WO2011113215A1

WO2011113215A1 - 一种读卡器

Info

Publication number: WO2011113215A1
Application number: PCT/CN2010/071410
Authority: WO
Inventors: 欧阳立; 肖德银; 沈爱民
Original assignee: 国民技术股份有限公司
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-09-22
Also published as: CN102194090A; HK1157476A1; CN102194090B; AR080518A1

Description

说明书

一种读卡器

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种读卡器。背景技术

随着移动终端的普及，利用移动终端进行移动终端支付的应用需求非常迫切，目前已经有多种实现方案，但各有缺点。当前，已经出现了在移动终端中的用户识别模块 S IM ( Subscr iber Ident i ty Module )卡上增加射频功能（称为射频 S IM卡）或者在移动终端主板上增加近距离通信模块来实现移动终端近距离通信的方法，后者称为 NFC (Near Field Communi ca t ion,近场通信），这些方法的出现使得移动终端成为一个可以充值、消费、交易及身份认证的超级智能终端，极大地满足了市场的迫切需求。

其中，基于射频 SIM卡的移动终端近距离解决方案以其简单、无需更改移动终端等优势得到广泛的关注，在该方案中，射频 S IM卡采用 UHF ( Ul t ra H igh Frequency, 超高频）技术，由于 UHF特别是采用 2. 4GHz ISM公共频段（即工业，科学和医用频段）的射频 S IM卡，其工作频率很高，天线的尺寸很小，在 SIM卡内放置小型的天线就能发射足够强度的信号，即使射频 SIM 卡嵌入在移动终端内部射频信号仍然可以从移动终端中透射出来，在读卡器中釆用业界主流的 RF (Radio Frequency，射频）收发芯片即可无需额外放大可靠接收到绝大多数移动终端的射频信号，从而实现不必对现有的移动终端进行任何结构改变就可使移动终端具备近距离通信功能。但是，不同移动终端由于内部结构不同造成射频信号透射效杲存在很大的差异，透射强的移动终端其射频 SIM卡射频通信距离可能达到几米远的距离，透射弱的移动终端其射频 SIM卡通信距离只可以达到几厘米。射频 SIM卡为了避免不同移动终端对 RF信号衰减的巨大差异，必须对移动终端进行校准，也就是在使用前必须将移动终端的衰减参数记录到卡中。需要校准是射频 S IM卡的主要问题。

另外一种移动支付的技术 NFC基于 I S014443标准的非接触卡技术演化而来，两者根本点在于都采用 1 3. 56MHz的磁场传送信号和能量。 NFC技术的主要问题有：

1.必须改造移动终端才能实现可靠的双向数据通讯， NFC的磁场线圈不能集成到 S IM 卡或 SD 卡（Secure Digi ta l Memory Card，安全数字存储卡） /TF (TransFLash,闪存）卡等移动终端用的卡内。

在 13. 56MHz频点下，读卡器和卡之间采用电感线圏耦合的方式交互信号及传送能量，读卡器到卡的方向需要同时传递能量和 1 3. 56MHz调幅信号，对卡上接收线圏的尺寸面积均有较高要求；卡到读卡器的方向，卡依靠短路和开路卡上线圏的负载调制方式而不是依靠外部能量直接发送场强的方式向读卡器传递信息，由于负载调制信号要求卡线圏和读卡器线圏的耦合系数越高越利于读卡器解码卡传送的信息，这种方式进一步提高了对卡上天线尺寸和面积的要求。另外一方面，由于 13. 56MHz频点较低，耦合线圏的尺寸相对较大。综合上述因素， NFC要求移动终端内的天线线圏足够大，该尺寸大小完全不能放入 S IM卡或 SD/TF卡等移动终端用的卡内，不但如此，移动终端上的金属及其它导电物体会严重千扰天线的接收和负载调制效果，为了达到近场通讯良好的通讯效果，必须对手机进行定制化的改造，使天线的效果达到最佳。？文造点例如，将卡的多匝天线放到移动终端的电池后盖上，或者通过柔性 PCB从终端主板上将天线引到电池背面，天线的面积和普通电池尺寸相当，另外，手机的后盖不能为金属材质。

2. NFC所使用的 13. 56MHz频点需要校准才能用于距离控制。

即使有一种 NFC 的天线能够更换到任何移动终端中，由于其使用 1 3. 56MHz频点，该频点信号在遇到金属和其它导电物体会形成强烈的涡流效应，信号强度会随着移动终端结构而变化，从而在 NFC卡接收天线上形成场强的巨大波动，无法进行无校准的距离控制。

图 1为线圏接收电路;^各种移动终端内，在同一 14443 P0S机上保持 1 3. 56MHz 载波恒定的情况下测试的电压-距离曲线，其中信号强度值是接收天线感应电压经过必要的放大后的值，放大倍数保持恒定，只需关注强度随距离的相对变化。可以看出，不同终端接收到的场强差异 >30dB，同一终端从 lcm到 10cm的场强变化为 25dB左右，手机差异造成的场强变化已经超过终端在 lcm到 10cm距离控制范围内的场强变化，因此无法采用同一门限对各终端进行距离控制 , 也就是无法实现无校准距离控制。发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种读卡器，使得对于各种具有近距离通信功能的移动终端不需要校准就能够实现电子支付等刷卡交易。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种读卡器，包括至少一个低频发射线圏、至少一个驱动电路、至少一个编码电路、至少一个第一主处理器、至少一个射频收发电路和至少一个射频天线，所述低频发射线圏、驱动电路、编码电路、第一主处理器、射频收发电路、射频天线顺次串联连接；

其中，所述低频发射线圏、驱动电路、编码电路组成的低频发射链路工作于预先选定的系统无校准工作的最高频率 f O以下的频率；

所述读卡器发射预先设定的幅度恒定或微分幅度恒定的低频交变磁场信号，该低频交变磁场信号的幅度值对应于设定的物理通讯距离，所述低频交变磁场信号幅度的误差小于预设误差值 δ _κ, 其中 δ _κ的典型范围为 <4dB ; 进一步地，上述读卡器还可具有以下特点，所述读卡器的驱动电路和编码电路之间还设有调制电路。

