双界面CPU卡芯片在高速公路道路识别通行卡中的应用

介绍了双界面CPU卡芯片FM1216的电路接口、传输协议及其在高速公路路径识别通行卡中的应用，阐述了高速公路模糊路径通行卡的识别原理、硬件组成和软件设计。

关键词双界面CPU卡； 路径识别； 门禁卡

双界面CPU卡在高速公路路线识别卡中的应用

摘要：双接口CPU卡芯片FM1216的接口电路、传输协议及其在高速公路路径识别卡中的应用，并介绍了卡在识别原理、高速公路两路交通的硬件和软件设计。

关键词：双界面CPU卡； 路径识别； 通卡

介绍

双界面CPU卡是一种同时支持接触式和非接触式通信方式的CPU卡。 接触界面和非接触界面共用一个CPU进行控制，自动选择接触模式和非接触模式。 FM1216系列是上海复旦微电子公司生产的双界面CPU卡芯片。 它支持ISO14443和ISO7816通信协议。 EEPROM容量为16Kbyte。 公交、高速、小额消费转账机市民卡等领域。

近年来，随着我国高速公路建设的快速发展，大量的路网连接造成了多路径问题，即道路上从A点行驶到B点的车辆往往存在多条可选路径网络和模糊的路径环路导致车辆通行费的收取和拆分变得越来越突出[1]。 为解决道路不明问题，在高速公路分叉路口设置指示牌站。 当车辆经过路标时，通行卡利用无线通信技术接收路标信息，通过接触式接口保存到通行卡中的双界面CPU卡中。 芯片。 在高速公路出口处，读卡器通过非接触式接口读取通行卡中双界面CPU卡芯片中存储的识别信息，确定车辆行驶路线。

一、FM1216双界面CPU卡芯片的电路接口及传输协议

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所示，其中VCC、GND、IO、CLK和RST分别为CPU的电源、地、数据输入输出、时钟和复位信号ISO7816接触式智能IC卡接口，LA、LB为非接触天线接口，VDD为CPU卡非接触读写时输出感应电源电压。

图1 FM1216管脚定义

1.2 传输协议

由于门禁卡对外通过非接触式读卡器读写卡，而内部单片机通过接触式接口读写双界面CPU卡，所以本文只介绍接触式传输协议双界面CPU卡芯片。

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，并且只支持一种. 读卡器终端必须同时支持T=0和T=1两种协议[2]。 目前应用最广泛的是T=0通信协议。 大多数 CPU 卡都支持该协议，金融交易中也使用该通信协议。 基于此，本文只讨论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为发送数据的长度，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~NB； Le为接收数据的长度，可选字段，长度为0、1 B、2 B或3 B，表示命令响应中期望的最大数据字节数； 命令头由命令的前5个B组成 第5个字节（P3）由INS码决定，或表示命令中发送给CPU卡的数据，或等待CPU响应的最大数据长度卡片。 协议响应格式如下：

其中，Data为返回数据字段，可选字段，长度为0~NB； SW1 和 SW2 是响应状态字节。

1.2.2 处理字节

CPU卡收到命令头后，返回一个进程字节给传输层（TTL），告诉TTL下一步必须采取的措施，如表3所示。

在情况 I 或 II 中，当执行 TTL 采取的操作时，它会等待另一个进程字节。 情况III时，收到第二个状态字节SW2后，TTL必须做如下处理：

(1)如果进程字节为“61”，TTL向IC卡发送GET RESPONSE命令，最大长度为XX，XX为SW2的值；

(2)如果进程字节为“6C”，TTL立即重新发送上一条命令的命令头给IC卡，其长度为XX，XX为SW2的值；

(3) 如果进程字节为“6X”（“60”、“61”、“6C”除外）或“9X”，TTL会通过命令响应向应用层（TAL）返回状态码，即由 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、道路标线站、读卡器和收费软件组成。 当车辆进入高速公路入口，司机取卡后，收费卡从休眠模式激活，安装在高速公路旁的识别台通过433MHz无线方式不断发送识别信息。 当车辆通过识别站时，收费卡接收识别信息。 并保存识别信息，在高速公路出口处通过读卡器读取通行卡中的识别信息，收费软件根据识别信息判断车辆行驶路线，完成通行费的计算和拆分。 读取数据后etc的芯片应该朝哪一面，通行卡进入休眠模式。

