摘 要 介绍了双界面CPU卡芯片FM1216的电路接口、传输协议和它在高速公路路径识别通行卡上的应用，并描述了该通行卡在高速公路二义性路径的识别原理、硬件组成和软件设计。
关键词 双界面CPU卡;路径识别;通行卡
Application of dual interface CPU card in highway route identification card
Abstract: The double interface CPU card chip FM1216 interface circuit, transmission protocol and it in the path identification card on the highway application, and describes the card in the identification principle, highway two path of the hardware and software design of the traffic.
Key words: Dual interface CPU card; Path identification; Pass card
引言
双界面CPU卡是一种同时支持接触式与非接触式两种通讯方式的CPU卡，接触接口和非接触接口共用一个CPU进行控制，接触模式和非接触模式自动选择。FM1216系列是上海复旦微电子公司出品的双界面CPU卡芯片，支持ISO14443和ISO7816通信协议，EEPROM容量为16Kbyte，市场目标定位于接触式的社保卡、ESAM模块及非接触式和双界面应用下的公交、高速、小额消费移机市民卡等领域。
近年来，随着我国高速公路建设的快速发展，大量路网连接造成多路径问题，也就是车辆从路网内的甲地行驶到乙地往往存在多条可选路径，二义性路径路环不断增多，导致车辆通行费的收取和拆分问题也越来越突出[1]。为了解决二义性路径问题，在高速公路分叉路口安装标识站，当车辆经过标识站，通行卡利用无线通信技术接收该标识站信息，并通过接触接口保存至通行卡内的双界面CPU卡芯片。在高速公路出口，读卡器通过非接触接口读取通行卡内双界面CPU卡芯片内保存的标识信息确定车辆行驶路径。
1. FM1216双界面CPU卡芯片的电路接口和传输协议
1.1 电路接口
FM1216双界面CPU卡芯片采用QFN28封装，引脚定义如图1，其中VCC、GND、IO、CLK和RST为ISO7816接触式智能IC卡接口的电源、地、数据输入输出、时钟和复位信号，LA和LB为非接触式天线接口，VDD为当采用非接触方式读写CPU卡时该引脚输出感应电源电压。
图1 FM1216引脚定义 1.2 传输协议 由于该通行卡对外可以通过非接触式读卡器读写卡片，内部单片机单片机则通过接触接口对双界面CPU卡进行读写操作，所以本文只介绍该双界面CPU卡芯片的接触式传输协议。 根据ISO7816-4的规定，CPU卡必须支持异步半双工字符传输协议(T=0)或异步半双工块传输协议(T=1)中的一种，且仅支持一种。读卡终端则必须同时支持T=0和T=1的两种协议[2]。目前T=0通信协议的应用最为广泛，大多数CPU卡都支持该协议，在金融交易中也采用这种通信协议，基于此，本文仅讨论T=0协议。 1.2.1 协议命令 协议的命令格式如下： 其中CLA表示命令类别;INS表示指令代码;P1、P2为INS的参数字节;Lc为发送数据长度, 可选字段，长度为0、1 B或3 B;Data为命令数据字段，可选字段，长度为0~N B;Le为接收数据长度，可选字段，长度为0、1 B、2 B或3 B，指出命令响应中预期的数据最大字节数;命令头由命令的前5 B组成，其中第5个字节(P3)由INS的编码而定，或是表示命令中送给CPU卡的数据，或是等待从CPU卡响应的最大数据长度。协议响应的格式如下： 其中Data为返回数据字段，可选字段,长度为0~N B;SW1、SW2为响应状态字节。 1.2.2 过程字节 CPU卡在收到命令头后，回送一个过程字节给传输层(TTL)，向TTL指明下一步必须采取的措施，如表3所示。 在情况Ⅰ或Ⅱ时，当TTL采取的措施实行后，它就等待着另一个过程字节。当情况为Ⅲ时，在收到第2个状态字节SW2之后，TTL必须处理如下： (1)如果过程字节为"61"，则TTL送出一条GET RESPONSE命令给IC卡，其中的最大长度为XX，XX为SW2的值; (2)如果过程字节为"6C"，则TTL立即重发前一个命令的命令头给IC卡，其长度为XX，XX是SW2之值; (3)如果过程字节为"6X"(除了"60"、"61"和"6C")或"9X"，TTL将通过命令响应返回状态码给应用层(TAL)，由TAL处理，并等待下一个命令。 