（通信与信息系统专业论文）移动支付读卡器的研究与设计.pdf

摘要 移动支付又称手机支付，是现代电子支付的一种表现形式，利用手机终端 对购买的商品或服务进行财务支付的服务方式，通过移动支付可以完成银行转 账、缴费、购物等商业活动。随着手机普及率的提高，除了作为通讯工具，手 机已越来越多的成为一种支付工具应用在日常生活中。因其具有随身、快捷的 特性，还能解决一些传统支付无法解决的问题，提高传统商务流程的效率，因 此具有更广阔的发展前景。随着第三代移动通信的大规模推广，非接触移动支 付已经成为各运营商争相追逐的重点增值服务业务。目前我国的非接触移动支 付尚未形成一个完整的产业链，还没有统一的移动支付标准，而2 4 g 移动支付 方案技术正处于推进阶段。 本文正是在此发展背景下，结合射频识别系统的基本原理知识，研究了移 动支付系统的基本组成原理及通信协议，采用硬件软件结合的方式，设计了一 款用于移动支付的读卡器系统，实现对射频s i m 卡片的识别、消费等功能。 在硬件设计中，主控制器选用公司自研3 2 位高安全处理器7 _ 3 2 ，完成读卡 器射频协议处理和接口通信，以及模块内部逻辑控制等功能。采用n o d i c 公司的 n r f 2 4 1 0 1 作为2 4 g 射频收发芯片，实现与射频卡的高频通信。由带有8 - b i t d a c 的单片机c 8 0 5 1 f 3 3 0 、放大驱动电路及线圈组成低频发射模块，完成低频信号源 的产生、放大和发射的过程。 软件设计采用模块化、结构化编程的思想，编程语言为c 语言。读卡器软 件设计采用双m c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ，即微控制器) 工作机制，主m c u 设 计程序主要完成与p o s 上位机数据收发的串行通信；通过s p i 通信方式访问射 频收发芯片n r f 2 4 l 0 1 ，按照射频协议来实现对射频卡的操作；向低频模块发送 控制低频命令。从m c u 设计程序主要接收主m c u 命令进行处理，调用底层程 序实现数据的曼彻斯特编码工作，发送曼彻斯特编码流的低频数据实现刷卡距 离的控制。软件的最后讲述了主从m c u 的通信程序设计。 最后经过测试证明，所设计的读卡器在p o s 机控制下能够稳定可靠的工作， 且在运行过程中，读卡器与卡通信的时间、功耗等各类指标均达到预期的设计 目标。 关键词：移动支付，读卡器，射频识别，2 4 g a b s t r a c t m o b i l ep a y m e n tw h i c hc a na l s ob er e f e r r e dt oa sm o b i l ep a y m e n t ，i so n ew a yo f m o d e me l e c t r o n i cp a y m e n ta n daf i n a n c i a ls e r v i c e sw a yf o rp u r c h a s i n gg o o d so r s e r v i c e sb ym o b i l et e r m i n a l s w ec a nc o m p l e t ep a y m e n tb ym o b i l ep a y m e n t ，s u c ha s b a n kt r a n s f e r , p a y m e n ta n ds h o p p i n g w i t ht h ei m p r o v e m e n to fm o b i l ep h o n e p e n e t r a t i o n ，a sac o m m u n i c a t i o n st o o l ，m o b i l ep h o n eh a sb e c o m em o r ea n dm o r ea sa p a y m e n tt o o li ne v e r y d a yl i f e b e c a u s eo fi t sp o r t a b l ea n de f f i c i e n tf e a t u r e s ，i tc a n r e s o l v es o m eu n s o l v a b l ep r o b l e mb u tt r a d i t i o n a lp a yc a n td oa n di m p r o v et h e e f f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a lb u s i n e s sp r o c e s s ，s oi th a sm o r ee x t e n s i v ep r o s p e c t sf o r d e v e l o p m e n t a st h el a r g e - s c a l ep r o m o t i o n f o r t h et h i r d g e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，n o n - c o n t a c tm o b i l ep a y