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(1.北京智芯微電子科技有限公司 國家電網公司重點實驗室 電力芯片設計分析實驗室，北京100192； 2.北京智芯微電子科技有限公司 北京市電力高可靠性集成電路設計工程技術研究中心)

手機音頻讀卡器在燃氣繳費領域的應用*

姜帆1,2，郭飛1,2，杜君1,2，王于波1,2，龐振江1,2

(1.北京智芯微電子科技有限公司 國家電網公司重點實驗室 電力芯片設計分析實驗室，北京100192； 2.北京智芯微電子科技有限公司 北京市電力高可靠性集成電路設計工程技術研究中心)

基于預付費燃氣表的IC卡查詢與充值，提出一種手機音頻讀卡器解決方案，采用模塊化設計思想。在采用的技術方案中創(chuàng)造性地融入曼徹斯特(Manchester Encoding)編解碼技術，有效地克服了手機音頻通信可靠性、適配性差的缺點。文中對項目研究的技術原理和讀卡器的軟硬件系統(tǒng)架構做了詳細描述，并針對其中的一些技術難點提出解決思路。本項目達到了客戶要求，技術上得到了積累和提高。

手機音頻；讀卡器；曼徹斯特編碼；IC卡

引 言

近幾年來市面上出現(xiàn)了很多以智能手機為核心的讀卡器，如拉卡拉開發(fā)的一系列刷卡器，有藍牙接口的、有手機音頻接口的，還有其他廠家開發(fā)的，如樂刷、盒子支付等。這些讀卡器都是應用在金融領域，主要針對的是磁條卡、芯片卡的轉賬、查詢、刷單等，本文根據燃氣繳費領域的需求，采用不同于其他廠家的音頻口通信技術，研發(fā)了一款手機音頻讀卡器，該讀卡器具有成本低、使用方便、即插即用的特點，使用該讀卡器和智能手機可以實現(xiàn)對家用燃氣表的購氣充值。

1 基于手機音頻口的音頻讀卡器

1.1 研究背景

在我們的日常生活中，每家每戶都有許許多多的卡，如電卡、水卡、燃氣卡、銀行卡等。目前除銀行卡外，很多行業(yè)的IC卡在用戶需要充值或查詢時，都需要去柜臺或者自助值機，耗費了很多時間成本，浪費了很多社會資源，特別是遇到意外的突發(fā)的情況，比如在寒冷的冬天，夜里突然燃氣沒有了，而營業(yè)廳又比較遠，或者已經關門，這時用于采暖的壁掛爐停止了工作，其結果可想而知。為方便群眾購氣，某燃氣公司委托北京智芯微電子科技有限公司研發(fā)一款音頻讀卡器，要求該讀卡器支持指定的燃氣IC卡，提供支持Android和iOS的第三方lib庫，音頻口通信能適配市面主流手機。

1.2 系統(tǒng)架構與組成

燃氣購氣系統(tǒng)采用多層架構，有效分離應用、服務、數據[1]，主要由銷售管理數據庫、銷售管理應用服務器、系統(tǒng)接口、讀卡器、表計等，其中銷售管理分為客戶管理、抄表管理、計費管理、收費管理、卡管理、欠費催繳、表具管理七類；系統(tǒng)接口包括設備接口、銀行接口、財務系統(tǒng)接口和ERP接口；營業(yè)廳的終端讀卡器上應能實現(xiàn)IC卡開卡、購氣、沖正、補卡等業(yè)務；燃氣表主要實現(xiàn)購氣、計量、查詢、提示和開關閥等功能[2]。本文所述便攜式讀卡器主要針對終端用戶的購氣應用，需要綜合考慮兼容燃氣行業(yè)常用的IC(如AT88SC102卡、SLE4442卡、CPU卡)，按照統(tǒng)一的IC卡讀寫卡接口規(guī)范，編寫支持Android和iOS的第三方lib庫，供手機APP調用。圖1是燃氣購氣移動終端系統(tǒng)的架構。

