智能會(huì)議預(yù)約終端內(nèi)置讀卡器性能的改善*

鞏宏博

（上海直真視通科技有限公司，上海 200233）

0 引言

智能會(huì)議預(yù)約終端在智慧園區(qū)中應(yīng)用廣泛。內(nèi)置IC讀卡模塊實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)認(rèn)證和會(huì)議預(yù)約操作一體化，使得用戶(hù)無(wú)需在會(huì)議室門(mén)口分別安裝一塊預(yù)約終端和一個(gè)IC讀卡器設(shè)備，大大提升了用戶(hù)的操作體驗(yàn)感。結(jié)合智能一卡通系統(tǒng)，它可以支持用戶(hù)的統(tǒng)一和即時(shí)認(rèn)證，支持用戶(hù)使用一卡通積分來(lái)預(yù)約會(huì)議室。受限于會(huì)議預(yù)約終端設(shè)備，內(nèi)置的IC讀卡模塊存在一些技術(shù)問(wèn)題，導(dǎo)致讀卡性能低下，無(wú)法體現(xiàn)智能終端的優(yōu)越性。本文基于一款已經(jīng)定型量產(chǎn)的全金屬框架的會(huì)議預(yù)約終端設(shè)備，介紹了分析和解決IC讀卡性能的方法。

1 內(nèi)置IC讀卡器現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

IC卡又稱(chēng)微芯片卡。讀卡器在讀卡前先產(chǎn)生一個(gè)13.56 MHz的信號(hào)，并通過(guò)天線(xiàn)將該信號(hào)發(fā)射出去[1]。IC卡通過(guò)內(nèi)部的LC串聯(lián)諧振電路收到該信號(hào)，同時(shí)持續(xù)對(duì)電容進(jìn)行充電。該電容的另一端有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖茫梢詫㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容進(jìn)行存儲(chǔ)[2]。當(dāng)所積累的電荷形成的電壓達(dá)到2 V時(shí)，該儲(chǔ)能電容可以為發(fā)射部分的電路提供工作電壓，將IC卡內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)射出去。讀卡器通過(guò)天線(xiàn)和LC諧振電路接收該信號(hào)，完成讀卡操作，如圖1所示。

圖1 IC讀卡原理

智能會(huì)議預(yù)約終端是一款全金屬框架的設(shè)備。設(shè)備最上層是全貼合觸控顯示屏，中間的設(shè)備鋁合金中框用于固定主板IC讀卡模塊，兩側(cè)是占用指示燈條，最下方是鋁合金后蓋[3]。觸控顯示屏、中框結(jié)構(gòu)以及后蓋，形成了一個(gè)封閉的金屬屏蔽腔體，對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的發(fā)射和接收造成了嚴(yán)重影響。在初版工程樣機(jī)的測(cè)試中，IC卡要緊貼在顯示屏表面，才能讀到卡號(hào)，且刷卡不可靠，一般要將IC卡在觸控顯示屏表面小范圍晃動(dòng)幾下才能讀到，體驗(yàn)感較差。觸控顯示屏作為外購(gòu)件是無(wú)法進(jìn)行優(yōu)化的，只能分析IC讀卡模塊、中框結(jié)構(gòu)和后蓋，以提出改善方案。

1.1 讀卡模塊線(xiàn)圈收發(fā)無(wú)線(xiàn)信號(hào)能力弱

讀卡模塊的諧振及天線(xiàn)原理電路如圖2所示。

圖2 讀卡模塊諧振及天線(xiàn)原理電路

Rant和Lant在形成發(fā)射天線(xiàn)的同時(shí)，與前置的RC回路組成了諧振電路，用于發(fā)射和接收13.56 MHz信號(hào)[4]。在IC讀卡時(shí)，讀卡線(xiàn)圈平面與IC卡內(nèi)置線(xiàn)圈平面需保持近似平行覆蓋的狀態(tài)。此時(shí)，兩個(gè)線(xiàn)圈之間的耦合主要體現(xiàn)為磁場(chǎng)耦合[5]。如果兩個(gè)線(xiàn)圈的磁場(chǎng)耦合性能不佳，會(huì)影響到IC讀卡的性能，這是改善IC讀卡靈敏度的一個(gè)方向。

1.2 中框結(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)線(xiàn)發(fā)射的遮蔽

中框是鋁合金結(jié)構(gòu)。在樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，金屬中框結(jié)構(gòu)與線(xiàn)圈天線(xiàn)的面積范圍存在部分重疊，導(dǎo)致天線(xiàn)接收無(wú)線(xiàn)信號(hào)的能力被削弱，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能會(huì)議預(yù)約終端截面

