基于STM32的非接触读卡器的设计
2014-11-27朱柳
朱柳
摘 要 本文介绍了一种近场通信系统的设计方法，系统的主芯片采用STM32F103，它采用CORTEX-M3处理器，相对于传统的ARM7 TDMI处理器，CORTEX-M3具有更快速的中断响应能力。近场通信的实现采用高度集成的非接触读写芯片PN532，集成了13.56 MHz下的各种主动/被动式非接触通信方法和协议。主芯片与读写芯片之间可以通过串口、SPI接口或IIC接口进行通信。整体设计方案成本低、功耗低，可以应用于手机支付、门禁、公交等领域。
关键词 近场通信（NFC）；STM32F103；PN532
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）19-0036-02
近场通信（Near Field Communication，NFC）结合了近场通信技术和移动通信技术，是由非接触式射频识别及互联互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。随着通信技术的发展，NFC作为一种新兴的技术，更多应用在生产、物流、跟踪、资产管理上，而在门禁、公交、手机支付及广告信息查询等领域内也发挥着巨大的作用，特别是相对于手机应用有很大的开发空间。其操作简单，方便使用，对消费者的消费行为和消费习惯产生巨大影响，为移动商务创造了新的商机，是人们安全性付费和金融应用的理想选择。因此，熟悉NFC对以后的移动应用会有很大的益处。
1 系统整体设计方案
构成本系统的几个主要模块包括主控制器、电源模块、显示模块、NFC模块等。系统整体框图如图1所示。
图1 系统整体框图
2 系统的硬件设计
2.1 主控制芯片及主要外围电路设计
由于篇幅有限，只介绍其中较为重要的几个模块。
2.1.1 主控制芯片
本设计以STM32F103为主控制芯片，完成所有接口的调度以及事件的处理，该控制芯片是基于高性能、低成本、低功耗的应用设计的ARM Cortex-M3内核的32bit处理器，最高工作频率72 MHz，是具有快速中断响应能力的深度嵌入式应用而设计的处理器。STM32外设极其丰富，具有极高的集成度。
图2 电源电路原理图
2.1.2 电源电路
本系统中用到5 V和3.3 V直流电压供电，采用AMS1117-3.3得到3.3 V的直流电压，用于给系统供电，除此之外还设计了USB电源输入和保险，电源电路原理图如图2所示。
2.1.3 显示电路
根据设计需求，采用LCD液晶屏用来显示NFC模块的读写信息，使系统具有更好的可视化效果，液晶模块供电采用单独的供电模块。
图3 LCD电路原理图
2.2 NFC读写模块的设计
NFC模块采用NXP公司生产的PN532实现近场通信，PN532是一款高集成度的IC卡读写模式的射频芯片，包含80C51微控制器内核，集成了13.56 MHz下的各种主动/被动式非接触通信方法和协议，传输速度有106 Kbps、212Kbps和424Kbps。
该芯片具有较高的安全性能，其开发效率高，作用周期短，产品兼容性好。发射模块输出读写距离5 cm，具有高度集成的模拟电路。可读取接收天线的信号进行解调和解码产生相关信息，拥有读写、被读写及点对点工作模式同时也可以相互切换。读写模块框图如下图所示。
图4 读写模块框图
NFC系统是由天线、NFC芯片以及智能芯片三个模块构成。天线是信号的发射装置，读卡器是接收装置，通过读卡器使电磁感应让标签通电，来读取标签上的芯片工作信号，利用接收模块传来的信号进行解调和解码形成相关的数据，NFC读写模块原理图如图5所示。
图5 NFC模块设计原理图
3 系统软件部分的设计
图6 程序流程图
读写模式时，NFC通信主要由以下几步完成。
1）唤醒NFC模块，PN532模块正常工作时，每上电唤就醒一次，直到PN532模块被唤醒为止。
2）搜寻NFC标签，并获取标签信息。
3）标签密码验证。这个只针对Mifare S50卡，S70卡和ultralight卡不需要验证。验证成功之后就可以对NFC标签进行读或者写的操作。
4）读写NFC标签。可以定义函数nfc_read（）和nfc_write（）用于读写，可以通过软件的设计防止重复读卡。相应的读、写操作可以在LCD屏上读出相应信息。
整体程序的流程图如图6所示。
4 结论
通过对Mifare卡的读、写测试，处理器可以成功将数据写入标签或从标签中读出，速度较快、准确率较高，本设计原理也可应用于门禁卡、公交卡等领域，具有NFC功能的手机也可以与本系统交互数据，具有一定的应用价值。
基金项目
由北京联合大学“启明星”大学生科技创新项目（12222994701）经费资助。
参考文献
[1]吴思楠，等.近场通信技术分析[J].电子科技大学学报，2007，36（6）.