圖1 系統(tǒng)架構與組成

2 讀卡器設計

2.1 讀卡器硬件設計

本讀卡器的基本功能需求如下：① 智能卡接口為接觸式IC卡接口，并符合ISO / IEC 7816-3標準；② 支持指定IC卡(AT88SC102，SLE4442卡，CPU卡)，CPU卡支持T=0協(xié)議；③ 支持手機音頻口通信，兼容音頻口的國家和國際標準；④ 支持USB口充電和升級；⑤ 內置可充電鋰電池，容量不小于200 mAh；⑥ Flash空間不小于128 KB，SRAM不小于48 KB；⑦ 帶充電狀態(tài)指示和通信狀態(tài)指示。

基于以上功能需求，本讀卡器選擇ST公司的32位超低功耗MCU STM32L151C8T6作為硬件系統(tǒng)的核心MCU，該MCU硬件資源豐富，包含128 KB的Flash和16 KB的SRAM，空間足夠用。MCU集成3路USART接口，其中任何一路都可復用為ISO7816主接口，支持與ISO/IEC 7816-3 標準T=0 和T=1 傳輸協(xié)議兼容的智能卡設備，發(fā)送和接收各自擁有4字節(jié)的FIFO數據緩沖區(qū)，支持硬件觸點激活序列、硬件熱復位時序和觸點釋放時序，更能自動監(jiān)測卡移出序列。MCU集成USB2.0全速設備接口模塊，可以實現(xiàn)USB通信，此外還支持 I2C總線、SPI、GPIO等通用接口[3]。

對于本項目，硬件設計的難點在于音頻接口電路，手機音頻信號由左聲道、右聲道、MIC和GND等4個信號組成，其中左右聲道為音頻信號輸出信道，MIC信道為音頻輸入信道。對于手機的左右聲道，最大輸出信號頻率通常不超過20 kHz。對于MIC信號，手機內部模數轉換器(ADC)對MIC信號的采樣頻率最大為44.1 kHz。根據手機信道的特點，本設計使用手機的左聲道作為手機發(fā)送數據給讀寫器的信道， MIC信道作為讀卡器給手機的數據的信道，不過手機音頻口有2種接口標準，一個是OMTP(開放移動終端平臺)標準，國內的手機產品都需要支持OMPT標準；另一個是CTIA(移動通信行業(yè)協(xié)會)標準,國際市場上的手機大部分會使用該標準[4]。這2個標準的區(qū)別是MIC信號和GND的順序不一樣，因此設計上需要做MIC和GND的自適應電路，自適應的原理是利用MOS管、電阻等分立元件搭建一種電路，利用MOS管的開關特性，無論音頻口遵循哪種標準，總能正確識別到MIC和GND信號。手機耳機接頭定義如圖2所示。

圖2 手機耳機接頭定義

此外手機與讀卡器間的上下行通路設計是一個關鍵，讀卡器接收手機的信號來自于手機的左聲道，本設計采用的原理是手機左聲道把待輸出數據按照UART協(xié)議編碼，一個起始位、8個數據位、無校驗位、1個停止位的方式編碼，通信速率為4 800 bps，這樣在手機左聲道輸出一個近似符合UART協(xié)議的模擬信號，信號經過讀卡器接收電路的隔直、濾波、放大、比較等，接入STM32L151 MCU的一個UART接口，在UART的接收中斷處理函數中，對接收的數據進行解析。

讀卡器發(fā)送數據到手機的信號通路涉及到STM32L151的GPIO口通信、定時器以及信號的曼徹斯特(Manchester Encoding)編碼，以下簡稱Manchester編碼，具體是把待發(fā)送數據轉換為Manchester編碼，然后在MCU的timer配合下，把Manchester編碼轉換成GPIO口的高低電平變化，從而在手機的MIC端產生高低變化的信號，手機內部則用高速率采樣的辦法，錄到MIC的波形，通過波形分析獲取數據。圖3是讀卡器硬件總體設計框圖。

圖3 讀卡器硬件總體設計框圖

2.2 讀卡器軟件設計

根據音頻讀卡器的功能需求，讀卡器軟件部分需要完成的主要功能有IC卡讀寫和音頻口通信。對于IC卡，燃氣表常用的有AT88SC102、SLE4442、CPU三種卡，客戶要求必須兼容。讀卡器軟件部分主要完成，音頻數據的收發(fā)處理以及根據業(yè)務需要操作IC卡。