m e n th a sb e c o m eav a l u e - a d d e ds e r v i c et h a t t h eo p e r a t o r sc h a s et oh a v e a tp r e s e n t ，c h i n a sn o n - c o n t a c tm o b i l ep a y m e n th a sn o t f o r m e dac o m p l e t ei n d u s t r i a lc h a i n i na d d i t i o n ，t h e r ei sn o tau n i f o r m e ds t a n d a r df o r m o b i l ep a y m e n t a n dt h e2 4 gp a y m e n ts o l u t i o nt e c h n o l o g yi si nt h eb o o s tp h a s e i nt h eb a c k g r o u n do ft h ed e v e l o p m e n t ，t h ea r t i c l es u m su pt h eb a s i ct h e o r yo f r f i ds y s t e ma n ds t u d i e sd e e p l yf o rt h eb a s i cp r i n c i p l e so fm o b i l ep a y m e n ts y s t e m s a n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h ea r t i c l ed e s i g n sac a r dr e a d e rf o rm o b i l ep a y m e n t b yu s i n gt h ec o m b i n a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h ed e s i g no fh a r d w a r e ，w es e l e c tt h e3 2h i g h s e c u r i t yp r o c e s s o rz 3 2c h i p f r o mc o m p a n y sp r o d u c ta st h em a i nc o n t r o l l e r t h em a i nc o n t r o l l e rc a nc o m p l e t et h e c a r dr e a d e r sp r o t o c o l - p r o c e s s i n ga n di n t e r f a c e - c o m m u n i c a t i o na n dm o d u l e sl o g i c c o n t r o l l i n gf u n c t i o n s n o r d i c sn r f 2 4 l 0 1a st h er ft r a n s c e i v e rc h i p ，c 孤c o m p l e t e t h ec o m m u n i c a t i o nw i t hc a r di nh i g hf r e q u e n c y l o wf r e q u e n c yt r a n s m i t t e rm o d u l ei s c o m p o s e do fc 8 0 5 1 f 3 3 0m i c r o c o n t r o l l e rw i t h8 - b i td a c ，a m p l i f i e rd r i v ec i r c u i ta n d c o i l i tc a nc o m p l e t et h ep r o c e s sf r o mt h eg e n e r a t i o no fl o w f r e q u e n c ys i g n a ls o u r c e t oa m p l i f i c a t i o na n dt oe m i s s i o n t h es o f t w a r ei sd e s i g n e dw i t ht h ei d e ao fm o d u l a rp r o g r a m m i n ga n ds t r u c t u r e d p r o g r a m m i n g t h es o f t w a r eu s e scl a n g u a g ea st h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g e sa n d d o u b l em c uw o r k i n gm e c h a n i s m t h es o f t w a r ep r o g r a mo fm a i nm c uc a n c o m p l e t es e r i a lc o m m u n i c a t i o nf o rp o