2]规定了读卡器发送数据的调制方式，如图3所示。

图3 非接触读卡器调制波形图

数据解调失效模式主要存在以下两种情况：

(1)非接触智能卡不能正确解调信号获得指令或数据，主要体现为非接触智能卡对读卡器发送的t1、t2、t3、过冲、调制深度等参数的组合取值的调制信号的解调能力不足，导致出现数据解调失效。ISO-14443协议[1]规定了智能卡需满足的时序条件，实际需要大于表1所示的最大最小条件。

表1 智能卡时序参数

(2)非接触智能卡在接收信号期间把射频场上的噪声信号误解调为读卡器发送的指令或数据，并做出不正确的响应，也是通常所说的智能卡抗干扰能力不足，导致数据解调失效。

3.3 功耗波动失效模式

非接触智能卡根据接收到的命令或数据进行指定操作，而在操作过程中，智能卡本身存在功耗波动，该波动会对射频场进行调制。当该调制与智能卡调制返回数据的周期接近时可能导致读卡器出现误识别，从而出现功耗波动失效。图4为智能卡功耗波动在某读卡器上被误解调，圆圈为功耗波动导致读卡器误解调区间，方框为实际卡片返回数据调制区间。

图4 功耗波动引起误解调波形图

3.4 返回数据调制失效模式

非接触智能卡完成指定操作后对返回数据进行调制供读卡器解调接收。该调制信号的关键点为智能卡所调制的包络幅度，ISO-14443协议仅对调制信号的最小幅度有要求，而通过对实际出现的兼容性失效问题分析发现，某些读卡器对最大信号也有一定要求。因此，智能卡返回数据的调制幅度应需否满足所有读卡器的要求。

根据以上4种兼容性失效模式的分析及原有兼容性测试方法存在的问题，提出一种兼容性测试方法，该方法使用可以模拟所有兼容性失效模式产生条件的兼容性测试系统对非接触智能卡进行全面的兼容性测试，并评估出被测试智能卡存在的兼容性风险点。

4 兼容性测试系统实现

为了模拟非接触智能卡所有兼容性失效模式产生条件，本文设计了一种非接触智能卡兼容性测试系统。

该测试系统主要由3部分组成：PC及其测试软件、非接触自动测试机械臂、非接触兼容性测试读卡器。

PC及其测试软件主要完成测试系统的控制，首先控制测试机械臂实现智能卡与读卡器的相对空间移动以模拟实际应用中可能存在的全部耦合方式，并配置测试读卡器发射的射频场强、干扰信号、调制/解调等参数，然后控制测试读卡器与智能卡进行通信，最后通过判断读卡器接收到的智能卡响应是否正确来判断是否通过本次兼容性测试。

自动测试机械臂为该兼容性测试系统的机械控制部分，主要完成智能卡与读卡器的相对位置的设置，配合测试读卡器完成全自动兼容性测试。

兼容性测试读卡器为该测试系统的核心，其除了具有商用读卡器的全部功能外，还具有模拟兼容性失效模式产生条件的功能：可变射频场强载波输出、可变调制信号输出、可编程噪声输出。该读卡器的电路框图如图5所示。

图5 非接触兼容性测试读卡器结构框图

该非接触兼容性测试读卡器由读卡器主控器、射频芯片CIE72D01、数控电源模块、功率放大器、天线及天线匹配网络组成。

读卡器主控器控制数控电源模块输出可变电压值，该数控电源为功率放大器供电，由于功率放大器对射频芯片CIE72D01输出的射频场进行功率放大，因此实现对射频场强的可变增益放大。该兼容性读卡器的输出场强范围为0～12 A/M，大于ISO-14443协议规定的1.5～7.5 A/M范围，可以模拟全部能量获取失效模式的所有产生条件，即可进行能量获取失效模式的兼容性测试。

天线网络是影响输出调制信号的关键模块，通过调整天线网络即可达到调整调制信号t1、t2、t3、t4、过冲、调制深度等参数的目的。天线匹配网络原理图如图6所示。

图6 测试读卡器天线匹配网络原理图

电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility, EMC)网络为低通滤波器，通过改变其谐振频率即可达到调整过冲的目的；通过改变匹配网络C1、C2的参数并配合调整射频芯片的调制宽度参数即可达到调整t1、t2、t3、t4的目的；调整射频芯片CIE72D01的发射管参数即可达到调整调制深度的目的。

使用上述调整方法可模拟数据解调失效模式第1种情况可能的全部产生条件。

测试读卡器通过配置噪声信号的调制宽度、调制深度、噪声数量及产生位置等参数，并叠加到正常发送数据时序中，如图7所示。可模拟数据解调失效模式第2种情况可能的全部产生条件。

图7 正常调制数据前后叠加噪声信号图

该测试读卡器进行数据解调失效模式全部的兼容性测试。

该非接触测试读卡器通过调整射频芯片CIE72D01接收解调能力强弱参数即可实现对智能卡功耗波动失效模式及返回数据调制失效模式的兼容性测试。

本文所设计实现的兼容性测试系统可以通过配置或调整该测试读卡器的参数，模拟全部可能的兼容性失效模式产生条件，并调度读卡器配合自动测试机械臂实现全自动兼容性测试。

5 结论

本文通过对非接触智能卡实际应用进行分析，总结出读卡器的4种兼容性失效模式，提出了一种模拟失效模式产生条件对非接触智能卡进行兼容性测试的方法，该方法避免穷举测试覆盖率低的问题，并设计实现了一套非接触智能卡兼容性自动测试系统，可有效提高测试效率。该非接触智能卡测试方法及系统的设计已解决原有兼容性测试问题，并能有效降低智能卡产品的兼容性风险，为智能卡产品更好、更快地面世打下坚实基础。

[1] FINKENZELLER K.射频识别技术(第3版)[M]. 吴晓峰，陈大才，译.北京：电子工业出版社，2006.

[2] P and L-Members of ISO/IEC JTC1/SC17 JTC1 SecretariatISO/IEC ITTF. ISO/IEC14443-2-identification cards-contactless integrated circuit(s) cards-proximity cards-part 2:Radio frequency power and signal interface[S]. 2016.

Design of contactless smart card compatibility test system

Wang Feng, Liu Lili

(Beijing Key Laboratory of RFID Chip Test Technology, CEC Huada Electronic Design Co.,Ltd., Beijing 102209, China)

This paper mainly introduced the method and design of contactless smartcard compatibility test system. As the purpose of this paper, we will mainly discuss the problem of thecontactless smartcard compatibility test, and put a contactless compatibility solution and design to the current problem.We gather experiences for the compatibility test of the contactless smartcard, and hope these experiences can reduce compatibility risk occur of the smartcard products.

contactless smart card; compatibility; contactless reader

TP393.08

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.020

王丰，刘丽丽.非接触智能卡兼容性测试系统设计[J].微型机与应用，2017,36(14)：64-67.

2017-01-23)

王丰(1982-)，通信作者，男，硕士，工程师，主要研究方向：IC测试方法研究及测试设备设计。E-mail：wangfeng88530@163.com。

刘丽丽(1977-)，女，硕士，高级工程师，主要研究方向：IC测试方法研究及测试设备设计。