进一步地，上述读卡器还可具有以下特点，所述驱动电路中包含有调整电路。

进一步地，上述读卡器还可具有以下特点，所述驱动电路由顺次串联的 DAC、运算放大器和电阻组成。

进一步地，上述读卡器还可具有以下特点，所述低频发射线圏为漆包线线圏或 PCB线圏。

进一步地，上述读卡器还可具有以下特点，所述低频发射线圏的匝数大于 1 0圏。

进一步地，上述读卡器还可具有以下特点，所述低频发射线圏的匝数为 5 0 ~ 500圏。

进一步地，上述读卡器还可具有以下特点，所述低频发射线圏内填塞有铁氧体磁芯或铁芯。

进一步地，上述读卡器还可具有以下特点，所述低频发射线圈所包围面积的截面至少包含直径 3cm的圓形区域或者 3cm* 3cm的方形区域。进一步地，上述读卡器还可具有以下特点，所述低频发射线圏所包围的面积大于 10平方厘米。

进一步地，上述读卡器还可具有以下特点，所述低频发射线圈所包围的面积为 20- 1000平方厘米。

进一步地，上述读卡器还可具有以下特点，还包括本地磁场强度检测装置。

进一步地，上述读卡器还可具有以下特点，所述本地磁场强度检测装置由顺次相连的控制器、采样电路、放大电路和低频接收线圏组成。

进一步地，上述读卡器还可具有以下特点，所述控制器集成在所述第一主处理器中。

进一步地，上述读卡器还可具有以下特点，所述低频交变磁场信号幅度的预设误差值 δ _κ小于 4dB。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种上述任一种读卡器中系统无校准工作的最高频率 f 0的确定方法，包括如下步骤：

步骤 al , 确定系统的距离控制目标（Din, Dv ), 所述系统中包含至少一个移动射频装置和至少一个读卡器，其中 Din表示距离为 0 ~ Din的范围内所有装载有所述移动射频装置的终端确保可刷卡， Dv表示距离波动范围，距离为 Din ~ ( Din+Dv )的范围内均允许刷卡，距离大于 Din+Dv的范围不允许刷卡；

步骤 a2 , 确定读卡器导致的移动射频装置内检测电压的波动范围 δ _κ; 步骤 a3 , 确定移动射频装置本身导致的检测电压的波动范围 S _c;

步骤 a4 , 在 f 频率下测试各典型终端及障碍物的电压距离曲线；步骤 a5，由距离控制目标（Din， Dv ) 确定移动射频装置内检测电压的波动范围 δ _Α, δ _Α等于由各典型终端及障碍物的电压距离曲线得到的具有平均场强衰减曲线斜率的电压距离曲线上 Din点所对应的电压值与（Din+ Dv ) 点所对应的电压值之差；

步骤 a6 , 确定由终端导致的移动射频装置内检测电压的波动范围 δ _τ, δ _τ表示终端衰减特性造成的移动射频装置内检测电压波动范围， δ τ= δ _Α- δ f δ _c;

步骤 a7 ,计算各典型终端及障碍物间在距离控制范围内各距离点上的最大场强差异 δ , 若 δ 大于 δ_τ, 则降低频率 f, 转步骤 a4; 若 δ 小于 δ_τ, 则提高频率 f，转步骤 a4; 若 δ 等于 δ_τ，则当前测试频率 f 等于系统无校准工作的最高频率 f0。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种低频交变磁场距离控制方法，应用于上面任一项所述的读卡器，包括以下步骤：

步骤 a, 通过低频发射通道，持续循环发射预定发射参数的低频交变磁场信号，该信号中包含读卡器的识别码 IDr，所述预定发射参数包括系统无校准工作的最高频率 f0、编码方式、调制方式及恒定场强参数；同时，通过射频通道等待接收来自于含有移动射频装置的终端的信息；

步骤 b, 射频通道收到含有移动射频装置的终端的信息，该信息中包含终端返回的读卡器的识别码 IDr及终端本身的识别码 IDc,解码出 IDr及 IDc, 比较返回的 IDr 是否与发出的 IDr相同，若相同，则此后的射频通讯通过 (IDr, IDc)组合地址实现读卡器与终端的唯一绑定通讯，否则通讯错误，射频通道继续等待接收直至收到正确数据；同时低频通道持续发射预定发射参数的低频交变磁场信号；

步骤 c, 通过射频通道进行交易通讯，直至交易完成。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种选择上面所述的低频交变磁场距离控制方法中发射参数的方法，包括如下步骤：

步骤 al, 选择场强恒定方式，即恒定场强参数，场强恒定方式包括峰值场强幅度恒定和微分场强幅度恒定，选择峰值场强幅度恒定执行步骤 a2,选择微分场强幅度恒定执行步骤 a3,恒定场强参数的幅度误差小于预设误差值 δ_κ;

步骤 a2，在峰值场强幅度恒定条件下，选择编码方式、调制方式、驱动电压波形，确定低频磁场强度目标值，从而选择驱动电压幅度、调整参数、低频发射线圏电阻、低频发射线圏圏数，测量该选择参数下低频磁场强度是否符合预定的低频磁场强度目标值，若是则发射参数选择完成，结束，否则重新调整驱动电路以及低频发射线圏参数，直至测量的低频磁场强度符合预定的低频磁场强度目标值；

步骤 a3, 在微分场强幅度恒定条件下，选择编码方式、调制方式、驱动电压波形，确定低频磁场强度目标值，从而选择驱动电压幅度、调整参数、低频发射线圏电阻、低频发射线圏圏数，然后测量该选择参数下低频磁场强度是否符合预定的低频磁场强度目标值，若是则发射参数选择完成，结束，否则重新调整驱动电路以及低频发射线圈参数，直至测量的低频磁场强度符合预定的低频磁场强度目标值。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种读卡器的自适应误差修正方法，应用于前述任一项带本地磁场强度检测装置的读卡器，包括如下步骤：步骤 1、设置读卡器中本地磁场强度检测装置的测量目标 Hs和误差范围 He , 其中 He小于预设误差值 δ _R，则在读卡器本地磁场强度检测装置下的误差爹正场强范围为 [Hs- He , Hs+He]；