su p p e rm o n i t o r , c a l l i n go nt h er fc h i pb ys p i c o m m u n i c a t i o na n do p e r a t i n gc a r d sp r o c e d u r e sa c c o r d i n gt or fc o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 i na d d i t i o n , t h es o f t w a r ea l s o c a ns e n dc o m m a n dt oc o n t r o lt h el o w f r e q u e n c ym o d u l e s t h es o f t w a r ep r o g r a mo fs l a v em c um a i n l yr e c e i v ea n dp r o c e s s t h ec o m m a n df r o mm a i nm c ua n dc a l lo nt h eu n d e r l y i n gp r o g r a mt or e a l i z ed a t a s m a n c h e s t e re n c o d i n gw o r k i na d d i t i o n ，t h es o f t w a r eo fs a l v em c ua l s oc a ns e n d d a t ab ym a n c h e s t e re n c o d i n gt oc o n t r o lt h ed i s t a n c ef o rs w i n gc a r d a tl a s t ，i ta l s o g i v ea na c c o u n to fc o m m u n i c a t i o nf o rm a i nm c u w i t hs l a v em c u t h et e s tp r o v e st h a tt h er e a d e rc a nw o r k s t a b l ya n dr e l i a b l yu n d e r t h ec o n t r o lo f t h ep o s a n dt h er e a d e r st i m ew i t hc a r da n dp o w e ra n do t h e rt y p e sp e r f o r m a n c e i n d e xh a v er e a c h e dt h ed e s i g no ft h ed e s i r e do b j e c t i v e s k e yw o r d s ：m o b i l ep a y m e n t ，c a r dr e a d e r r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，2 4 g n l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着互联网、移动终端的普及应用，移动运营商已经从单纯的语音、信息业 务的竞争进入到增值服务的竞争阶段。现在，手机的应用已经不仅仅只是简单的 通话工具，越来越多的应用出现在手机终端上，囊括了娱乐、购物等日常生活中 的方方面面，其中，移动支付就是最具代表性的业务之一l l j 。根据行业协会 e u r o s m a r t 和市场研究公司s t r a t e g ya n a l y t i c s 的数据显示，2 0 1 1 年消费者使用 手机支付的金额高达2 2 0 亿美元，目前国内外电信运营商都在大力发展r f i d 移 动支付应用1 2 j 。 移动支付也称为手机支付，是指用户通过使用移动终端( 手机) 作为电子支 付工具实现消费支付的一种服务方式，移动支付让手机成为随身携带的电子钱 包。可实现电子支付、身份认证、防伪、票务、广告等各种功能。移动支付主要 通过两种方式进行消费：一种为非面对面的远程交易，主要是基于移动通信网络， 通过w a p 、g p r s 、s t k 等完成支付行为，用户通过手机，可以此方式在互联 网上购买商品和服务。另一种为面对面的现场交易，用户可利用手机在与移动运 营商合作的商户，通过p o s 机刷卡方式进行消费，主要应用于商场、公交、地 铁等场合。 目前为止，我国移动支付技术的发展前后共经历了三个阶段： 第一阶段是移动支付的初级阶段，主要是将用户的手机号码和后台中用户的 支付账号进行绑定，通过短信或语音方式进行支付。从2 0 0 1 年运营商就已经开 始推广此种支付方式，这种支付方式操作起来相对比较方便，但是也存在一些缺 陷，如：安全性欠缺、支付过程繁琐复杂、支付时效性差等。 第二阶段是支付技术与互联网的结合，随着互联网的发展，移动支付开始通 过g p r s 或c d m a 网络，利用移动终端的客户端浏览器或者w a p 浏览器进行 支付。在支付过程中用户以输入账户信息的模式来消费，如：输入用户的银行卡 号和密码。