移動支付讀卡器的硬件設(shè)計

黃藍(lán)會

（寶雞文理學(xué)院 計算機(jī)系，陜西 寶雞 721016）

隨著移動終端通信技術(shù)的普及，手機(jī)已經(jīng)不僅僅是簡單的通話工具，娛樂、購物成為了時下流行的業(yè)務(wù)，移動支付也成為目前最具代表性的業(yè)務(wù)之一。

移動支付也稱為手機(jī)支付，是指用戶通過移動終端（手機(jī)）作為電子支付工具實現(xiàn)消費(fèi)支付的一種服務(wù)方式，移動支付讓手機(jī)稱為隨身攜帶的電子錢包，可以實現(xiàn)電子支付、身份認(rèn)證、防偽、票務(wù)、廣告等各種功能[1]。

從中國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會與新華社 《金融世界》聯(lián)合發(fā)布的《2014中國互聯(lián)網(wǎng)金融發(fā)展報告》中獲悉的報告顯示，去年我國手機(jī)支付用戶規(guī)模達(dá)1.25億，同比增長126%，手機(jī)支付、網(wǎng)絡(luò)銀行、金融證券等相關(guān)各類移動應(yīng)用累計下載量超過4億次。在電商方面，2014年中國網(wǎng)上零售市場交易規(guī)模達(dá)28 637.2億元，增速為45%，繼續(xù)保持高增長的態(tài)勢，移動網(wǎng)購交易規(guī)模達(dá)8 616.6億元，增速達(dá)229.3%。在移動支付方面，2014年，第三方移動支付交易規(guī)模達(dá)77 660億元，繼2013年環(huán)比增長率達(dá)到800%的爆發(fā)式增長后，再度迎來近500%的環(huán)比增長，繼續(xù)保持高速發(fā)展[2]。

1 移動支付模式

目前移動支付主要的商業(yè)應(yīng)用模式有3種[3]，第一種是是將用戶的手機(jī)號碼和后臺用戶的支付賬號綁定，通過短信進(jìn)行支付。第二種是利用GPRS或CDMA網(wǎng)絡(luò)的客戶端瀏覽器，輸入賬戶信息進(jìn)行支付。第三種是非接觸式移動支付模式，主要應(yīng)用在公交、地鐵等移動支付的應(yīng)用。目前，我國移動支付領(lǐng)域主要采用第3種模式來實現(xiàn)支付。非接觸式移動支付模式目前主要有3個方案，分別是雙界面SIMPASS、NFC、RFIDSIM，這3個方案的應(yīng)用模式和技術(shù)各有不同。SIMPASS方案功能有限，必須外帶天線，由于不同的手機(jī)SIM卡的位置也是不同的，需要進(jìn)行適配。NFC（Near Field Communication）方案安全性高，工作穩(wěn)定，支持手機(jī)點對點通信和主／被動通信模式，但此方案需要定制支持NFC卡的手機(jī)，目前市面上支持NFC的手機(jī)較少，推廣難度大，對于國內(nèi)電信運(yùn)營商控制產(chǎn)業(yè)鏈也十分不利[4]。RFID-SIM方案將射頻模塊、天線、傳統(tǒng)SIM卡功能都集成在SIM卡中，用戶在撥打電話或收發(fā)短信的同時也能通過射頻模塊完成非接觸移動支付交易；同時，此方案采用2.4 GHz的通信頻率，用戶只需要更換SIM卡，而不用更換手機(jī)即可實現(xiàn)移動支付消費(fèi)，用戶接受度高，可快速發(fā)卡，從產(chǎn)業(yè)鏈控制的角度來看是運(yùn)營商的最佳選擇[5]。

2 讀卡器的硬件設(shè)計

射頻識別系統(tǒng)工作的頻段主要有：125 kHz、13.56 MHz、860～930 MHz、2.45 GHz和 5.8 GHz等，每一種頻率都有自己的特性，分別適用于不同的領(lǐng)域[6]。由于2.4 GHz頻段無須授權(quán)就可使用，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤?，受金屬影響不大，只要更換使用的RFID-SIM卡即可實現(xiàn)移動支付，所以本文主要針對2.4 GHz頻段來設(shè)計。

移動支付系統(tǒng)由3部分組成，分別是：讀卡器、POS機(jī)和RFID-SIM卡。鏈接示意圖如圖1所示。讀卡器是POS機(jī)和RFID-SIM卡通信的紐帶，主要負(fù)責(zé)解析POS機(jī)和RFID-SIM卡上的信號；POS機(jī)主要負(fù)責(zé)終端業(yè)務(wù)的處理，主要負(fù)責(zé)向讀卡器發(fā)送或接受信息；RFID-SIM卡主要是接受和處理讀卡器發(fā)來的信息。

圖1 讀卡器的鏈接示意圖Fig.1 The card reader of the link diagram

讀卡器的硬件電路模塊如圖2所示，主要由4部分組成，分別是：電源模塊、主控制器模塊、從控制器模塊、射頻收發(fā)模塊。主要負(fù)責(zé)高低頻信號傳輸以及與POS機(jī)、RFID-SIM卡的通信。

