UHF频段移动支付系统读卡器设计与实现

　　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。 

　　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。 

　　图2 　nRF24L01 的单端匹配网络