但是此种支付方式受到网络速度的影响，给用户使用带来不便【3 1 。 第三阶段是非接触式移动支付模式，即r f i d 移动支付，推动其发展的核心 便是r f i d 技术。如今，r f i d 移动支付的应用已经越来越丰富，特别是2 0 1 0 年 以来快速发展的在公交、地铁上的移动支付应用，使移动支付业务逐渐被人们所 武汉理工大学硕士学位论文 熟知和接受。因此，各大电信运营商已经迫不急待将r f i d 移动支付应用视为未 来移动生活的一项重点增值业务。 1 2 国内外研究现状 目前，移动支付业务在发达国家已经获得了大规模的使用，与欧美、日相比， 中国的非接触移动支付技术起步较晚。 亚洲地区，日本在非接触式移动支付业务方面一直处于领先地位。发展最成 功的当属运营商n q t d o c o m o 4 1 ，通过整合支付服务商( 银行，银联等) 、应用提 供商( 公交、地铁、校园、联合商户等) 、设备供应商( p o s 、手机终端及卡片 供应商等) 等，建立起了一个完整的产业链，早在2 0 0 8 年9 月，n t r d o c o m o 运 营商的移动支付业务的用户数就已经突破4 9 0 0 万户1 5 j 。目前，在日本使用手机的 用户中6 0 的用户每周至少会使用一次支付功能。在韩国，早在2 0 0 1 年s k t 公司 就已经推出了m 0 麟服务的移动支付业务，如果移动用户申请该业务，即可 获得一张内置信用卡功能的手机智能卡实现手机支付购买商品，如：公交地铁刷 卡消费、自动售货机上买饮料、a t m 机提现等等。2 0 0 4 年推出新的品牌“m b a n k 便是将结算信息密码化，具备高安全的移动支付业务。目前，韩国手机 用户在购买手机时，通常会选择具备金融支付功能的手机 6 1 。 欧美的各大移动运营商也十分重视非接触移动支付业务。在美国，两大卡组 织已于2 0 0 5 年3 月宣布采用统一的非接触式支付标准，万事达的p a y p a s s 成为卡与 设备间标准通信协议。在此之前，万事达已在多个地方进行试点，比如：在奥兰 多进行p a y p a s s 信用卡测试，并与n o k i a 合作在达拉斯进行移动支付业务试点。从 2 0 0 5 年5 月开始，美国最大的发卡机构c h a s e 正式大规模发行“b l i n k 品牌的非 接触式信用卡，首先在g e o r g i a 与c o l o r a d o 发行近2 0 0 万张卡片，之后还在5 至6 个 地区推行，每个市场发卡量均在1 0 0 万张，截止2 0 0 6 年4 月，大通的发卡总量就已 经达到y 8 0 0 万张 7 1 。由德州仪器提供芯片的运通e x p r c s s p a y 也已开始全国性推 广，合作商家包括c v s 连锁、r i t zc a m e r a 与s h e e t z 。 在欧洲的法国嘎纳，2 0 0 5 年1 0 月针对近距无线通信( n f q 展开测试。根据飞 利浦电子公司所提供的这项触控式技术( t o u c h b a s e dt e c h n o l o g y ) ，参加测试的2 0 0 位嘎纳居民将能够在为期六个月的测试期间在嘎纳特定的零售店、停车场和著名 的观光景点使用内嵌有飞利浦n f c 芯片的移动电话进行安全的付款。在这项测试 中，飞利浦将与法国电信的研发部门、运营商o r a n g e 、手机制造商三星电子以及 2 武汉理工大学硕士学位论文 知名零售公g r o u p el a s e r 和v i n c ip a r k 紧密合作。在嘎纳进行的近距无线通信 n f c 澳q 试是这项新技术在全球第一次大规模的测试，将能直接从移动运营商、零 售业者和消费者三方得到意见反馈。这项测试也将有助于大众了解这项技术所带 来的便利：只要将他们的移动电话在近距无线通信n f c 终端机前轻松扫过，就能 安全而便捷地完成付款并获取信息。此外，还有如m a s t e r c a r d 公司于2 0 0 9 年提供 的p a y p a s sr f i d 支付卡，用户可以将此卡贴在手机上即可在合作商户进行消费， 受到了人们的广泛欢迎1 8 - 9 1 。 在国内，我国的移动支付行业得到了一定的发展，但由于各种原因仍处于初 步阶段。截止目前为止，各大运营商在不同地区，分别进行基于不同技术的非接 触移动支付业务试点【l o l 。截止2 0 0 9 年底我国手机支付市场规模已达到1 9 7 4 亿 元，中国移动作为世界上最大的移动运营商，早在2 0 0 6 年就已经在上海、重庆 等地进行了r f i d 移动支付试点，2 0 0 8 年年底至2 0 0 9 年，中国移动分别在湖南 试点4 3 3 m h z 卡和广东、重庆等地进行2 4 g h z 卡的试点，并于0 9 年通过试点 对两种方案进行技术和业务评估，得出2 4 g 方案相对更优。截止到2 0 1 0 年8 月，中国移动已经联合发展1 5 0 0 余家支持移动支付的商家单位，使用移动支付 的用户数量已经达到了2 3 4 万余户，使移动支付在中国现出广阔的应用前景。 目前，中国移动主要推出基于2 4 g h z 的r f l d s i m 方案i l l l 。