步骤 2、在测试读卡器时，读卡器发射低频磁场信号，本地磁场强度检测装置比较当前接收到的低频磁场信号的磁场强度，调节读卡器上的发射调整电路，使读卡器的磁场强度处于设置的误差修正场强范围 [Hs- He , Hs+He] 内。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种应用于上面任一项所述的读卡器的误差修正系统，所述误差修正系统包括被测读卡器和位于该被测读卡器上方设定高度处的磁场强度检测装置。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于上述读卡器的误差修正系统的读卡器的误差修正方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤 1 , 设置磁场强度检测装置的测量目标 Hs和误差范围 He, 则被测读卡器在标准的磁场强度检测装置下的误差修正场强范围为 [H s-He , Hs+He] , 其中 He小于预设误差值 δ _Β;

步骤 2，在测试读卡器时，被测读卡器发射低频磁场信号，磁场强度检测装置比较当前接收到的低频磁场信号的磁场强度，调节被测读卡器上的发射调整电路，使被测读卡器的磁场强度处于设置的误差修正场强范围 [Hs- He, Hs+He]内。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种检测干扰读卡器的方法，合法读卡器工作时搜索附近是否有低频或者射频信号，并对搜索到的低频或者射频信号进行解码，判断该低频或者射频信号中携带的信息是否包含该合法读卡器的唯一标识码，若包含则说明附近没有干扰读卡器，否则有千扰读卡器。

进一步地，上述检测干扰读卡器的方法还可具有以下特点，所述合法读卡器进一步检测接收到的低频或者射频信号的信号强度，并根据该信号强度判断自身与附近干扰读卡器的距离，若附近的干扰读卡器在设定的安全距离以内则报警。

本发明的读卡器使得对于各种具有近距离通信功能的移动终端不需要校准就能够实现电子支付等刷卡交易。附图说明

图 1为线圏接收电路放入各种移动终端内，在同一 14443 P0S机上保持 1 3. 56MHz载波恒定的情况下测试的电压 -距离曲线；

图 2为本发明近距离通信方法中系统无校准工作的最高频率 f O的选择系统结构框图；

图 3为由距离控制目标（ Din, Dv )确定系统总的接收检测电压波动范围 S _A的示意图;

图 4为典型终端及障碍物电压距离曲线及其波动区间 δ示意图；图 5为频率 f 为 3. 3 Hz时 5种典型移动终端的电压距离曲线；图 6为移动射频装置内部检测到的无调制直接基带发射时的接收电压信号和正弦波 FSK调制时的接收电压信号的电压波形图；

图 7为基准电压距离曲线的计算方法示意图；

图 8为本发明实施例中近距离通信系统的结构图；

图 9为读卡器低频发射部分示意图；

图 10为读卡器低频数据帧格式示意图；

图 11 为线圏接收电路放入各种移动终端内，用信号源通过低频发射线圏发射恒定 ΙΚΗζ磁场条件下测试的电压距离曲线；

图 1 2为本发明实施例中读卡器的结构图；

图 1 3为图 12中驱动部分的一种结构图；

图 14为峰值场强幅度恒定的直流或者交流磁场的典型形式示意图；图 1 5为微分场强幅度恒定的低频交流磁场的典型形式示意图；图 1 6为本发明实施例中读卡器发射参数的选择流程图；

图 1 7为读卡器的误差控制系统图；

图 1 8为本发明实施例中带误差控制装置的读卡器的结构图。具体实施方式

在此首先说明，以下本文中所出现的终端在默认情况下指装载有移动射频装置的终端，而且指能够移动的终端，即移动终端，如手机等，距离指读卡器与移动射频装置之间的距离，也即读卡器与装载有移动射频装置的终端之间的距离。

本发明针对射频装置（尤其是内置于终端中的射频卡，如射频 SIM卡）与读卡器装置近距离交易的距离控制问题，提出了一种由带有低频交变磁场发射功能及射频信号收发功能的读卡器和与之对应的带有低频交变磁场感应接收功能及射频信号收发功能的移动射频装置组成的近距离通信系统，以及与该系统对应的近距离通信方法。本发明利用低频交变磁场穿透不同终端衰减差异小的特点进行距离控制，利用高频射频能有效穿透终端来完成高速双向通讯进行交易。系统通过预先设定好的门限判定方法来完成无需校准的距离检测和控制，即读卡器按照预设的发射参数发射低频交变磁场信号，移动射频装置在各距离点上检测该磁场信号并放大为与距离对应的幅度恒定的电压信号，进而通过预先设定的电压门限 Vt 来判断终端是否进入预先设定的有效距离区间（有效距离区间也即允许刷卡的范围），该电压门限 Vt对所有终端相同，无需校准。本发明通过低频单向通讯和 RF双向通讯结合的方法来完成读卡器和移动射频装置的唯一绑定，绑定之后通过射频通道来完成双向的高速大数据量的通讯。本发明系统可以实现含有移动射频装置的终端（如装有射频 S IM卡的手机）与读卡器的数据通信距离（也即交易距离）可靠地控制在规定范围内，并且无需对终端进行校准。

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的近距离通信方法，应用于包括至少一个读卡器和至少一个移动射频装置的近距离通信系统，包括如下的步骤 a、步驟 b、步骤 c和步骤 d 四个步骤，下面分别对各个步骤进行具体说明：

步骤 _a，读卡器按照预设的发射参数发射低频交变磁场信号，该低频交变磁场信号中携带该读卡器的身份标识信息，其中，发射参数包括低频交变磁场信号的频率，该频率等于或小于系统无校准工作的最高频率 f O; 其中，身份标识信息可以是识别码 ID。

