基于射頻卡芯片AT88SC6416CRF設計的門(mén)診電子病歷

摘要：介紹了一套基于AT88SC6416CRF開(kāi)發(fā)醫院門(mén)診電子病歷的射頻識別系統設計方法。該系統既能方便安全地記錄門(mén)診病人相關(guān)的各種就診信息，又能確保數據在傳輸過(guò)程中的安全性，完全可以滿(mǎn)足門(mén)診電子病歷的基本要求。

關(guān)鍵詞：射頻識別系統?電子病歷?AT88SC6416CRF

１ 引言

射頻卡（簡(jiǎn)稱(chēng)ＲＦ卡）是一種新式非接觸ＩＣ卡，具有使用壽命長(cháng)、對讀寫(xiě)設備（ＰＣＤ）無(wú)物理磨損、不存在因接觸而引起病菌交叉傳染等優(yōu)點(diǎn)，所以特別適用于在醫院這種特殊場(chǎng)所進(jìn)行信息儲存。ＲＦ卡的關(guān)鍵部分為鑲嵌在卡片內部的ＲＦ芯片，下面以ＡＴ-ＭＥＬ公司的ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ射頻卡芯片為例來(lái)討論其在門(mén)診電子病歷中的應用。

２　芯片簡(jiǎn)介

ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ射頻卡芯片在出廠(chǎng)時(shí)已被做成封裝好的微型模塊，其體積僅為５．０６８．０００．３８ｍｍ３。內部帶有６４ｋＢ的用戶(hù)ＥＥＰＲＯＭ和２ｋＢ的系統ＥＥＰＲＯＭ，遵循ＩＳＯ１４４４３ Ｂ標準，使用１３．５６ＭＨｚ頻段，內設防重疊系統，可支持多卡同時(shí)使用。該器件采用３組６４位長(cháng)、相互加密校驗的密鑰和密碼對，能重復寫(xiě)１００?０００次以上，數據可保持１０年，并可抵抗各種惡劣的使用環(huán)境，溫度使用范圍為－４０～＋８５℃。ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ采用開(kāi)放式結構，具有良好的兼容性，允許用戶(hù)自行選擇讀卡設備同時(shí)與常用的ＰＨＩＬＩＰＳ公司的ＭＣ５３１兼容，而且價(jià)格低廉，每個(gè)芯片售價(jià)不到７元人民幣。

３　內部結構

ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ射頻卡芯片內部分為ＲＦ射頻接口電路和其它數字電路兩大部分，其功能組成框圖如圖１所示。

３．１ 系統配置區結構

ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ內有大小為２．０４８ｂｉｔ的ＥＥＰ-ＲＯＭ單元，稱(chēng)為系統配置區，專(zhuān)門(mén)用于存儲系統數據，如密碼、數據編碼方式和用戶(hù)內存中每個(gè)扇區的安全級別定義等。對配置區的操作可通過(guò)安全熔絲技術(shù)對卡的配置區等特定部分的編程寫(xiě)入進(jìn)行控制。該類(lèi)操作只能由系統開(kāi)發(fā)者以規定的控制時(shí)序邏輯來(lái)完成，普通的最終用戶(hù)?如電子病歷卡的使用者?無(wú)法改變其中的信息。

３．２ 用戶(hù)區內存結構

ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ給用戶(hù)提供有８１９２個(gè)字節?６４ｋＢ?的ＥＥＰＲＯＭ存儲容量，整個(gè)用戶(hù)內存劃分為１６個(gè)扇區，編號為扇區０～扇區１５。每個(gè)扇區有１６個(gè)頁(yè)（ｐａｇｅ），每個(gè)頁(yè)的長(cháng)度為３２個(gè)字節，這樣，一個(gè)扇區共有３２Ｂｙｔｅ１６＝５１２Ｂｙｔｅ。用戶(hù)區內存具體的分配結構如表１所列。

表1 用戶(hù)EEPROM具體分配結構

３．３ 用戶(hù)區內存的存取

在讀卡器（即ＰＣＤ）對ＲＦ卡進(jìn)行配置時(shí)，將會(huì )加載安全認證協(xié)議，并對每一次讀／寫(xiě)操作的當前密碼進(jìn)行雙向校驗，同時(shí)用此安全認證機制來(lái)驗證數據的正確性。為了保證每個(gè)用戶(hù)扇區的數據安全，每個(gè)用戶(hù)扇區可以配置成自由讀／寫(xiě)數據，或者設置操作密碼。各個(gè)不同的用戶(hù)扇區可以設置自己互不相同的密碼。ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ芯片內部設有特殊計數器，同時(shí)可以限定嘗試密碼的次數，還可以有效地抵抗外界暴力破解密碼的攻擊。具體的安全認證過(guò)程如圖２所示。

在ＲＦ卡和識別系統建立起信任關(guān)系前，首先應將自己的卡號送給識別系統，以使識別系統計算出一個(gè)驗明身份的Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ Ａ，并將它送給ＲＦ卡進(jìn)行校驗。ＲＦ卡接著(zhù)計算驗明身份的Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ Ｂ，同時(shí)將它送回給識別系統進(jìn)行校驗。完成第一次雙向校驗后，識別系統開(kāi)始讀取密碼，并由ＲＦ卡對讀取的該密碼進(jìn)行檢查，檢查通過(guò)后，將發(fā)送檢驗用的Ｃｈｅｃｋｓｕｍ和數據給識別系統，以便由識別系統對Ｃｈｅｃｋｓｕｍ進(jìn)行校驗。完成上面的第二步雙向校驗后，識別系統將寫(xiě)密碼、數據和Ｃｈｅｃｋｓｕｍ送給ＲＦ卡，再由ＲＦ卡對Ｃｈｅｃｋｓｕｍ進(jìn)行校驗。完成這第三步雙向校驗后，雙方即可建立起信任關(guān)系，同時(shí)識別系統即可對ＲＦ卡執行讀／寫(xiě)操作。