從圖3可以看出來(lái)，重疊的中框結(jié)構(gòu)對(duì)電磁場(chǎng)通信有所影響，也影響了磁場(chǎng)在空間中的傳播，進(jìn)而導(dǎo)致讀卡線(xiàn)圈天線(xiàn)收發(fā)效率降低。這是整合設(shè)計(jì)中考慮不全的地方，需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

1.3 后蓋結(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的屏蔽

智能會(huì)議預(yù)約終端設(shè)備的后蓋是基于鋁合金采用CNC工藝一體化成型的，既是設(shè)備的安裝面，也是設(shè)備4個(gè)側(cè)面的支撐面，如圖4所示。

從刷卡的操作上來(lái)看，磁場(chǎng)要同時(shí)穿過(guò)讀卡器的線(xiàn)圈天線(xiàn)和IC卡內(nèi)置的線(xiàn)圈天線(xiàn)，才能在信號(hào)發(fā)射時(shí)，使接收端獲取最大的感應(yīng)效果。而這種全封閉的金屬后蓋結(jié)構(gòu)，是全部屏蔽了無(wú)線(xiàn)信號(hào)的通信，導(dǎo)致信號(hào)被極大衰減，因此是改善讀卡性能的一個(gè)重點(diǎn)。

1.4 無(wú)線(xiàn)發(fā)射功率不足

在智能會(huì)議預(yù)約終端樣機(jī)設(shè)計(jì)中使用了MFRC52202HN1。它是一款高度集成的讀寫(xiě)IC，用于13.56 MHz的非接觸式通信。它的基本參數(shù)如表1所示。

考慮到諸多因素影響收發(fā)線(xiàn)圈進(jìn)行無(wú)線(xiàn)信號(hào)通信的靈敏度，所以在后續(xù)優(yōu)化時(shí)需要考慮在不大幅度增加設(shè)備功耗的情況下重新選型，以獲得良好的性能。

圖4 智能會(huì)議預(yù)約終端截面

表1 MFRC52202HN1基本參數(shù)

2 讀卡問(wèn)題解決方案研究

2.1 讀卡問(wèn)題解決方案分析

智能會(huì)議預(yù)約終端的刷卡問(wèn)題，可簡(jiǎn)化為兩個(gè)線(xiàn)圈之間的耦合問(wèn)題，也就是說(shuō)要通過(guò)各種方案增加IC卡內(nèi)部的次級(jí)線(xiàn)圈天線(xiàn)上得到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。它的計(jì)算公式為：

式中，N是線(xiàn)圈匝數(shù)，S是線(xiàn)圈面積，?B/?t是磁通量變化率。要增加讀卡靈敏度，可以從以下幾個(gè)方面著手。第一，增加線(xiàn)圈匝數(shù)。第二，增加讀卡器線(xiàn)圈和IC卡內(nèi)置線(xiàn)圈的耦合面積。除了要求智能會(huì)議預(yù)約終端要在設(shè)備上明顯標(biāo)識(shí)刷卡區(qū)域以引導(dǎo)用戶(hù)正確刷卡外，還要求讀卡器線(xiàn)圈的面積要盡量與IC卡內(nèi)置線(xiàn)圈的面積靠攏，以使兩個(gè)線(xiàn)圈的耦合面積最大化。第三，增加通過(guò)線(xiàn)圈的磁通量，以提高單位時(shí)間內(nèi)磁通量的變化率。

2.2 增加線(xiàn)圈匝數(shù)

從感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式可以看到，增加線(xiàn)圈匝數(shù)可以提高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小。但是，對(duì)于讀卡性能改善來(lái)說(shuō)，意義不大。從IC卡線(xiàn)圈電路充能角度來(lái)看，需要增加IC卡線(xiàn)圈匝數(shù)來(lái)提高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，但要求用戶(hù)已有IC卡改進(jìn)是不現(xiàn)實(shí)的。而從讀卡器線(xiàn)圈獲取IC卡數(shù)據(jù)的角度來(lái)看，需要增加讀卡器線(xiàn)圈的匝數(shù)以獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸性能。所以，增加線(xiàn)圈匝數(shù)的方案是不可行的。

2.3 增加線(xiàn)圈耦合面積

事實(shí)上，IC卡線(xiàn)圈的面積是固定的，而讀卡線(xiàn)圈的面積相對(duì)來(lái)說(shuō)較小。考慮到發(fā)射和接收兩個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)要盡量將讀卡線(xiàn)圈的面積調(diào)整到接近IC卡線(xiàn)圈面積，以在兩個(gè)環(huán)節(jié)中都獲得最大的有效耦合面積。設(shè)計(jì)在保持LC諧振參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，優(yōu)化線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)。優(yōu)化前后的PCB設(shè)計(jì)如圖5和圖6所示。

圖5 優(yōu)化前線(xiàn)圈設(shè)計(jì)

圖6 優(yōu)化后線(xiàn)圈設(shè)計(jì)