这里需要说明的是，本步骤中低频交变磁场信号的频率是指所述低频交变信号的频谱上 3dB带宽的高端频率截止点所对应的频率。

低频交变磁场频率越低，穿过各种类型的终端后衰减的差异越小，利用该特性，在频点选择系统（如图 2所示）中选定差异足够小的频点，以实现无校准距离控制。采用标准信号源通过标准的磁场发射线圏发送低频交变磁场信号，在各个典型的移动终端及障碍物内部接收该低频交变磁场信号，调整发射频率直到找到频点 f O , 使移动射频装置（装载在移动终端中）接收到的电压（该电压是由低频交变磁场信号经放大后得到的与距离对应的幅度恒定的的电压信号）在距离发射线圏平面中心点相同距离条件下，不同终端及障碍物间的场强差异大致等于设定的波动范围 δ τ ,该频点 f O ^氐于该频点 f O的频段是系统无校准工作的频段，不需要校准任何系统中的任何终端，工作频点（即前述的低频交变磁场信号的频率）高于 f O , 系统需要校准，通常工作频点高于 f O越多，需要校准的终端越多，校准的复杂度越高。频点选定是一次性工作，一旦选定，在使用中无需更改。

图 2为本发明近距离通信方法中系统无校准工作的最高频率 f O的选择系统结构框图，如图 2所示，频点选择系统的组成为：发送系统由信号源 505 和低频磁场发射线圏 504组成，接收系统由典型移动终端 501及障碍物、信号强度测试仪 503 (电压表、示波器、频谱仪等）组成，移动终端 501内部具有低频接收模块 502。信号源 505可以精确的产生各种频率、波形和幅度的信号。频点选择的原理是：信号源 505产生固定幅度频率为 f 的正弦波信号，通过发射线圏 504发送，低频接收模块 502放置在选定的典型移动终端 501或障碍物内部，接收到的低频信号通过专用信号线接到信号强度测试仪 503 , 信号强度测试仪 503测试接收到的电压。改变移动终端的距离可以得到该移动终端或障碍物在频率 f 条件下的检测电压随距离变化的曲线（以下称为电压距离曲线），更换移动终端或障碍物可以得到多个终端的曲线，改变频率 f 也可以得到不同的曲线。

步骤 a中，系统无校准工作的最高频率 f O通过下述步骤确定：步骤 101 , 确定距离控制目标（Din, Dv ), 其中 Din表示 0 ~ Din范围内所有终端确保可刷卡， Dv表示距离波动范围，距离为 Din - ( Din+Dv )的范围内均允许刷卡，距离大于 D i n+Dv范围不允许刷卡；

例如（ 5cm， 5 cm )表示 5 cm以下所有终端确保可刷卡， 5 cm ~ 1 0cm允许刷卡，超过 1 0cm不能刷卡。距离控制目标由具体的应用确定。（0 ~ Din+Dv ) 称为距离控制范围。

步骤 102 ,确定读卡器导致的移动射频装置内检测电压的波动范围 δ ; 读卡器低频发射电路参数波动形成发射场强的波动，造成移动射频装置内检测电压的波动，该参数包括发射驱动电压波动、线圏参数波动、温度影响等。 S _R由读卡器设计及生产环节来控制，该波动可以在生产环节校准，由于低频发射电路工作频率很低，通常 δ _Β可以被控制得很好，例如 4dB以内。

步骤 103 , 确定移动射频装置本身导致的检测电压的波动范围 S _c;

移动射频装置本身低频接收电路参数波动造成的最终检测输出电压的波动，该参数包括接收天线误差、放大器增益误差、比较器或 AD误差、温度影响及噪声等。 S _e由移动射频装置设计及生产环节来控制，该波动可以在生产环节校准，由于移动射频装置低频接收电路工作频率很低，通常 s _c 可以被控制得很好，例如 4dB以内。

步骤 104，在 f 频率下测试各典型终端及障碍物的电压距离曲线，其中 f 的频率范围为 300 Hz - 3000Hz, 甚低频频段的频率范围为 3KHz ~ 30KHz，低频频段的频率范围为 30 KHz - 300KHz ;

在进行本步骤 1 04之前先要做个准备工作，即选定典型终端及典型障碍物。典型终端的选取原则主要依据终端金属或导电结构的多少来选取，金属越多，衰减越大，例如可以选取塑料外壳、金属外壳、厚金属壳、薄金属壳、大尺寸终端、小尺寸终端等，典型终端的数量不严格限制，典型终端的选取基本可以覆盖终端对低频交变磁场信号的衰减特点。为了避免个别移动终端差异太大，可以在应用中加入移动终端型号认证，对每种需要支持支付应用的移动终端尝试做刷卡测试，确认该型号的移动终端衰减特性符合要求。典型障碍物可以选择不同材质的标准形状的塑料、铝、铜、铁、不锈钢等移动终端常见材料，放置在读卡器和移动射频装置之间作为移动终端衰减特性的一种等效障碍物测量衰减效果。步骤 105, 由距离控制目标（ Din, Dv )确定移动射频装置内检测电压的波动范围 δ_Α， δ_Α等于由各典型终端及障碍物的电压距离曲线得到的具有平均场强衰减曲线斜率的电压距离曲线上 Din点所对应的电压值与（ Din+ Dv ) 点所对应的电压值之差；

图 3为由距离控制目标（ Din, Dv )确定系统总的接收检测电压波动范围 δ_Α的示意图。如图 3所示，（Din+ Dv) 点所对应的电压值为 V2， Din点所对应的电压值为 VI，则 S_A=V1- V2。

步骤 106, 确定由终端导致的移动射频装置内检测电压的波动范围 δ _τ, 参数 δ_τ表示终端衰减特性造成的移动射频装置内检测电压波动范围， δ τ= δ A- δ _R- δ _c;

步骤 107, 计算各典型终端及障碍物间在距离控制范围内各距离点上的最大场强差异 δ (又称为波动区间），若 δ 大于 δ_τ，则降低频率 f，转步骤 a4; 若 δ 小于 δ_τ, 则提高频率 f, 转步骤 a4; 若 δ 等于 δ _τ, 则当前测试频率 f 等于系统无校准工作的最高频率 f 0。

