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UHF频段2.4G移动支付系统读卡器设计与实现

来源:一卡通世界      作者:朱忠迁 魏彦玉 宫玉彬 王文祥 欧阳立      2012/6/13 21:50:04

    摘要:介绍一种基于NFC 技术的UHF 移动支付系统读卡器设计方案。首先对整个系统的框架进行了说明;然后分别介绍主要功率模块的设计,重点描述了nRF24L01 的性能参数和工作原理,通过对距离控制模块的分析,提出了一种新型的UHF 移动支付系统距离控制方法;最后描述了该系统的主程序流程图。实际应用结果表明该读卡器刷卡距离可控,具有抗干扰、抗冲突等特点,不需要更换手机,有效地解决了13. 56 MHz NFC 移动支付系统只支持内嵌NFC 模块手机的缺点。

    0  引言

    射频识别(RFID) 技术是一项利用无线信号来实现目标识别或数据交换的射频技术,可用来跟踪和管理几乎所有的物理对象,在工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪及军事等众多领域都有广泛的应用前景。根据工作频段的不同,RFID系统可分为低频(135 kHz 以下) 、高频(13. 56 MHz) 、超高频(860~960 MHz) 和微波(2. 4 GHz 以上) 等几类[ 122 ] 。近年来,由Philips 、Nokia 和Sony 等公司在RFID 技术的基础上发展了一种新型的通信技术,称为近距离通信技术(NFC) 。2006 年6 月厦门启动了中国首个NFC 手机支付试验,但是该试验只能支持带有内嵌NFC 模块的诺基亚3220 手机, 应用范围不大[ 3 ] 。

    近距离通信技术运行在13. 56 MHz 的频率范围内,能在大约10cm 范围内建立设备之间的连接,传输速率可为106 kbit/ s、212 kbit/ s 、424 kbit/ s , 未来可提高到848 kbit/ s以上[ 4 ] 。文献[5 ]介绍了NFC 技术的基本特点、技术架构,以及NFC 移动通信终端的功能模块。文献[ 6 ]分析了近距离无线通信(NFC) 国际标准ISO/ IEC18092 、ISO/ IEC21481 协议的主要内容,并与Bluetooth 、UWB 和ZigBee 等无线个人区域网络(WPAN) 的近距离无线通信技术作了比较。文献[ 7 ]对NFC 移动支付系统国内外的相关应用现状进行了说明,给出了NFC 在手机上的应用形式,并分析了当前NFC 移动支付系统的主流方案,包括:NFC 方案、eNFC 方案、双界面智能卡等方案,提出了NFC 移动支付可能存在的问题。

    目前移动支付系统大多工作在13. 56 MHz ,但超高频(UHF) 频段的移动支付系统具有芯片选择多、传输速率快、成本低、尺寸小、射频信号更容易穿透手机等优点,更适合未来移动支付的应用, 特别是2. 4 GHz 属于ISM(indust rial scientific medical) 频段,不需要特别申请使用,具有更好的发展前景。移动支付系统主要由POS 终端,读卡器及SIM 组成,读卡器是POS 终端和SIM 卡的通信桥梁。当前,移动支付读卡器系统的设计是移动支付系统的重点内容。

    1  读卡器基本结构及工作原理

    图1 给出了2. 4 GHz 频段移动支付系统读卡器的总体结构,该系统主要由8 个部分组成: 基于ZTEIC 公司Z32H256UF 安全芯片的主控制器模块;基于Nordic 公司nRF24L01 射频收发模块;用于时间控制的时钟模块;用于系统电源供应的电源管理模块;用于系统和PC 通信的串行通信接口模块;用于工作模式识别的显示模块;用于距离定位的距离控制模块。