優(yōu)化前，讀卡器線(xiàn)圈的有效面積是17.2 mm×29.6 mm；優(yōu)化后，讀卡器的有效面積是24.1 mm×29.6 mm。線(xiàn)圈面積提高了將近40%，對(duì)提高讀卡靈敏度來(lái)說(shuō)是一個(gè)重大進(jìn)步。

中框金屬結(jié)構(gòu)遮擋會(huì)減小兩個(gè)線(xiàn)圈的有效耦合面積。為了避免這個(gè)問(wèn)題，中框結(jié)構(gòu)對(duì)涉及到讀卡器線(xiàn)圈有效面積的位置進(jìn)行了修改，在保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡可能刪除遮擋部分，如圖7所示。其中，左圖為改善前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，右圖為改善后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖7 中框結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意

2.4 增加通過(guò)線(xiàn)圈的磁通量

增加通過(guò)線(xiàn)圈的磁通量有3種方案：一是在鋁合金后蓋上的讀卡器線(xiàn)圈的相應(yīng)位置上增加一些裝飾孔，用于增強(qiáng)磁場(chǎng)通過(guò)的效率；二是提高讀卡器天線(xiàn)的發(fā)射功率；三是可以在讀卡器線(xiàn)圈上增加鐵氧體材料，以增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)于13.5 MHz的低頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，IC讀卡線(xiàn)圈面積范圍內(nèi)2 mm直徑大小的開(kāi)孔可以讓信號(hào)通過(guò)，這里不再贅述，重點(diǎn)分析后面兩項(xiàng)。

在無(wú)線(xiàn)發(fā)射功率問(wèn)題的闡述中，樣機(jī)設(shè)計(jì)選型的讀卡芯片的最大發(fā)射功率只有0.36 W。終端設(shè)備整機(jī)的設(shè)計(jì)功率為17 W，芯片最大發(fā)射功率增加1 W對(duì)于整機(jī)功耗影響不大，卻對(duì)改善IC讀卡性能非常重要。這樣設(shè)計(jì)優(yōu)化后的芯片選型參數(shù)如表2所示。

表2 MFRC63002HN基本參數(shù)

前面的原理分析中可知，IC讀卡的信號(hào)通信主要依靠磁場(chǎng)耦合來(lái)完成。通過(guò)增加勵(lì)磁材料來(lái)增強(qiáng)耦合的磁場(chǎng)強(qiáng)度是一個(gè)可以嘗試的方向。經(jīng)過(guò)對(duì)鐵氧體材料的選型和實(shí)測(cè)，確定了下面這款鐵氧體材料，如表3所示，并將其通過(guò)雙面硅膠完整的黏附在IC讀卡線(xiàn)圈上，如圖8所示。

將上述分析確定的改善方案應(yīng)用在后續(xù)的小批量試產(chǎn)上。經(jīng)過(guò)對(duì)25臺(tái)設(shè)備的逐一測(cè)試，IC卡的感應(yīng)高度可以改善到3～5 mm，且基本上可以較為靈敏地讀取到卡號(hào)，驗(yàn)證了改善方案是成功的。

表3 鐵氧體材料參數(shù)

圖8 鐵氧體材料應(yīng)用

3 內(nèi)置IC讀卡改善方案的不足

3.1 金屬框架對(duì)IC讀卡的影響

從電磁場(chǎng)傳輸理論來(lái)看，金屬結(jié)構(gòu)對(duì)電磁場(chǎng)的影響非常大。設(shè)計(jì)之初只考慮了產(chǎn)品的外觀(guān)性，對(duì)IC讀卡中的無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸沒(méi)有足夠的重視，導(dǎo)致讀卡性能低下。后續(xù)可以在保持外觀(guān)性的同時(shí)，對(duì)中框及后蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)模，做成塑料件。一方面可以繼續(xù)優(yōu)化IC讀卡的性能，另一方面可以在量產(chǎn)的時(shí)候節(jié)省成本。

3.2 讀卡軟件優(yōu)化的缺失

前面所討論的改善方案都是針對(duì)硬件電路及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改善，沒(méi)有考慮對(duì)讀卡軟件的優(yōu)化。現(xiàn)階段，讀卡軟件只是完成一次讀卡的動(dòng)作，后續(xù)可以將軟件調(diào)整為連續(xù)3次的讀卡動(dòng)作，以相應(yīng)地提高成功讀卡的概率。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)智能會(huì)議預(yù)約終端內(nèi)置IC讀卡性能的研究，優(yōu)化智能會(huì)議預(yù)約終端的設(shè)計(jì)，保證了產(chǎn)品按照計(jì)劃投入量產(chǎn)。同時(shí)，針對(duì)一些全金屬結(jié)構(gòu)的無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備，如物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，提供了一種可靠性?xún)?yōu)化的方案。