2.2.1 音頻數據的收發(fā)處理

讀卡器接收數據，需要編寫UART接收中斷處理函數，在接收中斷里處理接收的數據包，當完整接收完一包數據后，置接收成功標志flag=1，在mian()函數里檢測flag是否置位。如置位，則按協(xié)議解析數據包并清標志flag=0。報文格式如下所示：

數據包幀頭02地址(固定00)長度字命令字數據域校驗數據包幀尾03

其中，長度字指明從長度字到校驗字的字節(jié)數；命令字為本條命令的含義；數據域為該條命令的內容,此項可以為空；校驗字為從模塊地址到數據域最后一字節(jié)的逐字節(jié)累加值，即算數和。

讀卡器發(fā)送數據，數據需要編輯成Manchester編碼，Manchester編碼采用的是沿跳變的方式來表示二進制的0和1，高電平向低電平跳變表示二進制1，反之低電平向高電平跳變表示二進制0，Manchester編碼解決了數據傳輸沒有時鐘的問題，數據傳輸誤碼率比較小，在碼元的傳輸速率方面有很大的優(yōu)勢[4]。

本項目Manchester編碼規(guī)定每一幀(指每一字節(jié))信息由數據同步、數據和校驗位組成[5]，其中數據同步低電平在先，高電平在后，高低電平各為1.5T,每個字節(jié)數據(16位)前都有一個數據同步，T為曼徹斯特編碼位傳輸的位時鐘周期，數據位共有16位，即1個字節(jié)轉為Manchester編碼是16位，高位在前，低位在后。

每幀的最后一位為奇校驗位。每一個字節(jié)經過曼徹斯特編碼后，在傳輸時是20T，即20個時鐘傳輸一個字節(jié)， 在實際應用時，為減少MIC信道的波形畸變對數據的影響，在一個數據包(若干個字節(jié))前加入位速率同步時鐘，由于手機內部的最大音頻采樣速率為44.1 kHz，所以位速率同步時鐘采用4.41 kHz，即一個時鐘周期226 μs，手機10倍于位速率時鐘，每個周期可以采樣10個點，這樣能比較精確地得到一個周期的波形。

手機數據解析時，通過位同步時鐘的周期與數量關系，可取到數據同步，進而按照協(xié)議解析后面的有用數據，并通過校驗來驗證數據的正確性。單字節(jié)數據的Manchester編碼格式如下所示：

數據同步數據(16bit)校驗位

圖4是示波器上看到的數據610C的Manchester編碼波形示例。

圖4 數據610C的Manchester編碼波形示例

2.2.2 操作IC卡

讀卡器并不知道會插入哪種IC卡，因此讀卡器需要做卡類型識別， 識別辦法是手機發(fā)送對卡初始化指令，讀卡器收到指令后，對卡進行冷復位，根據IC卡返回的ATR值進行判斷。注意，讀卡器接收到來自手機的數據，采用CRC16校驗，如校驗失敗則返錯誤代碼給手機APP，卡類型識別約定如表1所列。

表1 IC卡類型判斷方法

識別到卡類型后，根據卡的類型不同程序可以進入到不同IC卡的操作分支，本項目涉及到的對卡操作的主要功能函數有卡身份識別、讀卡、寫卡等。其中，SLE4442卡屬于符合ISO-7816標準的同步型IC卡[6]，讀卡不需要核對用戶密碼，寫卡需要核對用戶密碼。AT88SC102卡有密鑰核對次數限制，讀/寫IC卡需要確認密鑰[7]， CPU卡安全性最高，采用明文+MAC校驗方式，且讀卡器內置3des軟算法以支持明文+MAC校驗方式[8]。根據每種IC卡的使用特性及廠家要求，分別作了對應處理，對個別廠家的諸如密鑰算法等作了邏輯屏蔽處理，并通過約定的私有協(xié)議進行動態(tài)函數的調用。表2列舉了SLE4442卡用到的幾個主要功能函數，圖5是音頻讀卡器讀寫IC卡程序流程圖。