在用戶(hù)卡與識別系統進(jìn)行初始化系統配置區時(shí)，應當將不同類(lèi)型的數據存儲在不同的區域(即存儲在多扇區的結構內)，而且只有在分別進(jìn)行了安全認證后，才能進(jìn)行存取操作；實(shí)際上，也可以給多個(gè)扇區選擇同樣的安全模式，以便把這些扇區當作一塊整體存儲區域來(lái)操作。這種特點(diǎn)為該卡的使用帶來(lái)了極大的靈活性。

４　工作原理

筆者設計的這種射頻識別系統是由鑲嵌有ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ以及天線(xiàn)的用戶(hù)卡片（ＰＩＣＣ）和讀寫(xiě)ＰＩＣＣ的ＰＣＤ系統共兩部分組成。其中ＰＣＤ有兩種構成方法，第一種是用現成的ＩＳＯ１４４４３ Ｂ讀寫(xiě)ＯＥＭ模塊，它帶有與ＰＣ機可以直接相連的接口，因而可以方便地實(shí)現對ＰＩＣＣ的操作；第二種方法是只使用專(zhuān)用芯片ＲＦ５３１，它可與ＭＣＵ（如ＡＴ８９Ｃ５２）一起構成ＰＣＤ，該種方法比較復雜，但由于是從底層做起，靈活程度高，成本也較低。本文具體討論后者，其電路主要結構如圖３所示。

這種方法構成的整個(gè)射頻識別系統的基本原理是：根據ＩＳＯ １４４４３－２規定的要求，用ＰＣＤ來(lái)產(chǎn)生通信的射頻場(chǎng)，其工作場(chǎng)頻為１３．５６ＭＨｚ，該射頻場(chǎng)主要通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)給作用范圍（１０ｃｍ）內的ＰＩＣＣ傳送功率。首先由ＰＣＤ向ＰＩＣＣ發(fā)一組固定頻率的電磁波，在電磁場(chǎng)的激勵下，ＲＦ芯片內的ＬＣ串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內有了電荷。在這個(gè)電容的另一端接有一個(gè)單向導通的電子泵，它可以將電荷送到另一個(gè)電容內并儲存，當所積累的電荷達到規定的電壓值時(shí)，此電容可作為電源對卡內其他部分的電路提供工作電壓，同時(shí)將ＲＦ芯片內的數據發(fā)射出去或接收ＰＣＤ的數據。

ＰＩＣＣ和ＰＣＤ之間的雙向通信遵循ＩＳＯ１４４４３－２通信標準，主要的通信參數有位持續時(shí)間、二進(jìn)制相移鍵控、調制系數、不歸零ＮＲＺ－Ｌ位編碼方式和副載波。雙方具體的識別和對話(huà)過(guò)程如下：ＰＣＤ的射頻工作場(chǎng)激活→ＰＩＣＣ靜待來(lái)自ＰＣＤ的命令→ＰＣＤ命令的傳送→ＰＩＣＣ響應的傳送。

實(shí)現整個(gè)系統的設計程序代碼比較復雜，限于篇幅，本文將不一一列舉，有興趣者，可以參考其它有關(guān)文獻。

５　典型應用

鑒于ＡＴ８８ＳＣ６４１６ＣＲＦ的特點(diǎn)和醫院信息化的需要，筆者已將該芯片組成的ＰＩＣＣ（便攜式門(mén)診病人病歷卡）運用到日常的醫療活動(dòng)中。由于該款ＲＦ芯片具有６４ｋＢ容量的用戶(hù)ＥＥＰＲＯＭ，因此，根據其自身特點(diǎn)?可以將其全部作為一個(gè)大的存儲單元?考慮到加密和校驗位的開(kāi)銷(xiāo)，每個(gè)漢字用２０ｂｉｔ，其容量足可存儲３２７６個(gè)漢字，可完全滿(mǎn)足記錄患者門(mén)診病歷的需要，從而方便用來(lái)存儲病人的姓名、性別、年齡、藥物過(guò)敏史、醫療保險ＩＤ號、每次就診記錄和輔助檢查結果等文本信息。有了該電子病歷，病人就診時(shí)只要在掛號處通過(guò)一定流程，（具體為：ＰＣＤ讀卡→打印出處方單→在醫生處通過(guò)ＰＣＤ調入以往病歷記錄→診療活動(dòng)結束→）就可以將本次就診信息（包括輔助檢查結果）記入電子病歷以完成診視過(guò)程。醫院使用該系統時(shí)，只要在現有的醫院管理信息系統的基礎上，再在掛號處和門(mén)診部的每個(gè)工作站增加一個(gè)ＰＣＤ，而不需要很多的資金投入，就可以輕松的實(shí)現門(mén)診病人病歷的無(wú)紙化，從而提升醫院微機應用檔次，更好地適應建設數字化醫院的時(shí)代要求。