移动支付读卡器的硬件设计

黄蓝会

（宝鸡文理学院 计算机系，陕西 宝鸡 721016）

随着移动终端通信技术的普及，手机已经不仅仅是简单的通话工具，娱乐、购物成为了时下流行的业务，移动支付也成为目前最具代表性的业务之一。

移动支付也称为手机支付，是指用户通过移动终端（手机）作为电子支付工具实现消费支付的一种服务方式，移动支付让手机称为随身携带的电子钱包，可以实现电子支付、身份认证、防伪、票务、广告等各种功能[1]。

从中国互联网协会与新华社 《金融世界》联合发布的《2014中国互联网金融发展报告》中获悉的报告显示，去年我国手机支付用户规模达1.25亿，同比增长126%，手机支付、网络银行、金融证券等相关各类移动应用累计下载量超过4亿次。在电商方面，2014年中国网上零售市场交易规模达28 637.2亿元，增速为45%，继续保持高增长的态势，移动网购交易规模达8 616.6亿元，增速达229.3%。在移动支付方面，2014年，第三方移动支付交易规模达77 660亿元，继2013年环比增长率达到800%的爆发式增长后，再度迎来近500%的环比增长，继续保持高速发展[2]。

1 移动支付模式

目前移动支付主要的商业应用模式有3种[3]，第一种是是将用户的手机号码和后台用户的支付账号绑定，通过短信进行支付。第二种是利用GPRS或CDMA网络的客户端浏览器，输入账户信息进行支付。第三种是非接触式移动支付模式，主要应用在公交、地铁等移动支付的应用。目前，我国移动支付领域主要采用第3种模式来实现支付。非接触式移动支付模式目前主要有3个方案，分别是双界面SIMPASS、NFC、RFIDSIM，这3个方案的应用模式和技术各有不同。SIMPASS方案功能有限，必须外带天线，由于不同的手机SIM卡的位置也是不同的，需要进行适配。NFC（Near Field Communication）方案安全性高，工作稳定，支持手机点对点通信和主／被动通信模式，但此方案需要定制支持NFC卡的手机，目前市面上支持NFC的手机较少，推广难度大，对于国内电信运营商控制产业链也十分不利[4]。RFID-SIM方案将射频模块、天线、传统SIM卡功能都集成在SIM卡中，用户在拨打电话或收发短信的同时也能通过射频模块完成非接触移动支付交易；同时，此方案采用2.4 GHz的通信频率，用户只需要更换SIM卡，而不用更换手机即可实现移动支付消费，用户接受度高，可快速发卡，从产业链控制的角度来看是运营商的最佳选择[5]。

2 读卡器的硬件设计

射频识别系统工作的频段主要有：125 kHz、13.56 MHz、860～930 MHz、2.45 GHz和 5.8 GHz等，每一种频率都有自己的特性，分别适用于不同的领域[6]。由于2.4 GHz频段无须授权就可使用，数据传输的速度快，受金属影响不大，只要更换使用的RFID-SIM卡即可实现移动支付，所以本文主要针对2.4 GHz频段来设计。

移动支付系统由3部分组成，分别是：读卡器、POS机和RFID-SIM卡。链接示意图如图1所示。读卡器是POS机和RFID-SIM卡通信的纽带，主要负责解析POS机和RFID-SIM卡上的信号；POS机主要负责终端业务的处理，主要负责向读卡器发送或接受信息；RFID-SIM卡主要是接受和处理读卡器发来的信息。

图1 读卡器的链接示意图Fig.1 The card reader of the link diagram

读卡器的硬件电路模块如图2所示，主要由4部分组成，分别是：电源模块、主控制器模块、从控制器模块、射频收发模块。主要负责高低频信号传输以及与POS机、RFID-SIM卡的通信。

图2 读卡器的硬件电路图Fig.2 The card reader of the circuit diagram of the hardware

2.1 电源模块

在读卡器中，电源模块除了为读卡器内部各个模块供电之外，还要控制读卡器的供电模式。采用直流或者通过USB输入+5 V后，再通过电平转换芯片（MAX1818）产生3.3 V输入电压给其他模块。