[2]周梓鑫.基于PN512芯片的通用读写系统研发[D].黑龙江大学，2011，.
[3]陈俊杰，等.基于PN532的接触式和非接触式读卡器设计[J].电子技术应用，2010（5）.
[4]夏文栋，林凯.融合NFC的3G智能卡系统[J].计算机工程，2011（02）.
[5]沈剑良.电子标签芯片数字电路系统研究与实现[D].长沙：国防科学技术大学，2006：18-19.
[6]PN532__Datasheet：http：//wenku.baidu.com/link？url=Gnunf4eT2H-jh2YGHU28dLAbZVoFM4ndxRaH_NzVFBL3jShxBRs5JS7K03IEDTnHxgFst0TbcBtaaqf8YueWKLnUhkLUfbE_Kua6KSYDhFK.endprint
摘 要 本文介绍了一种近场通信系统的设计方法，系统的主芯片采用STM32F103，它采用CORTEX-M3处理器，相对于传统的ARM7 TDMI处理器，CORTEX-M3具有更快速的中断响应能力。近场通信的实现采用高度集成的非接触读写芯片PN532，集成了13.56 MHz下的各种主动/被动式非接触通信方法和协议。主芯片与读写芯片之间可以通过串口、SPI接口或IIC接口进行通信。整体设计方案成本低、功耗低，可以应用于手机支付、门禁、公交等领域。
关键词 近场通信（NFC）；STM32F103；PN532
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）19-0036-02
近场通信（Near Field Communication，NFC）结合了近场通信技术和移动通信技术，是由非接触式射频识别及互联互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。随着通信技术的发展，NFC作为一种新兴的技术，更多应用在生产、物流、跟踪、资产管理上，而在门禁、公交、手机支付及广告信息查询等领域内也发挥着巨大的作用，特别是相对于手机应用有很大的开发空间。其操作简单，方便使用，对消费者的消费行为和消费习惯产生巨大影响，为移动商务创造了新的商机，是人们安全性付费和金融应用的理想选择。因此，熟悉NFC对以后的移动应用会有很大的益处。
1 系统整体设计方案
构成本系统的几个主要模块包括主控制器、电源模块、显示模块、NFC模块等。系统整体框图如图1所示。
图1 系统整体框图
2 系统的硬件设计
2.1 主控制芯片及主要外围电路设计
由于篇幅有限，只介绍其中较为重要的几个模块。
2.1.1 主控制芯片
本设计以STM32F103为主控制芯片，完成所有接口的调度以及事件的处理，该控制芯片是基于高性能、低成本、低功耗的应用设计的ARM Cortex-M3内核的32bit处理器，最高工作频率72 MHz，是具有快速中断响应能力的深度嵌入式应用而设计的处理器。STM32外设极其丰富，具有极高的集成度。
图2 电源电路原理图
2.1.2 电源电路
本系统中用到5 V和3.3 V直流电压供电，采用AMS1117-3.3得到3.3 V的直流电压，用于给系统供电，除此之外还设计了USB电源输入和保险，电源电路原理图如图2所示。
2.1.3 显示电路
根据设计需求，采用LCD液晶屏用来显示NFC模块的读写信息，使系统具有更好的可视化效果，液晶模块供电采用单独的供电模块。
图3 LCD电路原理图
2.2 NFC读写模块的设计
NFC模块采用NXP公司生产的PN532实现近场通信，PN532是一款高集成度的IC卡读写模式的射频芯片，包含80C51微控制器内核，集成了13.56 MHz下的各种主动/被动式非接触通信方法和协议，传输速度有106 Kbps、212Kbps和424Kbps。
该芯片具有较高的安全性能，其开发效率高，作用周期短，产品兼容性好。发射模块输出读写距离5 cm，具有高度集成的模拟电路。可读取接收天线的信号进行解调和解码产生相关信息，拥有读写、被读写及点对点工作模式同时也可以相互切换。读写模块框图如下图所示。