图 4为典型终端及障碍物电压距离曲线及其波动区间 δ示意图。如图 4 所示，最大衰减终端或障碍物对应的电压距离曲线称为最大衰减曲线，最小衰减终端或障碍物对应的电压距离曲线称为最小衰减曲线，最大及最小衰减曲线包围的区域称为典型终端及障碍物电压距离曲线分布区间，任意距离 D 在最小衰减曲线上对应的电压为 V3, 在最大衰减曲线上对应的电压为 V4, 则 S=V3-V4。

至此，在限定距离控制目标的情况下，系统无校准工作的最高频率 f0 就确定下来了。系统可以采用调制的方式，也可以采用直接发送基带信号的方式，系统工作的主要频率分量最高只要不大于 f0，距离控制就无需校准。

举例说明 fO的确定过程。图 5为频率 f 为 3.3 Hz时 5种典型移动终端的电压距离曲线。如图 5所示，系统距离控制目标为（5cm, 5 cm), 系统 0~ 10cm距离区间电压的变化范围约为 40dB, 读卡器和移动射频装置导致的移动射频装置内检测电压波动均为 4dB , 即 δ _κ= δ _c=4dB , δ _A=20dB , δ _τ= δ厂 δ _R- δ _c=12dB。假设 5种终端可以代表系统所使用的所有终端，检查曲线在各距离点上的最大波动约等于 12dB,因此该系统无校准工作的最高频率 f0可确定为 f0=3.3KHz。步骤 a中，发射参数还可以包括调制方式、编码方式及发射磁感应强度幅值 Br。发射参数选定的基本原则是保证移动射频装置在各距离点上对读卡器所发射的低频交变磁场信号检测并放大后的信号是与距离对应的幅度恒定的电压信号。图 6为移动射频装置内部检测到的无调制直接基带发射时的接收电压信号和正弦波 FSK调制时的接收电压信号的电压波形图，其中， a 为无调制直接基带发射时的接收电压信号波形图， b为正弦波 FSK调制时的接收电压信号波形图。如图 6所示，检测电压信号是包含解调信息的变化电压信号，该信号可以为无直流分量的交流电压信号，也可以是有直流分量的电压信号，幅度恒定是指交流分量的变化最大幅度在不同传输符号间恒定。

发射参数中的调制方式、编码方式及发射磁感应强度幅值 Br通过下述步骤 al l至步骤 al 3选定：

步骤 al l ,选定任意一种无平均直流分量的编码方式，例如曼彻斯特码，差分曼彻斯特码，归零码等；

步骤 al 2 , 选择无调制方式或幅度无变化的载波调制方式，载波调制方式可以选定任意一种幅度无变化的调制方式，例如载波可以采用正弦波、脉冲、三角波等，调制方式可以选为开关键控法（00K )、相移键控法或频移键控法（FSK ) 等；釆用无调制方式时，编码后的基带信号直接经驱动电路驱动由发射线圏发射；

步骤 al 3, 选定发射磁感应强度幅值 Br , 方法为：在选定的小于 f O的工作频率、调制方式及编码方式下，先选定典型噪声终端及易于实现的移动射频装置内磁检测及放大的增益参数，将包含移动射频装置的移动终端放置在离读卡器为距离控制目标最远处即 Din+Dv距离处，如果移动射频装置采用霍尔器件、巨磁阻器件等检测磁场强度值的磁感应电妻收，则读卡器发射磁感应强度变化幅度恒定的磁场信号；如果移动射频装置采用线圈等检测磁场强度变化率的感应电路接收，则读卡器发射磁感应强度变化率幅度（即微分幅度）恒定的磁场信号，测试读卡器未发送低频交变磁场信号条件下移动射频装置内检测电压的固有噪声电压幅度 Vn,然后测量读卡器用选定的调制编码方式发送低频交变磁场信号时移动射频装置内的检测电压 Vr ,选择发射幅度值 Bgate或鼓分幅度值 B_RATEgate, 使 Vr/Vn>SNR, S皿为移动射频装置的信噪比。 SNR值的选择通常越大越好，但是太大会造成读卡器发送功率过大，实现困难，典型值可选择 SNR=1 0.当 S皿确定， Br通过上述方式便确定了，根据系统选择的磁感应电路类型不同， Br参数值分为两种，霍尔器件及巨磁阻器件接收系统为磁感应强度幅值门限 Bga te , 线圏接收系统为磁感应强度变化率幅值门限 B_RATEga t e。

步骤 b , 移动射频装置在各距离点上接收、检测所述低频交变磁场信号并放大为与距离对应的幅度恒定的的电压信号，进而通过预设的电压门限 V t 判断装载有所述移动射频装置的终端是否进入了预设的有效距离区间，所述电压门限 Vt对装载有所述移动射频装置的所有终端相同；

步骤 b中，预设的电压门限 Vt通过下述步驟 201至步骤 203确定，前提是，确定读卡器发射及移动射频装置接收是无波动的，或者两者引起的接收检测电压波动远小于 δ _R及 S _c:

步骤 201，在选定的发射参数下，测量各典型终端和障碍物的电压距离曲线，其中，发射参数包括低频交变磁场信号的频率、调制方式、编码方式及发射磁感应强度幅值 Br ;

步骤 202 , 求取基准电压距离曲线，基准电压距离曲线是典型终端及障碍物曲线的中间值，其距离典型终端曲线的上边界及下边界的电压幅度都为 δ _τ/2，如图 7所示；

步骤 203，选定移动射频装置内检测电压门限值 Vt , Vt值等于距离控制目标 D in与（D in+Dv ) 分别对应的电压值之间以 dBmV为单位的电压值的中间值。如图 7所示，在基准电压距离曲线上对应于 D in的电压为 V5 ( dBmV ), 对应于（Di n+Dv ) 点的电压值为 V6 ( dBmV ), 则 Vt=V5- (V5- V6) / 2 ( dBmV )。