中国联通在2 0 0 8 年已经开始推广非接触移动支付业务，2 0 0 8 年中国联通与交通银行联合推出了 “钱程无限”的n f c 手机支付业务，于2 0 1 0 年4 月在上海已经发布了基于 1 3 5 6 m h z 的n f c 技术移动支付方案业务，同时对r f i d s i m 技术方案也开始进 行应用试点【1 2 】。中国电信开展的移动支付业务相对要晚一些，目前主要推广 r f l d s i m 技术方案和1 3 5 6 m 贴片卡。同时，中国电信于2 0 0 9 年6 月在上海等 地试点，推出基于天翼手机平台的手机支付产品用户只需购买一张支付s d 卡 即可实现移动支付业务【1 3 j 。 经过多年发展，r f i d 移动支付技术已经比较成熟，但是由于我国目前还没 统一的行业标准，因此制定移动支付行业标准已经成为推动我国移动支付快速、 规范前进的重点业务。目前，基于r f i d 的移动支付技术主要有三种方案：双界 面s i m p a s s 方案、n f c 方案、r f i d s i m 方案。这三种方案在应用模式与技术 成熟度上有所不同，但是都有其自身的优缺点1 1 4 】。 s i m p a s s 方案在s i m 卡中加入非接触界面，即双界面s i m 卡，支持接触 s i m 功能和非接触支付功能两种工作接口【”l 。当对卡片供电时，两种接口的功 能均可使用，手机关机时，此卡也可以作为普通的r f i d 卡实现非接触刷卡交易； 3 武汉理工大学硕士学位论文 而且此方案采取1 3 5 6 m h z 通信频率，是世界上在交通、金融等行业应用最广泛 的频率，已经形成世界公认的技术标准。但是此方案功能有限，安全性不高；而 且此卡必须外带天线，由于不同的手机s i m 卡的位置也是不同的，需要进行适 配；同时，此方案的产业链单薄，没有完全形成。 n f c ( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ) 方案安全性高，支持普通和高级加密标准； 功能强大，工作稳定，支持手机点对点通信和主被动通信模式；此方案也采取 1 3 5 6 m h z 通信频率，应用广泛，受众多厂商支持；产业链成熟，获得业界的广 泛认可，如在日本已经成功使用此方案进行商用。但是此方案需要定制支持n f c 卡的手机，目前市面上支持n f c 的手机较少，且价格较昂贵，针对中国当前情 况来看，此方案业务起点高，推广难度大，对于国内电信运营商控制产业链也十 分不利【1 6 1 。 r f i d s i m 方案将射频模块、天线、传统s i m 卡功能都集成在s i m 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 g h z 的通信频率，用户只需要更换s i m 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【”】。但是由于国内p o s 机大多支持1 3 5 6 m h z ，r f i d 行 业中2 4 g 频率在银行，公交等行业推广不大，若采用此方案，需要更换p o s 机 中的读卡器，这对于运营商来说无疑也加大了推广难度【1 8 】。 通过国内对非接触移动支付的试点情况来看，s i m p a s s 方案和r f i d s i m 方案由于用户使用门槛低，推广迅速，而n f c 方案由于需要更换n f c 手机，导 致不能进行大规模试点，在移动支付的初期难以推广【捌。而s i m p a s s 方案由于 产业链单薄、技术成熟度不高，容易失去移动运营商的核心竞争力。r f i d s i m 方案虽然不如n f c 技术成熟，但是起点低，移动终端以及卡片量充足，利于推 广，容易建成有竞争力的产业规模，捆绑客户。因此，在移动支付推广的中长期 内，r f i d s i m 方案将很可能作为重点发展方向i 冽。本文主要讲述的就是基于 r f i d s i m 技术移动支付方案。 1 3 本文内容和结构 本课题来源于某公司的移动支付读卡器项目。本论文共分六大章，主要组织 结构如下： 第一章 4 武汉理t 大学硕士学位论文 绪论，介绍了移动支付的研究背景和国内外现状，针对目前的3 种移动支付 技术进行了比较分析，在此基础上阐述了本文的课题来源及创新点，做出相应结 构安排。 第二章 介绍了射频识别技术的基本工作原理以及本设计的2 4 g 移动支付的基本组 成，系统讲解了2 4 g 频段移动支付读卡器的总体设计方案，详细阐述了移动支 付的射频通信协议和读卡器的性能指标。 第三章 讲述了2 4 g 移动支付读卡器内部各模块的硬件电路设计。 第四章 详细讲述读卡器的软件实现，首先阐述软件的整体设计思想，然后分别讲述 主从m c u 的软件设计，最后讲解了主从m c u 的通信机制。 第五章 对设计的2 4 g 移动支付读卡器进行系统测试，通过测试数据来证明读卡器 的各项功能，性能指标是否满足设计要求。 第六章：总结展望 对本文研究内容作出了总结，并对其未来的研究进行了展望。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章移动支付读卡器总体设计 非接触移动支付是在射频识别( r f i d ) 技术和互连网技术基础上发展起来 的一种无线连接服务方式【2 l j 。 