UHF頻段移動(dòng)支付系統讀卡器設計與實(shí)現
射頻識別(RFID) 技術(shù)是一項利用無(wú)線(xiàn)信號來(lái)實(shí)現目標識別或數據交換的射頻技術(shù),可用來(lái)跟蹤和管理幾乎所有的物理對象,在工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運輸控制管理、防偽及軍事等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應用前景。根據工作頻段的不同,RFID系統可分為低頻(135 kHz 以下) 、高頻(13. 56 MHz) 、超高頻(860～960 MHz) 和微波(2. 4 GHz 以上) 等幾類(lèi)[ 122 ] 。近年來(lái),由Philips 、Nokia 和Sony 等公司在RFID 技術(shù)的基礎上發(fā)展了一種新型的通信技術(shù),稱(chēng)為近距離通信技術(shù)(NFC) 。2006 年6 月廈門(mén)啟動(dòng)了中國首個(gè)NFC 手機支付試驗,但是該試驗只能支持帶有內嵌NFC 模塊的諾基亞3220 手機, 應用范圍不大[ 3 ] 。
近距離通信技術(shù)運行在13. 56 MHz 的頻率范圍內,能在大約10cm 范圍內建立設備之間的連接,傳輸速率可為106 kbit/ s、212 kbit/ s 、424 kbit/ s , 未來(lái)可提高到848 kbit/ s以上[ 4 ] 。文獻[5 ]介紹了NFC 技術(shù)的基本特點(diǎn)、技術(shù)架構,以及NFC 移動(dòng)通信終端的功能模塊。文獻[ 6 ]分析了近距離無(wú)線(xiàn)通信(NFC) 國際標準ISO/ IEC18092 、ISO/ IEC21481 協(xié)議的主要內容,并與Bluetooth 、UWB 和ZigBee 等無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )(WPAN) 的近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)作了比較。文獻[ 7 ]對NFC 移動(dòng)支付系統國內外的相關(guān)應用現狀進(jìn)行了說(shuō)明,給出了NFC 在手機上的應用形式,并分析了當前NFC 移動(dòng)支付系統的主流方案,包括:NFC 方案、eNFC 方案、雙界面智能卡等方案,提出了NFC 移動(dòng)支付可能存在的問(wèn)題。
目前移動(dòng)支付系統大多工作在13. 56 MHz ,但超高頻(UHF) 頻段的移動(dòng)支付系統具有芯片選擇多、傳輸速率快、成本低、尺寸小、射頻信號更容易穿透手機等優(yōu)點(diǎn),更適合未來(lái)移動(dòng)支付的應用, 特別是2. 4 GHz 屬于ISM(indust rial scientific medical) 頻段,不需要特別申請使用,具有更好的發(fā)展前景。移動(dòng)支付系統主要由POS 終端,讀卡器及SIM 組成,讀卡器是POS 終端和SIM 卡的通信橋梁。當前,移動(dòng)支付讀卡器系統的設計是移動(dòng)支付系統的重點(diǎn)內容。
1 讀卡器基本結構及工作原理
圖1 給出了2. 4 GHz 頻段移動(dòng)支付系統讀卡器的總體結構,該系統主要由8 個(gè)部分組成: 基于ZTEIC 公司Z32H256UF 安全芯片的主控制器模塊;基于Nordic 公司nRF24L01 射頻收發(fā)模塊;用于時(shí)間控制的時(shí)鐘模塊;用于系統電源供應的電源管理模塊;用于系統和PC 通信的串行通信接口模塊;用于工作模式識別的顯示模塊;用于距離定位的距離控制模塊。
圖1 讀卡器基本結構
2. 4GHz 移動(dòng)支付系統一般工作在主動(dòng)模式,即讀卡器通過(guò)天線(xiàn)主動(dòng)發(fā)出射頻信號, 去讀/ 寫(xiě)帶射頻芯片的SIM 卡。當SIM 卡靠近讀卡器的時(shí)候,讀卡器必須要在規定的時(shí)間內與SIM 卡建立點(diǎn)對點(diǎn)可靠的通信連接。這個(gè)階段稱(chēng)為接入階段。接入階段完成后,進(jìn)入通信階段,通信階段進(jìn)行上層應用程序的數據交換,以完成小額支付、門(mén)禁、購物等功能。其中接入階段又劃分為4 個(gè)子階段:1.尋卡階段;2. 參數交換和選擇階段;3. 距離控制階段;4. 身份認證階段。尋卡階段完成讀卡器對一個(gè)SIM 卡的鎖定功能。由于靠近讀卡器的SIM 卡可能不只一個(gè),因此讀卡器必須能從其中找出一張與其建立連接,這也是抗沖突的過(guò)程。參數交換和選擇階段位于尋卡階段之后,也就是讀卡器鎖定一張SIM 卡后,與其進(jìn)行參數的交換,并選定一個(gè)雙方都支持的方法進(jìn)行通信。距離控制階段完成距離控制功能,以保證讀卡器和手機只能在限定的近距離內才能通信。身份認證階段完成SIM 卡與讀卡器的身份認證,防止非授權讀卡器連接卡和非授權SIM 卡連接讀卡器。