圖2 讀卡器的硬件電路圖Fig.2 The card reader of the circuit diagram of the hardware

2.1 電源模塊

在讀卡器中，電源模塊除了為讀卡器內(nèi)部各個模塊供電之外，還要控制讀卡器的供電模式。采用直流或者通過USB輸入+5 V后，再通過電平轉(zhuǎn)換芯片（MAX1818）產(chǎn)生3.3 V輸入電壓給其他模塊。

2.2 主控模塊

主控模塊是讀卡器的核心部分，讀卡器與POS機(jī)之間的數(shù)據(jù)就是通過它傳遞的，主要負(fù)責(zé)對射頻模塊、距離控制模塊和防止沖突檢測的初始化。本文選用了國民技術(shù)股份有限公司的Z32H256UF芯片，該芯片的主要性能是：1）多種通信接口，包括USB接口，ISO7816主控制器、UART接口、SPI接口、FLASH/RAM主接口、27路GPIO接口；2）內(nèi)置振蕩控制器和PPL，可外接4～12 MHz晶體；3）可以實現(xiàn)片上密鑰管理、片上簽名和身份驗證；4）支持低功耗，芯片功耗小于500 mV（5 V@96 M 主頻）和 300 mV（5 V@24 M 主頻）。

2.3 射頻模塊

本文使用Nordic公司的nRF24L01芯片來實現(xiàn)射頻信號收發(fā)，nRF24IjDl是一款GFSK單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段[7]。該芯片包括：頻率發(fā)生器、功率放大器、增強(qiáng)型SchockBurstTM模式控制器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。主要特性是：1）使用全球開放的2.4 GHz頻段，具有80個可選工作頻道，頻道切換時間短，滿足多頻通信及跳頻的需要，射頻通道默認(rèn)設(shè)置為2.4 G，頻寬設(shè)置為1 MHz。2）無線速率通過配置寄存器可選擇1 Mbps或2 Mbps。3）工作在增強(qiáng)型SchockBurstTM模式，具有自動應(yīng)答及自動重發(fā)功能，減少了主控MCU（Z32）的工作量。即：數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，芯片立即進(jìn)入接收模式，等待對方的應(yīng)答信號，若未收到，返回發(fā)送模式重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直到收到正確的應(yīng)答或重發(fā)超過最大次數(shù)為止。4）低功耗應(yīng)用：當(dāng)工作在發(fā)射模式下，發(fā)射功率為-6 dBm時電流消耗為9 mA，接收模式時為12.3 mA；掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。5）內(nèi)置了CRC校驗、數(shù)據(jù)包識別、載波檢測等功能，以及極少的外圍元件。6）數(shù)據(jù)通信時協(xié)商通信地址和頻率以確保信號的正確穩(wěn)定的發(fā)送。7）工作頻率、發(fā)射功率、通道地址、數(shù)據(jù)通信速率等工作參數(shù)均可以通過軟件設(shè)置來完成[8-9]。

2.4 低頻模塊

低頻模塊主要由C8051F330芯片、放大器、低頻線圈組成，主要負(fù)責(zé)低頻信號的產(chǎn)生、放大和發(fā)射。C8051F330芯片采用20腳MLP封裝，具有片內(nèi)上電復(fù)位、時鐘振蕩器，VDD監(jiān)視器、10位電流輸出DAC、25 MHz內(nèi)部振蕩器、768字節(jié)片內(nèi)RAM、全雙工UART、SPI端口、128字節(jié)特殊功能寄存器、17個I/O端口、8KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器，其中的8KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，允許現(xiàn)場更新8051固件。用戶軟件對所有外設(shè)具有完全的控制，可以關(guān)斷任何一個或所有外設(shè)以節(jié)省功耗[10]。

3 結(jié)束語

國務(wù)院發(fā)展研究中心金融研究所發(fā)布的《中國網(wǎng)絡(luò)支付安全白皮書》預(yù)測，移動支付將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長；預(yù)計到2017年，中國移動支付市場交易規(guī)模將突破2萬億元，未來幾年增長率將超過50%。本文設(shè)計的讀卡器能支持目前市面上大部分的手機(jī)實現(xiàn)移動支付的功能，讀卡器設(shè)計成主從模塊設(shè)置的方式，主控制器模塊進(jìn)行串行通信，從控制器模塊主要接受主控制器命令，實現(xiàn)刷卡舉例的控制，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]馬姍姍.移動支付讀卡器的研究與設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[2]新華社《金融世界》，中國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會.《2014中國互聯(lián)網(wǎng)金融發(fā)展報告》[R].2015.

[3]李頡.RFID-SIM技術(shù)在手機(jī)支付中應(yīng)用的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2010.

[4]孟健，陳少芳.基于NFC手機(jī)支付的應(yīng)用研究[J].電子商務(wù)，2008（8）:70-75.

[5]唐煜舟.基于2.4G RFID技術(shù)的移動支付系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

[6]范桂林.915MHzRFID讀卡器設(shè)計[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[7]Nordic Semiconductor.Nrf24L01 datasheet[EB/OL].http://www.nordicsemi.com/files/Product/data_sheet/nRF24L01_Product_Specification_v2_0.pdf.

[8]陳麗娟，常丹華.基于NRF2401芯片的無線電通信[J].電子器件，2006（3）:248-250.

[9]馬姍姍.移動支付讀卡器的研究與設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[10]陳文浩.RFID低頻讀寫器的研究與實現(xiàn)[D].大連：大連海事大學(xué)，2008.