射频识别技术( r f i d ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 是一种自动识别技术， 即通过无线射频信号自动对目标加以识别并进行非接触双向数据通信的技术。 r f i d 系统主要由读卡器和射频卡组成，通常是读卡器通过天线发射一定频率的 无线信号，当射频卡进入读卡器的天线工作区域时，其天线接收到读卡器发射的 射频信号后，把射频信号转化为为卡片系统提供能量的电压信号激活射频卡，同 时射频卡启动射频芯片发射含自身信息的数据信号，读卡器天线接收射频卡发送 的射频数据进行相关处理，从而实现对卡片非接触性的双向通信【捌。 射频识别系统工作频段主要包括低频( l f ) 、高频( 耶) 、超高频段( u h f ) 和微波( m i c r o w a v e ) ，目前射频识别技术广泛使用的频率主要有：1 2 5 k h z 、 1 3 5 6 m h z 、8 6 0 m h z 一9 3 0 m h z 、2 4 5 g h z 和5 8 g h z 等，每一种频率都有自己的 特性，分别适用于不同的领域1 2 3 j 。 本文重点讲述2 4 g i - i z 频段的r f i d 移动支付系统，该频段为各国公用的i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段，无需授权即可使用，具有数据传输速率快， 天线尺寸小，可在短时间内识别多标签等特点。同时，该频段电磁波受金属影响 不大，2 4 g 射频信号能从手机固有结构缝隙中折绕射出来俐，因此无需更改手 机硬件，只需更换使用r f i d s i m 卡即可实现非接触移动支付应用，使方案的推 广更加容易。 2 1 移动支付系统基本组成 2 4 g 移动支付采用2 4 g h z 频率的读卡器与集成电路s i m 卡通信方案 ( r f i d s i m 方案) ，具有手机支付功能即手机钱包，同时还具备身份认证及其 他增值功能【2 5 1 。移动支付系统主要由读卡器、p o s ( p o i n to fs a l e ) 终端以及 r f i d s i m 卡三大部分组成。 读卡器主要由主控制器、射频收发芯片以及天线、低频控制模块等组成，是 读写r f i d s i m 卡并处理卡片信息的设备，是移动支付系统设计中连接p o s 终 6 武汉理工大学硕士学位论文 端与卡片通信的桥梁。r f i d s i m 卡由主控制器、射频收发芯片、低频芯片及s i m 功能模块等组成，主要接收处理读卡器发射过来的无线电磁波信号，同时也可由 主控芯片控制向读卡器发射电磁波信号。p o s 机是业务处理终端，是读卡器的 主机，负责向读卡器发送或接受数据，从而与卡进行业务处理。整个移动支付系 统组成如图2 1 所示。 图2 - 1r f i d s i m 系统总体框图 2 2 读卡器系统设计方案 读卡器是移动支付系统设计中非常关键的组成部分，是p o s 终端和 r f i d s i m 卡通信的纽带，因此，良好的读卡器设计才能使移动支付系统发挥最 佳效果，论文将读卡器的设计作为讨论重点。 本设计中读卡器硬件主要由四大模块组成，包括电源模块、主控m c u 及接 口电路、高频2 4 g 收发电路及天线、低频磁场产生与发射电路( 内部结构框图 如图2 2 所示) 。电源l d o 模块负责对读卡器内部子模块提供电源以及供电状态 的切换，输入v c c 由p o s 机提供+ 5 v ，输出3 3 v 1 ；m c u 主控制芯片采用 公司自研的3 2 位高安全处理器7 _ 3 2 ，控制读卡器在连接卡片、链路维持、串口 命令处理三个状态之间进行转换，包括r f 协议通信与处理，发送低频模块控制 命令，与p o s 通信等功能：高频2 4 g 部分采用n o r d i c 2 4 l 0 1 射频收发芯片 进行读卡器与卡通信过程中的r f 数据传输瞄】；低频发射模块由带有1 0 - b i t d a c 的单片机c 8 0 5 1 f 3 3 0 、放大驱动电路及线圈组成，c 8 0 5 1 接收主控m c u 下发的 串口命令，完成内部协议数据处理，并负责低频信号源的产生，放大和发射。 7 武汉理工大学硕士学位论文 4 g 宅中链 路传输 图2 2 读卡器系统结构图 读卡器是p o s 机的一个重要组成部分，通过u a r t 串口与p o s 机主设备通 信( 如图2 3 所示) ，为p o s 机应用提供一条无线链路，使之与p o s 通信终端 的有线链路工作切换到到无线链路上来。 整个移动支付的过程中，所有业务均由p o s 终端发起，当需要读卡器读写 卡片或者进行自身设置时，p o s 机通过u a r t 串口向读卡器发送相应的通信协 议格式命令，使读卡器与r f i d s i m 卡进行通信，实现对卡片数据的访问，然后 由读卡器返回操作结果数据，从而完成相应的支付、充值、查询余额等金融交易 流程f 明。 