蓝牙可视卡的原理与设计

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(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)

蓝牙因其具有功率低、价格低、体积小以及抗干扰能力强等优点,在手机、掌上电脑、传统家电和其他数字设备中都有很好的应用.传统的集成电路卡(Integrated Circuit Card,IC卡)因不够美观、使用起来不够方便等原因已经无法满足人们的需求,因此考虑将蓝牙功能加入到IC卡中,再加上触摸按键、非接充电、液晶显示屏(Liquid Crystal Display,LCD)等技术,设计出蓝牙可视IC卡.

针对可视卡的设计问题,宋亚东[1]参与了多功能金融可视卡的设计与实现,但设计中只有1个主控开关键,没有使用12个触摸按键,使得可视卡用起来不太方便,并且缺少了相关功能.颜全生等人[2]研究了远距离蓝牙卡系统,介绍了蓝牙卡的内部结构和加密方式,但没有具体介绍芯片的使用.

本文通过对蓝牙卡内部芯片的选型、内部电路的设计,采用非接充电、12个触摸按键和1个主控机械按键,以及LCD显示等,设计了新型的蓝牙可视IC卡,使得IC卡变得既美观又方便.

1 蓝牙可视卡的优点和动态令牌

1.1 蓝牙可视卡的优点

相对于传统IC卡,蓝牙可视IC卡有以下4个优点:一是外形新颖时尚,蓝牙可视卡外形美观、精致;二是采用了先进的LCD技术,静态时可以显示卡中的金额,交易时可以实时更新卡中的金额;三是触摸按键技术与机械按键的结合,采用了12个触摸按键和1个主控机械按键,使得蓝牙卡的操作更加方便;四是大额转账更安全,蓝牙可视IC卡绑定了动态令牌,客户每次交易时,动态令牌会显示动态密码,只有输入动态密码才可以交易.

1.2 动态令牌

动态令牌可以显示动态口令,即一次性口令(One Time Password,OTP)[3].OTP的主要原理是:在登录过程中加入随机因素,使得每次登录时显示不同的密码.由于每个正确的动态口令只能使用一次,即使非法用户截获了己经通过验证的正确口令,再次提交到认证服务器也不能通过验证,因此,不必担心口令在传输认证期间被第三方监听到.由此可见,动态口令为无线接入提供了更高的安全性.

2 蓝牙可视IC卡的总体设计

2.1 基本原理和硬件设计

蓝牙可视IC卡是基于基本蓝牙协议开发的,其主要功能是使金融IC卡集成蓝牙的无线通信功能.以前,人们查询余额需要借助U盾与电脑连接,现在只需通过蓝牙设备即可查询.另外,还可以通过对外部蓝牙设备的操作,实现对卡的操作.

蓝牙可视IC卡的内部结构由5个模块组成,分别包括电源部分、nRF51822蓝牙芯片、FM1280非接触式CPU卡、电子纸显示屏、触摸按键和机械按键,如图1所示.

图1 蓝牙可视IC卡结构示意

(1) 电源部分 电源模块分别选用了XC9140,XC6803,S8252,XC9265,XC6504A 5款电源保护芯片.其中,XC9140系列产品是对应陶瓷电容、内置0.6 Ω(TYP.)N沟道驱动晶体管,以及0.65 Ω(TYP.)P沟道同步整流开关晶体管的升压同步整流DC/DC转换器.由于采用了PFM控制[4],从而实现了低消耗电流,是Boost电路的主要芯片.XC6803是电源保护芯片,用于给锂离子电池、锂聚合物电池提供定电压和定电流充电的线性充电IC.S8252系列内置高精度电压检测电路和延迟电路,是用于2节串锂离子/锂聚合物可充电电池的保护IC,对锂聚合物可充电电池组的过充电、过放电和过电流具有保护作用.XC9265系列是降压型DC/DC转换器[5],是Buck电路的主要芯片.XC6504A系列是电压调整芯片,用于稳压.电源模块的原理如图2所示.

图2 电源模块的原理示意

(2) nRF51822蓝牙芯片 该芯片是由NODIC公司推出的,加入了NFC功能.在FLASH中运行时功耗为38 μA/MHz,在RAM中运行时功耗为30 μA/MHz,具有更低的功耗、更高的性能.

(3) FM1280非接触式CPU卡 由CPU芯片和感应天线组成,封装在一个标准PVC或PET卡片中,无外露部分.非接触式CPU卡的读写操作是在CPU芯片与读写器之间通过无线电波来完成的.其优点主要有:存储量大,保密性好,使用寿命长,读写稳定性高,机械故障率低,操作性简便,耐用性好等.

(4) 电子纸显示屏 用于读取卡里的金额,能够快速了解交易记录.

(5) 触摸按键和机械按键 蓝牙可视IC卡中采用了12个触摸按键和1个主控机械按键.机械按键采用塑料薄膜式键盘,键盘内部共有4层,实现了无机械磨损.其特点是低价格、低噪声和低成本,已占领市场绝大部分的份额.触摸按键采用电容键盘,其原理与电容式开关相类似,通过改变电极间的距离引起电容容量的改变,从而驱动编码器,特点是无磨损且密封性较好.机械按键是主控按键,负责唤醒和关闭CPU.12个触摸按键是数字按键和返回键等.触摸按键的原理示意如图3所示.

图3 触摸按键的原理示意

由于要不停地扫描,因此触摸按键的功耗最大.按键的CPU MPR121供电的电压为1.8～3.3 V.为了延长可视卡的待机时间,需要将功耗降到最低,因此对1.8 V输入和3.3 V输入进行了测试比较.对每个扫描时间测10次,得到了两组数据,如图4所示.