2. 系统设计 路径识别系统主要由路径识别通行卡、路面标识站、读卡器和收费软件组成。车辆进入高速公路入口，司机取卡后通行卡由休眠模式被激活，安装在高速公路旁的标识站通过433M Hz无线方式连续不断发送标识信息，当车辆经过该标识站时通行卡接收标识信息，并将该标识信息保存，在高速公路出口通过读卡器读取通行卡内的标识信息，由收费软件根据标识信息判断车辆行驶路径并完成通行费的计算和拆分，读完数据后通行卡进入休眠模式。 本系统中，通行卡主要完成标识信息的接收和保存，并根据读卡器的指令转换工作模式。 3. 硬件设计 通行卡主要由MSP430单片机、双界面CPU卡芯片FM1216、无线通信芯片CC1101和锂电池等组成。双界面CPU卡芯片FM1216的接触式通信接口与单片机的GPIO连接，单片机通过GPIO模拟ISO7816协议读写双界面CPU卡芯片，FM1216的VDD(PIN3)连接单片机的外部中断，当采用非接触方式读写CPU卡时该引脚输出高电平触发单片机的外部中断，用于读卡器在进行读写通行卡的时候唤醒单片机。无线通信芯片CC1101通过SPI接口与单片机连接，天线在电路板上以蛇形走线方式实现。通过分压电阻将锂电池电压输入到单片机自带10位200-ksps模数(A/D)转换器，用于检测电池电压并估算电池剩余电量，硬件框图见图2。 图2 硬件框图 3.1 MSP430单片机 MSP430系列单片机以超低功耗而著称，本项目中采用MSP430G2333，该单片机基于16bit RISC的混合信号处理器，专为满足超低功耗、低成本需求而设计。内置DCO时钟和VLO超低功耗低频时钟，有4种低功耗模式，其中低功耗模式4最低工作电流仅为0.1uA，自带10位200-ksps模数(A/D)转换器。工作电压范围1.8V-3.6V，可以使用单节锂电池直接为其供电，最大限度的减少元件数量、降低功耗和成本。 3.2 CC1101无线通信 CC1101由Chipcon公司出品的工作在低于1GHz频段的无线数传芯片，是一款旨在用于极低功耗RF应用。该RF收发器工作在315MHz、433MHz、868MHz和915MHz的ISM(工业，科学和医学)和SRD(段距离设备)频率波段，也可以通过软件编程设置频率波段300MHz～348MHz、387MHz～464MHz和779MHz～928MHz。本系统中无线通信频率设置为433MHz，该频段为免申请段接收发射频率，具有穿透性强、通讯可靠等特点。该芯片主要用于接收路面标识站信息，CC1101的电路原理图如图3。 图3 CC1101电路原理图 4. 通行卡软件设计 该通行卡有休眠和激活两种工作状态，司机取卡之前通行卡处于休眠状态，取卡时收费站岗亭的读卡器将卡片激活命令通过非接触通信方式写入CPU卡芯片，同时通行卡内的单片机被读卡器唤醒，根据命令切换工作状态为激活。通行卡在激活状态下，单片机定时每隔1秒钟打开CC1101，接收路面标识站信息，以最高车速160KM/h，车辆距标识站最远距离44.4米，CC1101能可靠的接收数据，为了节省电池电量消耗，CC1101打开5mS后关闭，单片机进入低功耗模式，等待下一秒钟的定时周期。当收到标识站信息时，单片机将标识信息通过接触式通信方式写入CPU卡芯片，重复接收到的相同标识信息不写入。另外，在激活状态下单片机每间隔30分钟将电池电量信息写入CPU卡芯片。在高速公路出口，读卡器通过非接触通信方式读取CPU卡芯片内保存的标识站信息和电量信息，结束后，通行卡根据读卡器写入CPU卡芯片的命令进入休眠状态，图4为单片机程序流程图。 图4 单片机程序流程图 5. 结语 该路径识别通行卡采用低功耗近距离无线通信技术，只需在高速公路分叉路口附近安装路面标识站，通过读卡器读取通行卡收到的路径标识信息就可以确认车辆行驶路径，同时，采用双界面CPU卡芯片作为路径标识信息的存储介质，在不更换收费站现有读卡器的情况下解决高速公路二义性路径问题，大大降低高速公路运营单位的设备采购成本，具有路径标识率高、成本低和电池使用寿命长等特点。 参考文献 [1]何鹏，史望聪，陈辉. RFID技术在电子收费系统路径识别的应用设计[J]电子设计工程. 2009，17(8)：15-17. [2]高柱荣，蔡国永.基于MCU实现CPU卡读写驱动接口的设计[J]微型机与应用.2016(8)：53-57. 作者简介 黄涛(1983- )，男，江西省南昌市人，本科学历，现为江西方兴科技有限公司工程师。主要研究方向：高速公路机电设备研发。 作者单位 江西方兴科技有限公司 江西省南昌市 邮编：330025