u a r t + 5 v ， 5 v 、 r f i d - s i m 卡p z ， t x l o s 终端 读写器t x ，r x 、 g n d ，g n d e np 0 w e re n 图2 3 与p o s 机u a r t 串口通信图 移动支付系统中的r f i d s i m 卡的实现是在原有s i m 卡基础上增加了一个 桥接系统，该桥接系统包含安全主控电路、高频2 4 g 射频收发电路、低频磁感 应电路，以及在控制芯片上运行的软件，桥接系统的主控芯片通过i s 0 7 8 1 6 接 8 武汉理工大学硕士学位论文 口实现s i m 卡功制2 8 1 。因此，加入桥接系统后，我们不需要修改手机和s i m 卡 中的硬件或者软件，只需将原来的手机s i m 卡换为r f i d s i m 卡即可实现新业 务的扩展。 读卡器便是一个收发r f i d s i m 卡信息进行处理的终端，实现对r f i d s i m 卡的读、写操作。读卡器与r f - s i m 卡通信系统框图如图2 4 所示。 r e a d e r 图2 - 4 读卡器与r f i d s i m 卡的通信框图 读卡器与卡片之间，采用低频磁感应强度检测的距离控制技术实现寻卡功 能，采用2 4 g 射频接口实现双向数据通信功能。读卡器工作在主动模式，主动 发出请求信号去读写r f i d s i m 卡，二者通信流程为： 首先读卡器不停地将产生的随机数和自身信息组帧通过低频磁场发送出去， 当r f i d s i m 卡进入读卡器感应范围内被磁场激活后，卡片将接收到的数据及自 身信息通过2 4 g 射频发送至读卡器。读卡器通过核对数据判断该卡片的通信目 标是否是本机，然后发出连卡请求；同时卡片也会通过将接收到的磁场数据和接 收到的2 4 g 射频数据相核对以确认两者是同一个读卡器发出的，从而通过r f 协商绑定关系并建立连接，这样便可避免刷卡距离不可控时而造成误刷的情况。 连卡成功后，双方进入交易阶段，完成上层应用的数据交换，如：完成小额 支付、购物等业务。在链路通信过程中，读卡器必须一直维持磁场的存在，而 r f i d s i m 卡在发送任何响应消息之前，需要判断其是否位于限定的磁场范围之 内，如果不在限定的磁场范围内，则r f s i m 卡进入休眠状态；如果在限定的磁 场范围内，则读卡器与卡片正常通信。交易结束后，卡片离开读卡器交易范围， 读卡器断开与卡片的连接。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 读卡器关键技术及性能指标 2 3 1 射频通信协议 读卡器与卡之间的通信主要采用射频通信，因此射频通信的协议是读卡器设 计的关键技术。射频通信协议分为：物理层、数据链路层、传输层、会话层和应 用层。 应用层主要根据应用需要通过会话层将消息发送到对方，同时通过接收会话 层消息，进行相应的业务处理。 会话层对应用层数据进行加密等处理，以保证其安全性。会话层的行为均基 于消息传输命令和数据，对于大数据量传输，上层应用需将数据拆分成多个消息 来传输，同时对包进行扩展，消息通常是由一个或者多个数据包组成的，从而能 够支持业务与应用层处理相应业务的接口。会话层处理的最小数据单位为消息， r f 消息由消息头、消息体、消息校验组成。如表2 - 1 所示。 表2 1r f 消息结构 消息头消息体消息校验 命令、a p d u 消息方向消息类型消息状态消息体长度数据校验 数据 1 ) 消息头包括消息方向、消息类型、消息发送方状态、消息体长度。是对 消息的具体阐述。 2 ) 消息体是消息所要传递的具体内容。 3 ) 消息校验用于对消息头和消息体数据进行c r c 校验。 传输层主要实现数据的拆包、解包。包为传输层处理的最小数据单位，传输 层行为均基于包进行处理，在发送消息时，传输层将消息进行拆包编号，从编号 为0 开始依次发送出去；在接收消息时，传输层将从链路层收到的数据解析进行 解包，是发送包的逆过程。包的协议格式如下表2 2 所示。 表2 2 包协议格式 l 包头i包数据块l 1 ) 包头主要包含的包的具体信息，包的具体序列号及标识号 2 ) 包数据块为包中传输的有效数据，最大支持3 1 个字节。 链路层对数据进行组帧解帧以及数据重传，链路处理行为均基于帧进行处 理，对有效数据进行扩展，形成信道能够稳定传输的机制。数据发送时，链路层 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 按照协议规定的帧格式进行组帧发送出去：同时，对物理层接收到的射频比特流 信号进行解帧，获取其中的有效数据域信息。链路层规定的帧格式如表2 3 所示。 表2 3 帧协议结构 l 前导 i 地址域 i 控制域 l 数据域 lc r c 校验域i 1 ) 数据域为所需要传输的r f 数据。 2 ) c r c 校验域为1 6 位，链路层以此判断帧的传输是否正确，c r c 计算包 含了r f 帧结构中除前导域以及c r c 域本身之外所有的域。 物理层主要实现底层比特流的传输，为数据收发提供传输通道。物理层将数 据比特流调制成高频信号发送到对方；同时接收对方的高频信号。物理层r f 信 道使用2 4 gi s m 频段进行通信，共支持8 0 个载频频点。 消息、包、帧作为协议各层业务处理的基本单位，它们之间的关系如图2 5 所示。 一 消息长度 一i 消息 。