图4 不同供电电压下触摸按键的功耗

由图4可以看出,扫描的时间间隔越长,即扫描的频率越低,则功率消耗越小.按键扫描的频率越低,按键的反应越迟钝.供电电压为1.8 V时的功耗较低,尤其是待机状态下更为明显,因此1.8 V更符合本文要求.

2.2 蓝牙可视IC卡的软件设计

蓝牙可视卡的软件设计分为硬件驱动层、JAVA平台层、应用层3层.硬件驱动层包括GPIO接口驱动、算法库驱动、存储驱动、7816接口驱动和TypeA接口驱动;JAVA平台层包括JAVA卡服务组件、JAVA卡类库和JAVA卡管理组件;应用层包括OTP_Applet,KEY Applet,ROOT Applet.

蓝牙芯片nRF51822作为蓝牙卡的主控,从安全加密芯片FM1280中读取模拟卡信息,与读卡机FM17550进行数据通信,再将读卡机的返回数据进行处理后写入安全加密芯片,以此完成蓝牙卡的数据通信.读写控制流程如图5所示.

图5 读写控制流程示意

3 非接充电

3.1 非接充电的特点

与传统的充电技术相比,非接充电技术具有以下特点.

(1) 移动灵活 由于非接充电时会通过电磁感应技术产生一个场,因此允许设备在场内自由移动,从而增加了设备充电的灵活性.

(2) 环境适应性强 非接充电系统是由两个相互独立的线圈组成,即使在恶劣的环境中也可以使用.而传统的充电技术不仅会受到环境的影响,而且在使用过程中还会对环境造成污染.

(3) 安全可靠 非接充电技术的安全性提高了很多,避免了导体之间的摩擦,使用寿命将会更长,且更加安全可靠.而传统的充电方式容易触电,威胁人身安全.

(4) 支持多张卡同时充电 蓝牙可视IC卡在用户体验过程中,很有可能会遇到卡临时没电的情况,城市里可以设置一些固定充电地点,只要持卡进入非接充电场区域,就可以充电.

3.2 蓝牙可视IC卡非接充电场的设计

3.2.1 非接充电的工作原理

蓝牙可视卡中采用了电磁感应方式的非接充电技术[6],是目前应用最普遍的一种充电方式.其主要原理是当原线圈中有交变电流通过时,原线圈和副线圈之间会产生变化的磁场,此时副线圈中就会产生随磁场变化的感应电动势,并向外输出交变电流.

3.2.2 充电系统的设计

蓝牙可视卡上的非接线圈通过功率放大电路的耦合线圈给电路中的电容充电,然后经过整流桥、Boost电路、电池保护电路、Buck电路给电池充电.

无线充电接收端的原理如图6所示.

图6 无线充电接收端的原理示意

无线充电系统由发送端和接收端两部分组成.发送部分包括电源、反馈电路、功率放大电路、WP5010以及一个印制板螺旋电感线圈(发射线圈);接收部分包括整流、滤波、电压检测、调节、控制电路、负载电路以及一个同样的印制板螺旋电感线圈(接收线圈).分离的两部分通过电磁感应耦合[7],从而实现无线能量的传递.

WP5010是符合无线充电联盟(WPC)Qi标准[8]的无线充电器控制IC,实现了单机无线充电器的全部功能.

WP5010支持金属异物检测,通过持续监测已建立的电源传输效率,从而防止由于在无线电源传输路径上错误放置金属物体而导致温度急剧上升的状况.如果在电源传输期间发生任何异常状况,WP5010会自动进行处理并指示,保证了无线充电的安全性.功能流程图如图7所示.

图7 非接充电的功能流程示意

输出功率的效率曲线如图8所示,纵坐标是充电效率值,横坐标是输出功率.从图8可以看出,首先,随着输出功率的增加,充电效率不断提高,当输出功率为2.4 W时,无线充电效率最高;然后,随着输出功率的不断提升,效率有小幅度的下降;最后,逐渐趋于稳定的趋势.

图8 充电效率与输出功率的关系

4 结 语

随着科学技术的发展,蓝牙可视卡代替传统IC卡是必然趋势.本文介绍了蓝牙可视卡的原理,分别从蓝牙卡的基本原理、内部结构、非接充电等方面介绍了蓝牙卡的设计与制作过程,并分析了蓝牙卡各个芯片的选型以及软硬件的设计.相信在不久的将来,IC卡的性能会得到更好的完善.

[1] 宋亚东.多功能金融可视卡的设计与实现[D].北京:中国科学院大学工程科学学院,2016.

[2] 颜全生,杜江.远距离蓝牙卡系统及其应用[J].深圳职业技术学院学报,2005(3):7-10.

[3] 徐海铭,王印权,郑若成,等.应用于OTP单元的高可靠性MTM反熔丝特性[J].电子与封装,2017(3):36-39.

[4] SHAFIQUE A,KAYAHAN H,AFRIDI S S,etal.Dynamic power reduction in digital pixel design for large format focal plane arrays[J].Microelectronics Journal,2016,58:9-13.

[5] 王琳娜,张景璐,马蕾.一种新型交错并联同相降压升压DC/DC转换器[J].电子器件,2017(1):249-255.

[6] 杨培凯,石雄.一种无线充电管理系统的电路设计[J].电子与封装,2016,16(4):29-33.

[7] BASAR M R,AHAMD M Y,CHO J,etal.An improved resonant wireless power transfer system with optimum coil configuration for capsule endoscopy[J].Sensors & Actuators:A.Physical,2016,249:207-216.

[8] 陈跃鸿,林桂江.解决Qi标准中关于手机无线充电断充的方法[J].电子技术与软件工程,2017(3):115-117.