在本系统中，门禁卡主要完成识别信息的接收和保存，并根据读卡器的指令切换工作模式。

3. 硬件设计

门禁卡主要由MSP430单片机、双界面CPU卡芯片FM1216、无线通讯芯片CC1101和锂电池组成。 双界面CPU卡芯片FM1216的接触式通信接口与单片机的GPIO相连。 单片机模拟ISO7816协议通过GPIO读写双接口CPU卡芯片。 FM1216的VDD（PIN3）接单片机的外部中断。 使用CPU卡时，该脚输出高电平触发单片机外部中断，用于读卡器读写通行卡时唤醒单片机。 无线通信芯片CC1101通过SPI接口与单片机相连，天线以蛇形方式实现在电路板上。 锂电池电压通过分压电阻输入到带有10位200ksps模数（A/D）转换器的MCU，用于检测电池电压和估算电池剩余电量。 硬件框图如图2所示。

图 2 硬件框图

3.1 MSP430 单片机

MSP430系列MCU以超低功耗着称。 本项目使用 MSP430G2333。 该MCU基于16位RISC混合信号处理器，专为满足超低功耗和低成本的要求而设计。 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，内置10位200 ksps 模数 (A/D) 转换器。 工作电压范围1.8V-3.6V，可采用单节锂电池直接供电，最大限度减少元器件数量etc的芯片应该朝哪一面，降低功耗和成本。

3.2 CC1101无线通信

CC1101是Chipcon公司生产的一款工作在1GHz以下频段的无线数据传输芯片，专为极低功耗射频应用而设计。 射频收发器工作在ISM（Industrial, Scientific and Medical）和SRD（Segment Distance Device）频段315MHz、433MHz、868MHz和915MHz，也可设置300MHz～348MHz、387MHz～464MHz和779MHz～频段通过软件编程928MHz。 本系统无线通信频率设置为433MHz。 该频段为免申请段的收发频率，具有穿透力强、通信可靠的特点。 该芯片主要用于接收道路标线站信息，CC1101电路原理图如图3所示。

图3 CC1101电路原理图

4.通卡软件设计

通行卡有两种工作状态：休眠和激活。 在司机取卡前，通行卡处于休眠状态。 取卡时，收费站岗亭的读卡器通过非接触式通信将卡激活指令写入CPU卡芯片。 同时，通行卡内部的单片机被读卡器唤醒，根据指令切换到工作状态。 门禁卡激活后，单片机每隔1秒定时开启CC1101，接收道路标线站信息。 最高车速160KM/h时，车辆与标线站的最大距离为44.4米。 CC1101能可靠接收数据，为了节省电池功耗，CC1101开启5mS后关闭，单片机进入低功耗模式等待下一个秒定时周期。 单片机在接收到识别站信息时，通过接触式通信将识别信息写入CPU卡芯片，不会重复写入相同的识别信息。 另外，在激活状态下，单片机每隔30分钟将电池电量信息写入CPU卡芯片。 在高速公路出口处，读卡器通过非接触式通讯读取存储在CPU卡芯片中的识别站信息和电量信息。 结束后，收费卡根据读卡器写入CPU卡芯片的命令进入休眠状态，如图4所示为单片机程序流程图。

图4 单片机程序流程图

5 结论

路径识别通行卡采用低功耗短距离无线通信技术。 只需在高速公路岔路口附近设置道路标线站，通过读卡器读取通行卡接收到的路径识别信息，即可确认车辆的行驶路径。 同时采用双界面CPU卡芯片作为路径识别信息的存储介质，在不更换收费站现有读卡器的情况下，解决了高速公路上路径不明确的问题，大大减少了设备采购高速公路运营单位的成本。 具有路径识别率高、成本低、电池寿命长等特点。

参考

[1] 何鹏, 史望聪, 陈辉． RFID技术在电子不停车收费系统路径识别中的应用设计[J].电子设计工程． 2009, 17(8): 15-17.

[2] 高祝荣，蔡国勇． 基于单片机的CPU卡读写驱动接口设计[J]微机及应用． 2016(8): 53-57.

关于作者

黄涛（1983- ），男，江西省南昌市人，大学本科学历，现为江西兴兴科技有限公司工程师。主要研究方向：公路机电设备研发。

作者单位江西兴兴科技有限公司江西省南昌市邮编：330025