 读卡器基本结构

图1 读卡器基本结构

    2. 4GHz 移动支付系统一般工作在主动模式,即读卡器通过天线主动发出射频信号, 去读/ 写带射频芯片的SIM 卡。当SIM 卡靠近读卡器的时候,读卡器必须要在规定的时间内与SIM 卡建立点对点可靠的通信连接。这个阶段称为接入阶段。接入阶段完成后,进入通信阶段,通信阶段进行上层应用程序的数据交换,以完成小额支付、门禁、购物等功能。其中接入阶段又划分为4 个子阶段:1.寻卡阶段;2. 参数交换和选择阶段;3. 距离控制阶段;4. 身份认证阶段。寻卡阶段完成读卡器对一个SIM 卡的锁定功能。由于靠近读卡器的SIM 卡可能不只一个,因此读卡器必须能从其中找出一张与其建立连接,这也是抗冲突的过程。参数交换和选择阶段位于寻卡阶段之后,也就是读卡器锁定一张SIM 卡后,与其进行参数的交换,并选定一个双方都支持的方法进行通信。距离控制阶段完成距离控制功能,以保证读卡器和手机只能在限定的近距离内才能通信。身份认证阶段完成SIM 卡与读卡器的身份认证,防止非授权读卡器连接卡和非授权SIM 卡连接读卡器。

    2  系统硬件设计

    2. 1  安全主控芯

    该系统采用ZTEIC 公司自主研发的Z32H256UF 芯片,它是在国产32 位Arca2S 处理器的基础上开发出来的,它具备高处理能力、高安全性、多种接口、低功耗、低成本等特点。CPU 核采用五级流水和哈佛高速缓存结构。它集成了带32 路全关联TLB 和段/ 页式物理地址保护的存储管理单元和1 K字节的指令和数据高速缓存,使其具有高性能、低功耗的特点,并适合复杂的多应用系统,可以实现DES、3DES (2 KEY 和3 KEY) 加密解密运算,支持EBC 模式和CBC 模式的加密和解密。

    2. 2  射频模块

    该系统的射频模块采用了Nordic 公司的nRF24L01收发芯片,nRF24L01 是一款工作在2. 4 GHz 至2. 5 GHz通用ISM 频段的单片无线收发器芯片。nRF24L01 收发器包括:频率发生器、增强型SchockBurst 模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器等[ 8 ] 。

    nRF24L01 的主要特性: 1) GFSK 单片式收发芯片;2) 自动应答及自动重发功能; 3) 无线速率: 1 或2Mbps ;4) SPI接口速率:0~8Mbps ;5) 125 个可选工作频道;6) 低工作电压:1. 9~3. 6 V。

    nRF24L01 主要工作模式有以下几种:

    1) 接收模式;2) 发送模式(两种) ;3) 待机模式Ⅱ;4) 待机模式Ⅰ;5) 掉电模式。

    nRF24L01 工作原理[ 9210 ] : 发射数据时, 首先将nRF24L01 配置为发射模式,接着把地址TX_ADDR 和数据TX_ PLD 按照时序由SPI 口写入NRF24L01 缓存区,TX_PLD 必须在CSN 为低时连续写入,而TX_ADDR 在发射时写入一次即可,然后CE 置为高电平并保持至少10μs ,延迟130 μs 后发射数据; 若自动应答开启, 那么NRF24L01 在发射数据后立即进入接收模式,接收应答信号。如果收到应答,则认为此次通信成功,TX_DS 置高,同时TX_PLD 从发送堆栈中清除;若未收到应答,则自动重新发射该数据(自动重发已开启) , 若重发次数(ARC_CNT) 达到上限,MAX_ RT 置高, TX_ PLD 不会被清除;MAX_RT 或TX_ DS 置高时, 使IRQ 变低, 以便通知MCU。最后发射成功时,若CE 为低,则NRF24L01 进入空闲模式1 ;若发送堆栈中有数据且CE 为高,则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE 为高,则进入空闲模式Ⅱ。接收数据时,首先将nRF24L01 配置为接收模式,接着延迟130μs 进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC 时,就将数据包存储在接收堆栈中,同时中断标志位RX_DR 置高, IRQ 变低,以便通知MCU去取数据。若此时自动应答开启,接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时, 若CE 变低, 则NRF24L01 进入空闲模式I。

    图2 为nRF24L01 的单端匹配网络原理图。

 nRF24L01 的单端匹配网络

图2  nRF24L01 的单端匹配网络

    2. 3  距离控制模块

    移动支付系统要求具有高可靠性、高保密性的特点。因此,对读卡器的可读范围要进行精确控制,用于距离控制模块的芯片是ZTEIC 公司的Zi2121 。Zi2121 是一款用于2. 4 GHz ISM 频段的无线应用射频芯片,该芯片可以作为高灵敏度(250 kbps @299 dBm) 以及高效率的功率放大器。它还包括信号强度检测( received signal st rength indicator ,RSSI) 功能。