图4 读写模块框图
NFC系统是由天线、NFC芯片以及智能芯片三个模块构成。天线是信号的发射装置，读卡器是接收装置，通过读卡器使电磁感应让标签通电，来读取标签上的芯片工作信号，利用接收模块传来的信号进行解调和解码形成相关的数据，NFC读写模块原理图如图5所示。
图5 NFC模块设计原理图
3 系统软件部分的设计
图6 程序流程图
读写模式时，NFC通信主要由以下几步完成。
1）唤醒NFC模块，PN532模块正常工作时，每上电唤就醒一次，直到PN532模块被唤醒为止。
2）搜寻NFC标签，并获取标签信息。
3）标签密码验证。这个只针对Mifare S50卡，S70卡和ultralight卡不需要验证。验证成功之后就可以对NFC标签进行读或者写的操作。
4）读写NFC标签。可以定义函数nfc_read（）和nfc_write（）用于读写，可以通过软件的设计防止重复读卡。相应的读、写操作可以在LCD屏上读出相应信息。
整体程序的流程图如图6所示。
4 结论
通过对Mifare卡的读、写测试，处理器可以成功将数据写入标签或从标签中读出，速度较快、准确率较高，本设计原理也可应用于门禁卡、公交卡等领域，具有NFC功能的手机也可以与本系统交互数据，具有一定的应用价值。
基金项目
由北京联合大学“启明星”大学生科技创新项目（12222994701）经费资助。
参考文献
[1]吴思楠，等.近场通信技术分析[J].电子科技大学学报，2007，36（6）.
[2]周梓鑫.基于PN512芯片的通用读写系统研发[D].黑龙江大学，2011，.
[3]陈俊杰，等.基于PN532的接触式和非接触式读卡器设计[J].电子技术应用，2010（5）.
[4]夏文栋，林凯.融合NFC的3G智能卡系统[J].计算机工程，2011（02）.
[5]沈剑良.电子标签芯片数字电路系统研究与实现[D].长沙：国防科学技术大学，2006：18-19.
[6]PN532__Datasheet：http：//wenku.baidu.com/link？url=Gnunf4eT2H-jh2YGHU28dLAbZVoFM4ndxRaH_NzVFBL3jShxBRs5JS7K03IEDTnHxgFst0TbcBtaaqf8YueWKLnUhkLUfbE_Kua6KSYDhFK.endprint
摘 要 本文介绍了一种近场通信系统的设计方法，系统的主芯片采用STM32F103，它采用CORTEX-M3处理器，相对于传统的ARM7 TDMI处理器，CORTEX-M3具有更快速的中断响应能力。近场通信的实现采用高度集成的非接触读写芯片PN532，集成了13.56 MHz下的各种主动/被动式非接触通信方法和协议。主芯片与读写芯片之间可以通过串口、SPI接口或IIC接口进行通信。整体设计方案成本低、功耗低，可以应用于手机支付、门禁、公交等领域。
关键词 近场通信（NFC）；STM32F103；PN532
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）19-0036-02
近场通信（Near Field Communication，NFC）结合了近场通信技术和移动通信技术，是由非接触式射频识别及互联互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。随着通信技术的发展，NFC作为一种新兴的技术，更多应用在生产、物流、跟踪、资产管理上，而在门禁、公交、手机支付及广告信息查询等领域内也发挥着巨大的作用，特别是相对于手机应用有很大的开发空间。其操作简单，方便使用，对消费者的消费行为和消费习惯产生巨大影响，为移动商务创造了新的商机，是人们安全性付费和金融应用的理想选择。因此，熟悉NFC对以后的移动应用会有很大的益处。
1 系统整体设计方案
构成本系统的几个主要模块包括主控制器、电源模块、显示模块、NFC模块等。系统整体框图如图1所示。