2.2 主控模块

主控模块是读卡器的核心部分，读卡器与POS机之间的数据就是通过它传递的，主要负责对射频模块、距离控制模块和防止冲突检测的初始化。本文选用了国民技术股份有限公司的Z32H256UF芯片，该芯片的主要性能是：1）多种通信接口，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）内置振荡控制器和PPL，可外接4～12 MHz晶体；3）可以实现片上密钥管理、片上签名和身份验证；4）支持低功耗，芯片功耗小于500 mV（5 V@96 M 主频）和 300 mV（5 V@24 M 主频）。

2.3 射频模块

本文使用Nordic公司的nRF24L01芯片来实现射频信号收发，nRF24IjDl是一款GFSK单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段[7]。该芯片包括：频率发生器、功率放大器、增强型SchockBurstTM模式控制器、晶体振荡器、调制器和解调器。主要特性是：1）使用全球开放的2.4 GHz频段，具有80个可选工作频道，频道切换时间短，满足多频通信及跳频的需要，射频通道默认设置为2.4 G，频宽设置为1 MHz。2）无线速率通过配置寄存器可选择1 Mbps或2 Mbps。3）工作在增强型SchockBurstTM模式，具有自动应答及自动重发功能，减少了主控MCU（Z32）的工作量。即：数据发送完成后，芯片立即进入接收模式，等待对方的应答信号，若未收到，返回发送模式重新发送数据，直到收到正确的应答或重发超过最大次数为止。4）低功耗应用：当工作在发射模式下，发射功率为-6 dBm时电流消耗为9 mA，接收模式时为12.3 mA；掉电模式和待机模式下电流消耗更低。5）内置了CRC校验、数据包识别、载波检测等功能，以及极少的外围元件。6）数据通信时协商通信地址和频率以确保信号的正确稳定的发送。7）工作频率、发射功率、通道地址、数据通信速率等工作参数均可以通过软件设置来完成[8-9]。

2.4 低频模块

低频模块主要由C8051F330芯片、放大器、低频线圈组成，主要负责低频信号的产生、放大和发射。C8051F330芯片采用20脚MLP封装，具有片内上电复位、时钟振荡器，VDD监视器、10位电流输出DAC、25 MHz内部振荡器、768字节片内RAM、全双工UART、SPI端口、128字节特殊功能寄存器、17个I/O端口、8KB可在系统编程的FLASH存储器，其中的8KB可在系统编程的FLASH存储器可用于非易失性数据存储，允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗[10]。

3 结束语

国务院发展研究中心金融研究所发布的《中国网络支付安全白皮书》预测，移动支付将呈现爆发式增长；预计到2017年，中国移动支付市场交易规模将突破2万亿元，未来几年增长率将超过50%。本文设计的读卡器能支持目前市面上大部分的手机实现移动支付的功能，读卡器设计成主从模块设置的方式，主控制器模块进行串行通信，从控制器模块主要接受主控制器命令，实现刷卡举例的控制，具有广泛的应用前景。

[1]马姗姗.移动支付读卡器的研究与设计[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[2]新华社《金融世界》，中国互联网协会.《2014中国互联网金融发展报告》[R].2015.

[3]李颉.RFID-SIM技术在手机支付中应用的研究[D].北京：北京邮电大学，2010.

[4]孟健，陈少芳.基于NFC手机支付的应用研究[J].电子商务，2008（8）:70-75.

[5]唐煜舟.基于2.4G RFID技术的移动支付系统的设计与实现[D].上海：上海交通大学，2011.

[6]范桂林.915MHzRFID读卡器设计[D].大连：大连理工大学，2006.

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

[8]陈丽娟，常丹华.基于NRF2401芯片的无线电通信[J].电子器件，2006（3）:248-250.

[9]马姗姗.移动支付读卡器的研究与设计[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[10]陈文浩.RFID低频读写器的研究与实现[D].大连：大连海事大学，2008.