步骤 c，若与接收到的低频交变磁场信号对应的电压信号大于或等于预设的电压门限 V t，则装载有移动射频装置的终端进入了预设的有效刷卡区间，移动射频装置从接收到的低频交变磁场信号中获取读卡器的身份标识信息，并将其连同自身的身份标识信息一起通过射频通道传送给读卡器；

步骤 d , 读卡器接收移动射频装置通过射频通道传送的信息，比较该信息中读卡器的身份标识信息是否同自身的身份标识信息一致，若一致则以自身的身份标识信息和移动射频装置的身份标识信息的结合作为组合地址，与移动射频装置通过射频通道进行刷卡交易。此处，刷卡交易不单指电子支付，还可以是其他通过射频通道进行的通讯过程，比如充值、消费、身份认证等，本文中的刷卡交易泛指通过射频通道进行的通信，尤其指近距离通信中通过射频通道进行的通信。

本发明中，低频交变磁场信号的频率处于特低频频段或甚低频频段或低频频段，其中，特低频频段的频率范围为 300 Hz ~ 3000Hz, 甚氐频频段的频率范围为 3KHz ~ 30KHz，低频频段的频率范围为 30 KHz ~ 300KHz。优选地，低频交变磁场信号的频率可以为 300Hz ~ 50KHz。优选地，低频交变磁场信号的频率可以为 500Ηζ、 1ΚΗζ、 1. 5KHz、 2KHz、 2. 5KHz、 3KHz、 4KHz、 5KHz、 l OKHz , 20 Hz或 30KHz。

本发明近距离通信方法采用低频磁场单向通讯和射频电磁场高速双向通讯的结合，从而避免了 NFC系统中采用唯一 13. 56MHz频点双向通讯及距离控制带来天线问题及终端信号衰减差异大等问题。本方法中，读卡器利用低频单向通道将自身唯一标识 IDr (即前述的身份标识信息）传给移动射频装置，移动射频装置通过射频双向通道将自身唯一标识 I Dc附加在 IDr后回传给读卡器，读卡器比较回传的 IDr的正确性，进而实现了读卡器与移动射频装置的唯一绑定。绑定后读卡器与移动射频装置采用射频双向通道实现高速大数据量的通讯，直至本次交易完成。

本发明近距离通信方法实现了含有移动射频装置的射频通信终端（如装有射频 SIM卡的手机）与读卡器的数据通信距离（也即交易距离 )可靠地控制在规定范围内，并且无需对终端进行校准。

为了实现上述的近距离通信方法，本发明还提出了一种近距离通信系统。本发明的近距离通信系统包括至少一个读卡器和至少一个移动射频装置, 其中：

读卡器用于按照预设的发射参数发射低频交变磁场信号，该低频交变磁场信号中携带该读卡器的身份标识信息，其中，发射参数包括低频交变磁场信号的频率，该频率等于或小于系统无校准工作的最高频率 f 0;读卡器还用于接收移动射频装置通过射频通道传送的信息，比较该信息中读卡器的身份标识信息是否同自身的身份标识信息一致，若一致则以自身的身份标识信息和移动射频装置的身份标识信息的结合作为组合地址，与移动射频装置通过射频通道进行刷卡交易；

移动射频装置，用于在各距离点上接收、检测读卡器发射的低频交变磁场信号并放大为与距离对应的幅度恒定的的电压信号，进而通过预设的电压门限 Vt判断装载有该移动射频装置的终端是否进入了预设的有效距离区间，其中，电压门限 vt对装载有该移动射频装置的所有终端相同；移动射频装置还用于在与接收到的低频交变磁场信号对应的电压信号大于或等于预设的电压门限 vt 时，从接收到的低频交变磁场信号中获取读卡器的身份标识信息，并将其连同自身的身份标识信息一起通过射频通道传送给读卡器；移动射频装置还用于与读卡器通过射频通道进行刷卡交易。

其中，身份标识信息可以为识别码 ID。

由上述可见，本发明近距离通信系统中的读卡器具有低频发射功能和射频收发功能这样两个基本功能，也可以说本发明近距离通信系统中的读卡器具有低频发射模块和射频收发模块这样两个基本模块；本发明近距离通信系统中的移动射频装置具有低频接收功能和射频收发功能这样两个基本功能，也可以说本发明近距离通信系统中的移动射频装置具有低频接收模块和射频收发模块这样两个基本模块。

进一步地，上述的近距离通信系统可以由如下的具体电路来实现：读卡器包括至少一个低频发射线圏、至少一个驱动电路、至少一个编码电路、至少一个第一主处理器、至少一个射频收发电路和至少一个射频天线，其中，低频发射线圏、驱动电路、编码电路、第一主处理器、射频收发电路、射频天线、顺次串联连接；移动射频装置包括至少一个低频磁感应电路、至少一个低频放大电路、至少一个门限判断及解调电路、至少一个第二主处理器、至少一个射频收发电路和至少一个射频天线，其中，低频磁感应电路、低频放大电路、门限判断及解调电路、第二主处理器、射频收发电路、射频天线顺次串联连接。优选地，在上述具体实现电路中，读卡器的驱动电路和编码电路之间还可以设有调制电路。

在上述具体实现电路中，读卡器中的低频发射线圏、驱动电路和编码电路（带调制电路时，还包括调制电路）可以认为是低频发射模块的组成部分，读卡器中的第一主处理器、射频收发电路和射频天线可以认为是读卡器中射频收发模块的组成部分；移动射频装置中的低频磁感应电路、低频放大电路和门限判断及解调电路可以认为是低频接收模块的组成部分，移动射频装置中的第二主处理器、射频收发电路、射频天线可以认为是移动射频装置中射频收发模块的组成部分。

优选地，在上述具体实现电路中，低频发射线圏可以为漆包线线圏或 PCB 线圈。进一步地，低频发射线圈的匝数可以大于 10 圈。优选地，低频发射线圏的匝数为 50 ~ 500圏。优选地，低频发射线圏内填塞有铁氧体磁芯或铁芯。优选地，低频发射线圏所包围面积的截面最宽处大于移动射频终端的截面宽度。优选地，低频发射线圏所包围面积的截面至少包含直径 3cm的圆形区域或者 3cm*3cm的方形区域。

