移動支付讀卡器的硬件設計

黃藍會

（寶雞文理學院 計算機系，陜西 寶雞 721016）

隨著移動終端通信技術的普及，手機已經不僅僅是簡單的通話工具，娛樂、購物成為了時下流行的業務，移動支付也成為目前最具代表性的業務之一。

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

從中國互聯網協會與新華社 《金融世界》聯合發布的《2014中國互聯網金融發展報告》中獲悉的報告顯示，去年我國手機支付用戶規模達1.25億，同比增長126%，手機支付、網絡銀行、金融證券等相關各類移動應用累計下載量超過4億次。在電商方面，2014年中國網上零售市場交易規模達28 637.2億元，增速為45%，繼續保持高增長的態勢，移動網購交易規模達8 616.6億元，增速達229.3%。在移動支付方面，2014年，第三方移動支付交易規模達77 660億元，繼2013年環比增長率達到800%的爆發式增長后，再度迎來近500%的環比增長，繼續保持高速發展[2]。

1 移動支付模式

目前移動支付主要的商業應用模式有3種[3]，第一種是是將用戶的手機號碼和后臺用戶的支付賬號綁定，通過短信進行支付。第二種是利用GPRS或CDMA網絡的客戶端瀏覽器，輸入賬戶信息進行支付。第三種是非接觸式移動支付模式，主要應用在公交、地鐵等移動支付的應用。目前，我國移動支付領域主要采用第3種模式來實現支付。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個方案的應用模式和技術各有不同。SIMPASS方案功能有限，必須外帶天線，由于不同的手機SIM卡的位置也是不同的，需要進行適配。NFC（Near Field Communication）方案安全性高，工作穩定，支持手機點對點通信和主／被動通信模式，但此方案需要定制支持NFC卡的手機，目前市面上支持NFC的手機較少，推廣難度大，對于國內電信運營商控制產業鏈也十分不利[4]。RFID-SIM方案將射頻模塊、天線、傳統SIM卡功能都集成在SIM卡中，用戶在撥打電話或收發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，而不用更換手機即可實現移動支付消費，用戶接受度高，可快速發卡，從產業鏈控制的角度來看是運營商的最佳選擇[5]。

2 讀卡器的硬件設計

射頻識別系統工作的頻段主要有：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域[6]。由于2.4 GHz頻段無須授權就可使用，數據傳輸的速度快，受金屬影響不大，只要更換使用的RFID-SIM卡即可實現移動支付，所以本文主要針對2.4 GHz頻段來設計。

移動支付系統由3部分組成，分別是：讀卡器、POS機和RFID-SIM卡。鏈接示意圖如圖1所示。讀卡器是POS機和RFID-SIM卡通信的紐帶，主要負責解析POS機和RFID-SIM卡上的信號；POS機主要負責終端業務的處理，主要負責向讀卡器發送或接受信息；RFID-SIM卡主要是接受和處理讀卡器發來的信息。

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、射頻收發模塊。主要負責高低頻信號傳輸以及與POS機、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，再通過電平轉換芯片（MAX1818）產生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機之間的數據就是通過它傳遞的，主要負責對射頻模塊、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）內置振蕩控制器和PPL，可外接4～12 MHz晶體；3）可以實現片上密鑰管理、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芯片來實現射頻信號收發，nRF24IjDl是一款GFSK單片射頻收發芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段[7]。該芯片包括：頻率發生器、功率放大器、增強型SchockBurstTM模式控制器、晶體振蕩器、調制器和解調器。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，射頻通道默認設置為2.4 G，頻寬設置為1 MHz。2）無線速率通過配置寄存器可選擇1 Mbps或2 Mbps。3）工作在增強型SchockBurstTM模式，具有自動應答及自動重發功能，減少了主控MCU（Z32）的工作量。即：數據發送完成后，芯片立即進入接收模式，等待對方的應答信號，若未收到，返回發送模式重新發送數據，直到收到正確的應答或重發超過最大次數為止。4）低功耗應用：當工作在發射模式下，發射功率為-6 dBm時電流消耗為9 mA，接收模式時為12.3 mA；掉電模式和待機模式下電流消耗更低。5）內置了CRC校驗、數據包識別、載波檢測等功能，以及極少的外圍元件。6）數據通信時協商通信地址和頻率以確保信號的正確穩定的發送。7）工作頻率、發射功率、通道地址、數據通信速率等工作參數均可以通過軟件設置來完成[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，主要負責低頻信號的產生、放大和發射。C8051F330芯片采用20腳MLP封裝，具有片內上電復位、時鐘振蕩器，VDD監視器、10位電流輸出DAC、25 MHz內部振蕩器、768字節片內RAM、全雙工UART、SPI端口、128字節特殊功能寄存器、17個I/O端口、8KB可在系統編程的FLASH存儲器，其中的8KB可在系統編程的FLASH存儲器可用于非易失性數據存儲，允許現場更新8051固件。用戶軟件對所有外設具有完全的控制，可以關斷任何一個或所有外設以節省功耗[10]。

3 結束語

國務院發展研究中心金融研究所發布的《中國網絡支付安全白皮書》預測，移動支付將呈現爆發式增長；預計到2017年，中國移動支付市場交易規模將突破2萬億元，未來幾年增長率將超過50%。本文設計的讀卡器能支持目前市面上大部分的手機實現移動支付的功能，讀卡器設計成主從模塊設置的方式，主控制器模塊進行串行通信，從控制器模塊主要接受主控制器命令，實現刷卡舉例的控制，具有廣泛的應用前景。

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

[2]新華社《金融世界》，中國互聯網協會.《2014中國互聯網金融發展報告》[R].2015.

[3]李頡.RFID-SIM技術在手機支付中應用的研究[D].北京：北京郵電大學，2010.

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

[5]唐煜舟.基于2.4G RFID技術的移動支付系統的設計與實現[D].上海：上海交通大學，2011.

[6]范桂林.915MHzRFID讀卡器設計[D].大連：大連理工大學，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計[D].武漢：武漢理工大學，2012.

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