表2 讀卡器音頻口通信API接口函數

圖5 音頻讀卡器讀寫IC卡程序流程圖

3 手機lib庫設計

為方便燃氣公司的手機APP調用讀卡器的動態(tài)庫，本讀卡器根據需求，分別設計可支持Android系統(tǒng)的第三方jar包和支持iOS系統(tǒng)的OCX類庫。下文以Android為例，簡要介紹本讀卡器的第三方lib庫。本項目Android第三方lib庫是在jdk1.6+Eclipse的集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)的，該開發(fā)環(huán)境已經集成ADT(Android Development Tools)插件和Android SDK[9]。對于本項目的接口lib庫的調試，Android代碼規(guī)劃為4個部分，分別如下：

① com.archermind.activity：該部分是自測用的界面和工具類，給客戶的jar包不需要添加該包內容。

② com.archermind.utils：提供給客戶的jar包(即lib庫)，內有需要的工具類和卡調試邏輯實現(xiàn)類。

③ com.archermind.vender：表廠的個性化處理接口。

④ com.example.testaudio：音頻通信底層代碼，處理音頻數據的收發(fā)。

lib庫作為手機APP與讀卡器之間的一個橋梁，主要功能是接受APP的調用以及音頻數據的收發(fā)處理，數據收發(fā)按照約定的協(xié)議規(guī)范進行，并形成接口API供APP調用，下面是本項目SLE4442卡的API示例。

圖6 APP購氣 業(yè)務流程

① public static intReset_GasCard(int cardtype){ }，初始化，獲取卡類型。

② public staticRead_GasCard_Data(int cardtype，byte[] data){ }，讀卡方法。

③ public static intWrite_GasCard_Data(int cardtype,byte[] data){ }，寫卡方法。

本項目經過系統(tǒng)測試，能夠滿足客戶需求，并最終通過驗收和成功上線。主要業(yè)務流程如圖6所示。

結 語

[1] 許卓，趙山，黃有朋,等.智能終端音頻讀卡器在移動智能繳費系統(tǒng)的應用與研究[J].電測與儀表，2015(7):156-169.

[2] 張正興，徐超，李正平.預付費燃氣智能管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2008(7).

[3] 鄧金偉，曹荀.基于STM32的智能燃氣表方案設計[J].天然氣與石油，2015(11).

[4] 李小云.手機音頻口通信技術研究與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學，2015.

[5] 李會銀.用AT89C2051實現(xiàn)的曼徹斯特編碼譯碼器及應用[J].山東:石油儀器，1999,13(5):5-8.

[6] 孔為民，范焱，武建德.SLE4442卡在單片機系統(tǒng)中的應用[J].電腦開發(fā)與應用，2001(8).

[7] 毛占根.新型IC卡AT88SC101/102及其應用[J].電子技術，1996(10).

[8] 馬濤，高宇康，楊術明.基于CPU卡的燃氣表控制系統(tǒng)設計[J].河北大學學報:自然科學版，2015(4).

[9] 王會林.嵌入式IOS和Android應用開發(fā)探討 [J].信息與電腦:理論版，2012(11).

[10] 姜超.基于IOS的智能家居移動終端開發(fā)[J].電子技術與軟件工程，2016(4).

ApplicationofMobilePhoneAudioCardReaderinGasPaymentField

JiangFan1,2,GuoFei1,2,DuJun1,2,WangYubo1,2,PangZhenjiang1,2

(1.State Grid Key Laboratory of Power Industrial Chip Design and Analysis Technology,Beijing Smart-chip Microelectronics Technology Co.,Ltd.,Beijing 100192,China;2.Beijing Engineering Research Center of High-reliability IC with Power Industrial Grade,Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co., Ltd.)

Based on the inquiry and recharge of IC card for the prepayment gas meter,an audio reader solution for mobile phone is proposed.The project adopts the modular design ideas.In addition,the designer creatively integrates Manchester encoding and decoding technology into the design.It solves the shortcomings of the mobile phone audio communication reliability and the poor adaptability.The hardware and software system architecture and the principle of reading the project of the card reader are described in detail,and for some of these technical difficulties,the designer proposes the solutions.The project meets the customer requirements.

mobile audio;card reader;Manchester encoding;IC card

國家自然科學基金資助項目(60234030)；國家973計劃資助項目(2003CB716202)。

TM933

A

2017-07-04)