优选地，上述的低频磁感电路可以为 PCB线圏、漆包线线圏、霍尔器件或巨磁阻器件。

本发明中，移动射频装置可以置于移动终端中，也可以置于移动终端内的 SIM卡、 UIM卡、 USIM卡、 TF卡或 SD卡中。其中，移动终端可以为手机、个人数字助理 PM或笔记本电脑等。

下面对本发明近距离通信系统的原理进行说明：

1、系统无校准工作的最高频率 fO的选定方法及装置在前述近距离通信方法的内容中已有阐述，此处不再赘述；

2、巨离测量和控制实现原理如下：

读卡器根据距离控制目标，以设定的发射参数持续不断的循环发送不高于选定频率 f O的低频交变磁场信号，该信号中以调制或直接基带传送的方式携带数据帧，数据帧内包含读卡器的唯一识别码 Idr (当然也可以是其他身份标识信息）。当装载有移动射频装置的移动终端置于读卡器周围，低频交变磁场信号穿透该终端到达其内部的移动射频装置，移动射频装置在各距离点上检测该磁场信号并放大为与距离对应的幅度恒定的的电压信号，当电压的幅度低于卡内预设的接收电压门限值 Vt，表示终端未进入有效刷卡距离范围，不允许刷卡；当电压的幅度高于卡内预设的接收电压门限值 Vt , 表示终端进入读卡器预定的有效刷卡范围，移动射频装置内的低频接收电路（指前述的低频磁感应电路、低频放大电路和门限判断及解调电路）启动解码过程，得到读卡器的唯一标识码 IDr。另一方面，移动射频装置内磁场转换后的电压信号与读卡器和移动射频装置之间的距离存在一一对应关系，该关系由电压距离变化曲线确定，根据该对应关系，可以由该电压确定移动射频装置与读卡器之间的距离，从而间接的确定了移动终端与读卡器的距离。 Vt和发射参数的设定是一次工作，一旦设定在使用中无需更改。

3、移动射频装置接入读卡器的过程原理：

移动射频装置接入读卡器主要包含读卡器和移动射频装置的唯一绑定过程。这里举例说明该绑定过程：移动射频装置中从低频信号中解出读卡器唯一识别码 IDr后传送到移动射频装置内的第二主处理模块，该第二主处理模块将移动射频装置的唯一识别码 IDc连同收到的 I Dr—起，通过 RF收发模块发送给读卡器，读卡器收到移动射频装置返回的（IDr， IDc)后，确认识别码为 IDc的移动射频装置正确的返回了读卡器的识别码 IDr , 是本次交易的唯一通讯终端。由于 IDr编码保证了该读卡器周围其它读卡器的识别码在该时刻不相同，因此识别码为 IDc的移动射频装置确认了其与识别码为 IDr 的读卡器建立了唯一的通讯。至此，移动射频装置和读卡器实现了唯一绑定，双方通过 ( IDr, IDc )组合地址唯一的识别对方。绑定后的通讯过程釆用 RF 通道进行交互不会产生错误。移动射频装置接入成功后，距离控制过程完成，可在 RF通道上进行后续的交易过程，直至交易结束。

4、交易过程：

读卡器和移动射频装置通过 RF通道建立了可靠的唯一通讯链路，在该链路基础上，双方可以实现交易所需的身份认证及其他交易所需的过程。所有这些过程均通过快速的 RF通道完成，由于前述过程的完成保证了只能在预定的距离范围内完成接入，因此整个交易过程也是在限定范围内的近距离通讯。

下面通过实施例对本发明作进一步说明。

图 8为本发明实施例中近距离通信系统的结构图。如图 8所示，该系统由 2部分组成：读卡器装置 100和移动射频装置 200，该移动射频装置 200 放在移动终端内部，并通过移动终端通讯接口与终端交互。

读卡器 100由下述模块组成：第一主处理器 101，负责读卡器低频及高频的控制及其他协议处理，第一主处理器 101通过接口电路 102或直接连接到外部通讯接口；编码电路 108 , 负责将低频帧数据进行逐比特编码，调制电路 107负责将编码输出的符号流对载波进行调制形成调制信号送给驱动电路 106 , 不需要调制时编码后的信号直接送给驱动电路 106；驱动电路 106 , 负责驱动低频发射线圏 105，产生低频交变磁场 301 ; 由低频发射线圏 105、驱动电路 106、调制电路 1 07及编码电路 108构成的低频发射模块，其发射场强值可更改并设定；低频发射线圏 105通常由较多匝数特定形状的线圏构成； RF收发电路 103 , 通过 RF天线 1 04接收及发射 RF信号。

移动射频装置由下述模块组成：第二主处理器 201 , 负责低频及射频模块的控制及其他协议处理，也负责和移动终端的通讯； S IM/TF/SD卡模块 202 为移动终端的 S IM/TF/ SD卡本体模块，具体何种模块由卡类型确定；低频磁感应电路 207，由 PCB线圏、漆包线线圏、霍尔器件或其他能感应磁场变化的电路元件构成，负责感应低频交变磁场信号 301并转换为电信号；低频放大电路 206负责放大低频磁感应电路检测到的电信号得到低频磁检测电压信号 303 ; 门限判断及解调电路 205 , 负责对低频磁检测电压信号 303按照预设的门限 Vt进行判决，未达到门限 Vt不解调也不允许刷卡，达到门限 V t 对信号进行解调，解调后的信号送给第二主处理器 201 ; RF 收发电路 203 通过 RF天线 204负责与读卡器的 RF收发模块完成 RF双向通讯。

系统通过预先设定好的门限判定方法来完成无需校准的距离检测和控制，即读卡器 100按照预设的发射参数发射低频交变磁场信号 301 , 移动射频装置 200接收该磁场信号转换为低频磁检测电压信号 303 , 并通过预先设有终端相同，无需针对不同终端修改（即所谓校准）。通过低频单向通讯和 RF双向通讯结合的方法来完成读卡器 1 00和移动射频装置 200的唯一绑定，即读卡器 1 00利用低频单向通道将自身唯一标识 I Dr传给移动射频装置 200 , 移动射频装置 200通过射频双向通道将卡自身唯一标识 I Dc附加在 IDr后回传给读卡器 100，读卡器 1 00比较回传 IDr的正确性，进而实现了读卡器 100 与移动射频装置 200的唯一绑定。绑定之后通过射频通道来完成双向的高速大数据量的通讯。

