移動(dòng)支付讀卡器的硬件設計

摘要：隨著(zhù)移動(dòng)通信的大規模推廣，移動(dòng)支付已經(jīng)成為各方聚焦的熱點(diǎn)議。本文針對移動(dòng)支付系統設計了一款雙控制器的讀卡器，主控制器主要進(jìn)行串行通信，從控制器主要接受主控制器命令，根據發(fā)送的曼切斯特編碼流實(shí)現刷卡距離的控制。這個(gè)設計從一定程度上解決了讀卡器不能接收低頻數據的問(wèn)題。

隨著(zhù)移動(dòng)終端通信技術(shù)的普及，手機已經(jīng)不僅僅是簡(jiǎn)單的通話(huà)工具，娛樂(lè )、購物成為了時(shí)下流行的業(yè)務(wù)，移動(dòng)支付也成為目前最具代表性的業(yè)務(wù)之一。移動(dòng)支付也稱(chēng)為手機支付，是指用戶(hù)通過(guò)移動(dòng)終端(手機)作為電子支付工具實(shí)現消費支付的一種服務(wù)方式，移動(dòng)支付讓手機稱(chēng)為隨身攜帶的電子錢(qián)包，可以實(shí)現電子支付、身份認證、防偽、票務(wù)、廣告等各種功能。

從中國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì )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，去年我國手機支付用戶(hù)規模達1.25億，同比增長(cháng) 126%，手機支付、網(wǎng)絡(luò )銀行、金融證券等相關(guān)各類(lèi)移動(dòng)應用累計下載量超過(guò)4億次。在電商方面，2014年中國網(wǎng)上零售市場(chǎng)交易規模達28 637.2億元，增速為45%，繼續保持高增長(cháng)的態(tài)勢，移動(dòng)網(wǎng)購交易規模達8 616.6億元，增速達229.3%。在移動(dòng)支付方面，2014年，第三方移動(dòng)支付交易規模達77 660億元，繼2013年環(huán)比增長(cháng)率達到800%的爆發(fā)式增長(cháng)后，再度迎來(lái)近500%的環(huán)比增長(cháng)，繼續保持高速發(fā)展。

1 移動(dòng)支付模式

目前移動(dòng)支付主要的商業(yè)應用模式有3種，第一種是是將用戶(hù)的手機號碼和后臺用戶(hù)的支付賬號綁定，通過(guò)短信進(jìn)行支付。第二種是利用GPRS或CDMA網(wǎng)絡(luò )的客戶(hù)端瀏覽器，輸入賬戶(hù)信息進(jìn)行支付。第三種是非接觸式移動(dòng)支付模式，主要應用在公交、地鐵等移動(dòng)支付的應用。目前，我國移動(dòng)支付領(lǐng)域主要采用第3種模式來(lái)實(shí)現支付。非接觸式移動(dòng)支付模式目前主要有3個(gè)方案，分別是雙界面SIMPASS、NFC、RFID-SIM，這3個(gè)方案的應用模式和技術(shù)各有不同。 SIMPASS方案功能有限，必須外帶天線(xiàn)，由于不同的手機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，工作穩定，支持手機點(diǎn)對點(diǎn)通信和主/被動(dòng)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(yíng)商控制產(chǎn)業(yè)也十分不利。RFID—SIM方案將射頻模塊、天線(xiàn)、傳統SIM卡功能都集成在SIM卡中，用戶(hù)在撥打電話(huà)或收發(fā)短信的同時(shí)也能通過(guò)射頻模塊完成非接觸移動(dòng)支付交易;同時(shí)，此方案采用2.4 GHz的通信頻率，用戶(hù)只需要更換SIM卡，而不用更換手機即可實(shí)現移動(dòng)支付消費，用戶(hù)接受度高，可快速發(fā)卡，從產(chǎn)業(yè)鏈控制的角度來(lái)看是運營(yíng)商的最佳選擇。

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(lǐng)域。由于2.4 GHz頻段無(wú)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(shí)現移動(dòng)支付，所以本文主要針對2.4 GHz頻段來(lái)設計。

移動(dòng)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(yè)務(wù)的處理，主要負責向讀卡器發(fā)送或接受信息;RFID—SIM卡主要是接受和處理讀卡器發(fā)來(lái)的信息。

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。主要負責高低頻信號傳輸以及與POS機、RFID—SIM卡的通信。

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(gè)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(guò)USB輸入+5 V后，再通過(guò)電平轉換芯片(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機之間的數據就是通過(guò)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(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，IS07816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(shí)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(lái)實(shí)現射頻信號收發(fā)，nRF24IjD1是一款GFSK單片射頻收發(fā)芯片，工作于 2.4～2.5 GHz ISM頻段。該芯片包括：頻率發(fā)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(kāi)放的2.4 GHz頻段，具有80個(gè)可選工作頻道，頻道切換時(shí)間短，滿(mǎn)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(wú)線(xiàn)速率通過(guò)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(dòng)應答及自動(dòng)重發(fā)功能，減少了主控MCU(Z32)的工作量。即：數據發(fā)送完成后，芯片立即進(jìn)入接收模式，等待對方的應答信號，若未收到，返回發(fā)送模式重新發(fā)送數據，直到收到正確的應答或重發(fā)超過(guò)最大次數為止。4)低功耗應用：當工作在發(fā)射模式下，發(fā)射功率為-6 dBm時(shí)電流消耗為9 mA，接收模式時(shí)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(shí)協(xié)商通信地址和頻率以確保信號的正確穩定的發(fā)送。7)工作頻率、發(fā)射功率、通道地址、數據通信速率等工作參數均可以通過(guò)軟件設置來(lái)完成。

2.4 低頻模塊

低頻模塊主要由C8051F330芯片、放大器、低頻線(xiàn)圈組成，主要負責低頻信號的產(chǎn)生、放大和發(fā)射。C8051F330芯片采用20腳MLP封裝，具有片內上電復位、時(shí)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(gè)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(chǎng)更新8051固件。用戶(hù)軟件對所有外設具有完全的控制，可以關(guān)斷任何一個(gè)或所有外設以節省功耗。

3 結束語(yǔ)

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(shū)》預測，移動(dòng)支付將呈現爆發(fā)式增長(cháng);預計到2017年，中國移動(dòng)支付市場(chǎng)交易規模將突破2萬(wàn)億元。未來(lái)幾年增長(cháng)率將超過(guò)50%。本文設計的讀卡器能支持目前市面上大部分的手機實(shí)現移動(dòng)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(jìn)行串行通信，從控制器模塊主要接受主控制器命令，實(shí)現刷卡舉例的控制，具有廣泛的應用前景。