2 系統硬件設計
2. 1 安全主控芯
該系統采用ZTEIC 公司自主研發(fā)的Z32H256UF 芯片,它是在國產(chǎn)32 位Arca2S 處理器的基礎上開(kāi)發(fā)出來(lái)的,它具備高處理能力、高安全性、多種接口、低功耗、低成本等特點(diǎn)。CPU 核采用五級流水和哈佛高速緩存結構。它集成了帶32 路全關(guān)聯(lián)TLB 和段/ 頁(yè)式物理地址保護的存儲管理單元和1 K字節的指令和數據高速緩存,使其具有高性能、低功耗的特點(diǎn),并適合復雜的多應用系統,可以實(shí)現DES、3DES (2 KEY 和3 KEY) 加密解密運算,支持EBC 模式和CBC 模式的加密和解密。
2. 2 射頻模塊
該系統的射頻模塊采用了Nordic 公司的nRF24L01收發(fā)芯片,nRF24L01 是一款工作在2. 4 GHz 至2. 5 GHz通用ISM 頻段的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片。nRF24L01 收發(fā)器包括:頻率發(fā)生器、增強型SchockBurst 模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器、解調器等[ 8 ] 。
nRF24L01 的主要特性: 1) GFSK 單片式收發(fā)芯片;2) 自動(dòng)應答及自動(dòng)重發(fā)功能; 3) 無(wú)線(xiàn)速率: 1 或2Mbps ;4) SPI接口速率:0～8Mbps ;5) 125 個(gè)可選工作頻道;6) 低工作電壓:1. 9～3. 6 V。
nRF24L01 主要工作模式有以下幾種:
1) 接收模式;2) 發(fā)送模式(兩種) ;3) 待機模式Ⅱ;4) 待機模式Ⅰ;5) 掉電模式。
nRF24L01 工作原理[ 9210 ] : 發(fā)射數據時(shí), 首先將nRF24L01 配置為發(fā)射模式,接著(zhù)把地址TX_ADDR 和數據TX_ PLD 按照時(shí)序由SPI 口寫(xiě)入NRF24L01 緩存區,TX_PLD 必須在CSN 為低時(shí)連續寫(xiě)入,而TX_ADDR 在發(fā)射時(shí)寫(xiě)入一次即可,然后CE 置為高電平并保持至少10μs ,延遲130 μs 后發(fā)射數據; 若自動(dòng)應答開(kāi)啟, 那么NRF24L01 在發(fā)射數據后立即進(jìn)入接收模式,接收應答信號。如果收到應答,則認為此次通信成功,TX_DS 置高,同時(shí)TX_PLD 從發(fā)送堆棧中清除;若未收到應答,則自動(dòng)重新發(fā)射該數據(自動(dòng)重發(fā)已開(kāi)啟) , 若重發(fā)次數(ARC_CNT) 達到上限,MAX_ RT 置高, TX_ PLD 不會(huì )被清除;MAX_RT 或TX_ DS 置高時(shí), 使IRQ 變低, 以便通知MCU。最后發(fā)射成功時(shí),若CE 為低,則NRF24L01 進(jìn)入空閑模式1 ;若發(fā)送堆棧中有數據且CE 為高,則進(jìn)入下一次發(fā)射;若發(fā)送堆棧中無(wú)數據且CE 為高,則進(jìn)入空閑模式Ⅱ。接收數據時(shí),首先將nRF24L01 配置為接收模式,接著(zhù)延遲130μs 進(jìn)入接收狀態(tài)等待數據的到來(lái)。當接收方檢測到有效的地址和CRC 時(shí),就將數據包存儲在接收堆棧中,同時(shí)中斷標志位RX_DR 置高, IRQ 變低,以便通知MCU去取數據。若此時(shí)自動(dòng)應答開(kāi)啟,接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應答信號。最后接收成功時(shí), 若CE 變低, 則NRF24L01 進(jìn)入空閑模式I。
圖2 為nRF24L01 的單端匹配網(wǎng)絡(luò )原理圖。
圖2 nRF24L01 的單端匹配網(wǎng)絡(luò )
2. 3 距離控制模塊