    NFC 移动支付系统距离控制的方法是:如图3 所示,首先在距离读卡器10cm 高度对不同类型的手机进行发射功率参数的采集。采集方法是: SIM 卡发射功率, Zi2121接收信号,得到信号强度转换为RSSI 值,并把此RSSI 值存储在SIM 卡的主控芯片中,不同的手机采集到的RSSI值不同,但同一种手机都有一确定RSSI 值。当手机进行刷卡时,在距离控制阶段,读卡器可以通过检测接收到的信号强度和对应的手机中存储的信号强度进行比较判断,如果该类型的手机功率大于存储的信号值,则进行双方通信,否则不予理会。

图3  距离控制方法

    实现步骤如下:
    1) 测试每种类型手机在距其10 cm 处的信号强度,制表存储在手机中;
    2) 通信时,SIM 卡首先告诉读卡器手机的型号,检测到信号强度后查表比较,确定是否通信。

    2. 4  天线模块

    天线是任何无线电系统的基本组成部分,是发射和接收电磁波的器件。近年来,无线通信系统的不断发展对天线提出了更高的要求。如个人通信终端模块日益趋向便携、轻、薄、短、小,这也是当前及将来很长一段时间内的设计重点,如此便需要小型但高性能的天线的支持。微带天线就是小型天线发展的一个最重要的方向。其中L TCC天线把微带天线从平面结构发展到了空间结构,电路形式更加多样化,设计更加灵活,是微带天线发展的新方向[ 11 ] 。移动支付读卡器采用了一种2. 45G L TCC 天线。天线结构为5. 3 ×2. 0 ×1. 25 mm ,天线中心频率2. 45 GHz ,带宽不小于200 MHz ,驻波小于2 ,峰值增益为4 dBi 。

    3  系统软件设计

    由于读卡器是POS 终端和SIM 卡的通信桥梁,当读卡器上电后,要进行初始化读卡器的过程,包括初始的功率及增益设置。然后等待POS 机发来要求与SIM 卡建立连接的指令。当收到指令,读卡器即处于扫描状态(寻卡阶段) ,寻卡阶段完成读卡器对一个SIM 卡的锁定功能;当找到周围有SIM 卡存在,进入参数设置状态,也就是读卡器与SIM 卡其进行参数的交换,并选定一个双方都支持的方法进行通信;接着进入距离控制阶段,这个阶段完成读卡器与手机的精确定位;以保证读卡器和手机只能在限定的近距离内才能通信。身份认证阶段完成SIM 卡与读卡器的身份认证,防止非授权读卡器连接卡和非授权SIM 卡连接读卡器。主程序流程图如图4 所示。

 读卡器主程序流程

图4  读卡器主程序流程

    4  系统测试

    硬件电路及软件设计完成后,采过USB 连接读卡器完成上电、程序下载、复位等功能。根据上述距离控制的方法采集RSSI 参数,并进行手机刷卡测试。测试结果如下表一所示:

 

    多次测试结果表明,本系统基本实现了对不同手机刷卡距离可控的要求,该系统可应用于公交支付、门禁考勤等。目前国民技术股份有限公司已采用这套系统作为门禁及考勤记录,通过半年的运行试用,表明该系统成熟、可靠、系统稳定性好,完全达到设计要求。

    5  结论

    本文设计的2. 45 GHz 移动支付读卡器系统具有距离可控、抗干扰、抗冲突、刷卡时间短、传输数据快等特点。不需要更换手机,有效的解决了13. 56 MHz NFC 移动支付系统只支持内嵌NFC 模块手机的缺点,具有广泛的应用前景。

    作者简介:朱忠迁,男,1980 年出生,电子科技大学硕士研究生,主要从事射频识别及射频通信技术的研究。
    魏彦玉,男,1971 年出生,电子科技大学物理电子学院教授、博士生导师,主要从事微波电路及大功率微波电真空器件方面的研究。

    【稿件声明】:如需转载,必须注明来源和作者,保留文中图片和内容的完整性,违者将依法追究。

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