、一 包数 一、一、 1 包o i i 色- i 卜色t- - 一一一包2 一 一 乜n 、 包类墅束包标识包号包数据块包数据长度 1 、l 一7 ，7 ，7 前导地址皇控制i i数据域c r c 校验壤 帧致据长度 图2 - 5r f 通信协议单元关系 2 3 2 读卡器性能指标要求 1 ) 安全控制器性能指标： 高安全处理器内核，具备低功耗，高性能的特点 接口：支持u a r t 高速串口、s p i 主接口、u s b 全速、7 8 1 6 主接口 内置安全组件：支持r s a ，e c c 公钥算法、d e s 3 d e s a e s 加密算法、真 随机数发生器等 2 ) r f 通道性能指标： 电 拣+鼢上包10帧 消 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 作频率2 4 gi s m 频段、g f s k 调制方式、跳频工作方式 空中数据传输速率：1 m b p s r f 交易时间： 5 0 0 m s 射频操作距离：0 1 0 c m 发射功率范围：4 0 d b m 一1 0 d b m 支持多卡防冲突 采用低频磁场感应方式进行距离控制 3 ) 接口规范： u a r t 接口：波特率1 1 5 2 0 0 b p s r f 射频通讯接口：1 m b p s 6 p i n 的串行接口及电源使能信号接口：分别为：电源v c c ，接地g n d ， u a r tt x ( 输出) 3 3 vc m o s 电平，u a r tr x ( 输入) 3 3 vc m o s 电平，电源使 能信号低电平有效 4 ) 读卡器功耗指标： 最大工作电流： 1 0 0 m a 低功耗模式电流： 一 叫2 链路维持 串口命令处理 d e f a u l t 卜一 连卡处理 图4 3 主m c u 工作的总体流程图 读卡器上电后，首先执行引导程序进入z 3 2 a p p 应用程序入口m a i n 函数。 进入m a i n o i 函数后，首先进行读卡器的初始化工作，然后进入w h i l e ( 1 ) ，循环 不断进行读卡器工作处理。 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 1 初始化程序 进入m a i n ( ) 函数后，首先进行初始化处理工作，初始化读卡器各变量和z 3 2 内部寄存器，初始化流程如图4 4 所示。 m a i n o i 求l 数入i s i 上 串u 波特率初始化 上 读芯片i d 上 读卡器参数初始化 上 射频芯片工作初始 化 上 定时器初始化 上 i 控制低频芯片初始 化 上 看门狗初始化 上 w h i l e 循环体 图4 4 主控初始化流程图 1 ) 初始化串口波特率：设置u a r t 波特率初始值1 1 5 2 0 0 b p s ，允许串口接 收中断，注册中断服务函数。 2 ) 读芯片的d ：读z 3 2 c h i p寄存器中的值获取读卡器的标识号。id 3 ) 读卡器各参数的初始化：设置读卡器的类型为近距离；设置与硬件密切 相关的参数：包括扫描时间( 1 0 0 0 u s ) ，r f 地址宽度( 5 字节) ，r f 功率大小；根 据读卡器的标识号设置读卡器u i d 等。 4 ) 射频芯片n r f 2 4 l 0 1 的初始化：初始化s p i 通信管脚电平状态；写 n r f 2 4 l 0 1 的配置寄存器和控制寄存器，初始化其工作方式i 翊。 5 ) 定时器0 、1 的初始化：用于初始化定时器工作方式，设置定时器初始值， 然后打开定时中断，注册定时中断，等待启动定时。定时器0 用于判断寻卡时间 是否超时，定时器1 设置时间窗口。 武汉理工大学硕士学位论文 6 ) 低频芯片的初始化：初始化与低频连接的软串口g p i o ，初始化低频工 作模式，设置低频发送i d r 数据帧。 7 ) 看门狗的初始化设置：1 6 位看门狗计数器，用于控制程序正常运行，以 避免死机( 若死机，看门狗会软复位，程序重新执行) 。在程序执行过程中，及 时喂狗【3 9 1 。 4 2 2 状态机切换 主控程序w h i l e 循环设计中，读卡器在工作的时候主要在以下三个状态中切 换，如图4 5 所示。 连接卡片失败 图钙r f i d s i m 读卡器工作中的状态转换图 1 ) 连接卡状态：读卡器系统上电后，经过初始化处理后就会进入搜卡连接 状态，由于读卡器磁场范围内不一定有卡片，所以读卡器一般花费很长处于此状 态。如果在此过程中连接上卡片，读卡器转入链路维持状态；同时，读卡器监听 p o s 串口，若有p o s 命令下发，则转入p o s 命令处理状态；如果没有卡片进入 读卡器范围或连卡失败，则循环执行此状态尝试新的连接。 2 ) 链路维持状态：当读卡器连上卡之后，便会转入链路维持状态以等待后 续交易等处理，在此状态下读卡器通过发送空消息以维持和卡片的链路连接。如 果读卡器在此过程中收到p o s 串口命令，便会转入命令处理状态；如果链路维 持过程中发现异常，则断开卡重新进入连卡状态。 3 ) 命令处理状态：读卡器与卡片连卡正常的情况下，若收到p o s 的串口命 武汉理工大学硕士学位论文 令便会进入命令处理状态。在此状态下，读卡器按照串口通信协议解析出p o s 的具体命令，转入相应的处理流程，如：刷卡消费等。处理完p o s 命令后，若 卡片仍在