图1 系统整体框图
2 系统的硬件设计
2.1 主控制芯片及主要外围电路设计
由于篇幅有限，只介绍其中较为重要的几个模块。
2.1.1 主控制芯片
本设计以STM32F103为主控制芯片，完成所有接口的调度以及事件的处理，该控制芯片是基于高性能、低成本、低功耗的应用设计的ARM Cortex-M3内核的32bit处理器，最高工作频率72 MHz，是具有快速中断响应能力的深度嵌入式应用而设计的处理器。STM32外设极其丰富，具有极高的集成度。
图2 电源电路原理图
2.1.2 电源电路
本系统中用到5 V和3.3 V直流电压供电，采用AMS1117-3.3得到3.3 V的直流电压，用于给系统供电，除此之外还设计了USB电源输入和保险，电源电路原理图如图2所示。
2.1.3 显示电路
根据设计需求，采用LCD液晶屏用来显示NFC模块的读写信息，使系统具有更好的可视化效果，液晶模块供电采用单独的供电模块。
图3 LCD电路原理图
2.2 NFC读写模块的设计
NFC模块采用NXP公司生产的PN532实现近场通信，PN532是一款高集成度的IC卡读写模式的射频芯片，包含80C51微控制器内核，集成了13.56 MHz下的各种主动/被动式非接触通信方法和协议，传输速度有106 Kbps、212Kbps和424Kbps。
该芯片具有较高的安全性能，其开发效率高，作用周期短，产品兼容性好。发射模块输出读写距离5 cm，具有高度集成的模拟电路。可读取接收天线的信号进行解调和解码产生相关信息，拥有读写、被读写及点对点工作模式同时也可以相互切换。读写模块框图如下图所示。
图4 读写模块框图
NFC系统是由天线、NFC芯片以及智能芯片三个模块构成。天线是信号的发射装置，读卡器是接收装置，通过读卡器使电磁感应让标签通电，来读取标签上的芯片工作信号，利用接收模块传来的信号进行解调和解码形成相关的数据，NFC读写模块原理图如图5所示。
图5 NFC模块设计原理图
3 系统软件部分的设计
图6 程序流程图
读写模式时，NFC通信主要由以下几步完成。
1）唤醒NFC模块，PN532模块正常工作时，每上电唤就醒一次，直到PN532模块被唤醒为止。
2）搜寻NFC标签，并获取标签信息。
3）标签密码验证。这个只针对Mifare S50卡，S70卡和ultralight卡不需要验证。验证成功之后就可以对NFC标签进行读或者写的操作。
4）读写NFC标签。可以定义函数nfc_read（）和nfc_write（）用于读写，可以通过软件的设计防止重复读卡。相应的读、写操作可以在LCD屏上读出相应信息。
整体程序的流程图如图6所示。
4 结论
通过对Mifare卡的读、写测试，处理器可以成功将数据写入标签或从标签中读出，速度较快、准确率较高，本设计原理也可应用于门禁卡、公交卡等领域，具有NFC功能的手机也可以与本系统交互数据，具有一定的应用价值。
基金项目
由北京联合大学“启明星”大学生科技创新项目（12222994701）经费资助。
参考文献
[1]吴思楠，等.近场通信技术分析[J].电子科技大学学报，2007，36（6）.
[2]周梓鑫.基于PN512芯片的通用读写系统研发[D].黑龙江大学，2011，.
[3]陈俊杰，等.基于PN532的接触式和非接触式读卡器设计[J].电子技术应用，2010（5）.
[4]夏文栋，林凯.融合NFC的3G智能卡系统[J].计算机工程，2011（02）.
[5]沈剑良.电子标签芯片数字电路系统研究与实现[D].长沙：国防科学技术大学，2006：18-19.
[6]PN532__Datasheet：http：//wenku.baidu.com/link？url=Gnunf4eT2H-jh2YGHU28dLAbZVoFM4ndxRaH_NzVFBL3jShxBRs5JS7K03IEDTnHxgFst0TbcBtaaqf8YueWKLnUhkLUfbE_Kua6KSYDhFK.endprint
