引言
    智能卡以其使用方便、交易時間短、安全可靠等特點被廣泛應用于交通、醫療、消費等領域。智能卡可分為兩大類：接觸式智能卡和非接觸式智能卡。接觸式智能卡通過物理觸點和讀卡器交換信息，非接觸式智能卡通過射頻信號來交換信息。非接觸式智能卡以其良好的防水、防塵、使用壽命長、交易方便的特點受到越來越多的青睞。然而，非接觸式智能卡通過射頻來交換信息，為系統的開發和調試帶來新的挑戰。本文結合ISO14443 A類非接觸式智能卡通信的特點，給出A類非接觸式智能卡監聽器的一種設計方法。借助于該設備，能夠監聽智能卡與讀卡器之間的所有信息交換，快速定位問題所在，加速系統開發。

1 A類非接觸式智能卡與讀寫設備的通信機制
    非接觸式智能卡是無源設備，通過接收射頻能量獲得電能，供給智能卡工作。非接觸式讀寫設備擔當著能量供給與信息交換的雙重任務。根據ISO14443協議規定，非接觸式讀寫設備發送磁場強度為1．5～7．5 A／m、頻率為13．56 MHz的射頻信號，Type A類讀寫設備向智能卡發送信息，按照改進型米勒編碼、100％ASK調制方式；智能卡向讀寫設備回復數據按照曼徹斯特編碼、負載調制方式。智能卡和讀寫設備數據交互的整個過程中，讀寫設備是主動方，智能卡只是接收讀寫設備下發的命令幀，作出相應回復。
    根據讀寫設備命令幀和智能卡回復幀之間延遲時間的不同要求，讀寫設備的命令可以分為：固定幀延遲命令和非固定幀延遲時間命令。固定幀延遲命令要求智能卡在指定時間點作出回復，包括REQA命令、WUPA命令、ANTICOLLISION命令、SELECT命令。這些命令主要用于智能卡的初始化，對于某一確定的智能卡具有唯一的回復。非固定幀延遲命令要求智能卡在大于某固定時間后發送回復幀，包括以上命令外的所有命令。針對以上兩種類型命令，在后面的設計中會對其進行不同處理。

2 設計原理
    根據以上智能卡與讀寫器之間信息交互的原理，在讀寫設備與智能卡之間加入一個監聽設備，使得讀寫設備發送的命令由監聽設備接收，再由監聽設備轉發至智能卡；智能卡回復的數據由監聽設備接收，再由監聽設備回復至讀寫器。這樣，監聽設備就捕獲了讀寫器與智能卡之間所有的交互數據，如圖1所示。

    由于監聽設備的存在，使得讀寫設備與智能卡之間的幀延遲具有不確定性，針對固定幀延遲命令，監聽設備應該提前獲得智能卡對這些命令的回復，在讀寫設備發送這些命令時，在固定回復時間點直接回復讀寫設備，而不經過智能卡取回復的過程。針對非固定幀延遲命令，由于命令及回復的多樣性且對幀延遲時間要求不高，適合使用監聽設備傳遞數據的工作方式。整體工作流程如圖2所示。首先監聽設備發送固定幀延遲命令，獲得智能卡的回復并保存；然后讀寫設備開始發送命令，對于固定幀延遲命令監聽設備直接回復，對于非固定幀延遲命令監聽設備傳遞命令及回復..

3 設計實現
    本文中監聽器主要由模擬前端、控制器、非接觸式讀卡器3部分組成。
3．1 模擬前端設計
    模擬前端由分立器件組成，主要實現幅度限制、13．56MHz時鐘提取、數據解調、復位檢測、數據調制功能，如圖3所示。由于二極管PN結電壓為0.7V，限幅電路由5個二極管串聯組成，限幅電壓在3.5V左右；數據解調電路使用二極管進行包絡檢波，通過遲滯比較器MAX962ESA比較得到數據，調整遲滯比較器的門限電壓將改變解調數據的位寬；13．56 MHz時鐘提取電路與數據解調電路類似，合理設置遲滯比較器的門限電壓，能有效抑制時鐘提取電路產生窄脈沖，避免窄脈沖對后面的數字電路產生影響；數據調制部分使用三極管對天線電路泄流完成負載調制的功能，負載過大會影響13．56 MHz時鐘信號的提取，負載過小可能會造成讀寫器無法識別數據，負載大小需在調試時綜合其他電路性能進行調節；復位信號主要用于檢測讀寫器是否處于關閉場強狀態，控制器通過檢測該信號對監聽器讀卡器作出相應的關閉場強動作。

3. 2 控制器設計
    控制器采用Spartan-6 FPGA芯片，主要完成數據解碼、數據編碼同步發送、與PC機通信、與非接觸式讀卡器通信等功能，如圖4所示。時鐘產生電路產生424kHz的同步時鐘對數據進行編、解碼，在數據3 μs位置，沒有13．56 MHz時鐘，則由系統時鐘進行填補，組成采樣時鐘；解碼電路使用采樣時鐘對數據采樣、判斷，去除起始結束位，組成字節寫入FIFO，同時統計數據位數，供內部8051控制器讀取；編碼電路對寫入FIFO的數據進行曼徹斯特編碼，加入奇偶校驗位和幀起始結束位，并在同步時間點發送；USB控制器完成監聽器與PC機的通信；8051完成整個監聽的流程控制及數據的記錄與傳送。

3．3 非接觸式讀卡器設計
    非接觸式讀卡器采用MFRC531，主要完成與智能卡的通信，如圖5所示。MFRC531是應用于13.56MHz非接觸式通信中高度集成讀寫芯片系列的一員。該讀寫芯片系列利用了先進的調制和解調概念，完全集成了13.56MHz下所有類型的被動非接觸通信方式和協議，支持ISO／IEC14 443 A／B的所有層和MIFARE經典協議，以及與該標準兼容的標準。內部的發送部分不需要增加有源電路，就能夠直接驅動近操作距離的天線(可達100 mm)。接收器部分提供一個堅固而有效的解調和解碼電路，用于ISO14443 A兼容的應答器信號。數字部分處理ISO14443 A幀和錯誤檢測。與主機通信模式有8位并行和SPI模式。在本文中，與微控制器通信部分使用8位并行設計，諧振電路部分設計與MFRC531的參考設計保持一致。

4 調試
    調試過程可以根據各個模塊功能分別調試驗證，智能卡模擬前端調試包括諧振頻率、限幅電路幅值、包絡檢波閾值、時鐘提取閾值、負載調制強度的調整；控制器調試包括數據同步收發、USB通信、MFRC531控制邏輯調試；非接觸式讀卡器調試包括諧振頻率、Q值等的調整。

結語
    通過對以上電路的調試，可以實現對讀寫設備與智能卡通信的監聽，記錄并分析二者交互的信息。該設備可以應用于現場調試，快速定位問題所在，加快產品應用開發。由于該設計會增加智能卡回復幀延遲，可能會造成時間緊促系統的讀寫器等待超時，最終導致監聽失敗。