移動(dòng)支付系統要求具有高可靠性、高保密性的特點(diǎn)。因此,對讀卡器的可讀范圍要進(jìn)行精確控制,用于距離控制模塊的芯片是ZTEIC 公司的Zi2121 。Zi2121 是一款用于2. 4 GHz ISM 頻段的無(wú)線(xiàn)應用射頻芯片,該芯片可以作為高靈敏度(250 kbps @299 dBm) 以及高效率的功率放大器。它還包括信號強度檢測( received signal st rength indicator ,RSSI) 功能。
NFC 移動(dòng)支付系統距離控制的方法是:如圖3 所示,首先在距離讀卡器10cm 高度對不同類(lèi)型的手機進(jìn)行發(fā)射功率參數的采集。采集方法是: SIM 卡發(fā)射功率, Zi2121接收信號,得到信號強度轉換為RSSI 值,并把此RSSI 值存儲在SIM 卡的主控芯片中,不同的手機采集到的RSSI值不同,但同一種手機都有一確定RSSI 值。當手機進(jìn)行刷卡時(shí),在距離控制階段,讀卡器可以通過(guò)檢測接收到的信號強度和對應的手機中存儲的信號強度進(jìn)行比較判斷,如果該類(lèi)型的手機功率大于存儲的信號值,則進(jìn)行雙方通信,否則不予理會(huì )。
圖3 距離控制方法
實(shí)現步驟如下:
1) 測試每種類(lèi)型手機在距其10 cm 處的信號強度,制表存儲在手機中;
2) 通信時(shí),SIM 卡首先告訴讀卡器手機的型號,檢測到信號強度后查表比較,確定是否通信。
2. 4 天線(xiàn)模塊
天線(xiàn)是任何無(wú)線(xiàn)電系統的基本組成部分,是發(fā)射和接收電磁波的器件。近年來(lái),無(wú)線(xiàn)通信系統的不斷發(fā)展對天線(xiàn)提出了更高的要求。如個(gè)人通信終端模塊日益趨向便攜、輕、薄、短、小,這也是當前及將來(lái)很長(cháng)一段時(shí)間內的設計重點(diǎn),如此便需要小型但高性能的天線(xiàn)的支持。微帶天線(xiàn)就是小型天線(xiàn)發(fā)展的一個(gè)最重要的方向。其中L TCC天線(xiàn)把微帶天線(xiàn)從平面結構發(fā)展到了空間結構,電路形式更加多樣化,設計更加靈活,是微帶天線(xiàn)發(fā)展的新方向[ 11 ] 。移動(dòng)支付讀卡器采用了一種2. 45G L TCC 天線(xiàn)。天線(xiàn)結構為5. 3 ×2. 0 ×1. 25 mm ,天線(xiàn)中心頻率2. 45 GHz ,帶寬不小于200 MHz ,駐波小于2 ,峰值增益為4 dBi 。
3 系統軟件設計
由于讀卡器是POS 終端和SIM 卡的通信橋梁,當讀卡器上電后,要進(jìn)行初始化讀卡器的過(guò)程,包括初始的功率及增益設置。然后等待POS 機發(fā)來(lái)要求與SIM 卡建立連接的指令。當收到指令,讀卡器即處于掃描狀態(tài)(尋卡階段) ,尋卡階段完成讀卡器對一個(gè)SIM 卡的鎖定功能;當找到周?chē)蠸IM 卡存在,進(jìn)入參數設置狀態(tài),也就是讀卡器與SIM 卡其進(jìn)行參數的交換,并選定一個(gè)雙方都支持的方法進(jìn)行通信;接著(zhù)進(jìn)入距離控制階段,這個(gè)階段完成讀卡器與手機的精確定位;以保證讀卡器和手機只能在限定的近距離內才能通信。身份認證階段完成SIM 卡與讀卡器的身份認證,防止非授權讀卡器連接卡和非授權SIM 卡連接讀卡器。主程序流程圖如圖4 所示。
圖4 讀卡器主程序流程
4 系統測試
硬件電路及軟件設計完成后,采過(guò)USB 連接讀卡器完成上電、程序下載、復位等功能。根據上述距離控制的方法采集RSSI 參數,并進(jìn)行手機刷卡測試。測試結果如下表一所示:
多次測試結果表明,本系統基本實(shí)現了對不同手機刷卡距離可控的要求,該系統可應用于公交支付、門(mén)禁考勤等。目前國民技術(shù)股份有限公司已采用這套系統作為門(mén)禁及考勤記錄,通過(guò)半年的運行試用,表明該系統成熟、可靠、系統穩定性好,完全達到設計要求。
5 結論
本文設計的2. 45 GHz 移動(dòng)支付讀卡器系統具有距離可控、抗干擾、抗沖突、刷卡時(shí)間短、傳輸數據快等特點(diǎn)。不需要更換手機,有效的解決了13. 56 MHz NFC 移動(dòng)支付系統只支持內嵌NFC 模塊手機的缺點(diǎn),具有廣泛的應用前景。
UHF頻段移動(dòng)支付系統讀卡器設計與實(shí)現
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