本实施例中，近距离通信系统的具体工作流程如下：

(一）首先，选定系统工作的基本参数，包括 RF频点，无校准低频频点 f 0 , 读卡器发射参数，移动射频装置的接收电压门限 Vt。

1. RF频点选择

上述 RF通讯的频点通常采用 2400 - 2483MH 2. 4G I SM频段，以实现高速的通讯和对终端的良好穿透性，也可以采用其它频点，例如 433MHz , 900MHz, 5GHz等。

2.无校准低频频点 f 0选择

采用前述方法确定系统低频无校准工作频点 fO,对于典型的 GSM移动通讯终端，要实现 G~ 10cm范围的距离控制， fO频点通常小于 ΙΟΚΗζ, 典型值包括 500Hz, Ι Ηζ, 1.5KHz, 2KHz, 2.5 Hz, 3KHz, 5KHz等。

3.读卡器发射参数的选择

发射参数主要包括调制方式、编码方式及发射磁感应强度幅值 Br。图 9为读卡器低频发射部分示意图。参见图 8, 读卡器低频发射电路由驱动电路 106、调制电路 107及编码电路 108构成的，驱动电路 106驱动的低频调制信号输出到低频发射线圏 105。

调制电路 107可以采用多种调制方式：

1 )载波调制方式调制：编码电路 108产生的基带信号通过调制电路 107 对载波进行调制，载波可以为正弦波、方波及三角波等，调制可以采用开关频移键控 00K、相移键控、频移键控 FSK等，调制后的信号通过驱动电路 106 加载到低频发射线圏 105上；

2 ) 无载波直接基带发射：编码电路 108产生的基带信号，通过驱动电路 106直接加载到低频发射线圏 105上；

3)其他调制方式：由于本发明系统采用门限判断的方式进行距离控制，因此调制方式不宜采用幅度调制，凡是发送过程中能够保持移动射频装置内检测电压幅度基本恒定的调制方式均可以用于本发明的近距离通信系统；编码电路 108可以采用多种编码方式：

1 ) 曼彻斯特编码：比特 1编码为两个符号 01，比特 0编码为 10。

2 )差分曼彻斯特编码：有两种比特符号序列： 01及 10，比特 1编码为与上一符号序列不同，比特 0则相同，或者反过来编码亦可。

3 )其他编码方式：由于本发明系统采用门限判断的方式进行距离控制，因此低频调制信号必须保持均值稳定，编码后的序列不能含有直流分量，凡是编码后平均直流分量为零的编码方式均可以用于本发明的近距离通信系统。

确定好调制方式和编码方式后，采用前述方法，确定读卡器发射磁感应强度幅值 Br。调整 Br的过程实际上是调整线圏匝数，线径，形状等参数的过程。

4. 移动射频装置接收电压门限 Vt的选择

采用前述方法确定卡接收门限电压 Vt。

上述参数的选定是一次性的，一旦选定，工作中无需改变。

(二）其次，工作参数确定后的系统工作流程如下：

步骤 A100: 距离测量和控制过程。读卡器 100的第一主处理器 101产生包含读卡器的唯一识别码 IDr的数据帧，送给编码电路 108完成编码，编码后的信号通过调制电路 107调制或不经调制直接送给驱动电路 106 , 调制电压送给低频发射线圏 105发射，通过预先设定好帧格式、调制编码方式及驱动能力，发射线圏 105以设定的强度 Br持续不断的按照上述帧格式循环发送指定参数的低频交变磁场信号 301。当移动终端置于读卡器周围，低频交变磁磁场信号 301穿透该终端到达内部的移动射频装置 200，移动射频装置 200内的低频磁感应电路 207检测到低频磁信号，转换为电信号后经低频放大电路 206放大后得到低频磁检测电压 303 , 当电压的幅度小于（或大于 ) 于预设的接收电压门限值 Vt , 不允许刷卡；当电压的幅度大于等于于（或小于等于）预设的接收电压门限值 Vt ,表示终端进入读卡器预定的有效刷卡范围，低频接收电路启动解码过程，得到读卡器的唯一标识码 IDr。另一方面，所述移动射频装置内磁场转换后的电压信号与读卡器和移动射频装置之间的距离存在——对应关系，该关系由电压-距离变化曲线确定，根据该对应关系，可以由该电压确定移动射频装置与读卡器的距离，从而间接的确定了移动终端与读卡器的距离。上述门限值 Vt 对所有终端均相同，无需针对每个终端修正，也就是无需知道校准，从而上述过程是一种无需校准的距离测量及控制过程；

步骤 A100中的帧格式定义如下：

图 10为读卡器低频数据帧格式示意图，如图 10所示，读卡器低频数据帧每帧分为如下域：

同步码： 8比特，通常为 FFH , 用于帧同步；

控制域： 8比特，用于提供帧数据的解帧信息，如长度，数据类型等，可留保留位用于扩展；

IDr: N比特，读卡器唯一识别码，由控制域指定； CRC: 对控制域， IDr进行校验，可采用 CRC校验和或其他方式。

上面所述帧格式仅作为一种示例，不限制本发明实际采用的帧格式，原则上任何包含能唯一识别读卡器的帧格式均可使用。唯一识别码可采用足够长度的随机数，也可采用所有读卡器人工分配唯一码的方式，或其他方式产生的识别码。

步骤 A20Q: 移动射频装置接入读卡器的过程：移动射频装置接入读卡器主要包含读卡器 100和移动射频装置 200的唯一绑定过程，实际上表示读卡器和移动射频装置所在移动终端的唯一绑定过程。移动射频装置 200内部低频接收电路解出读卡器唯一识别码 Idr后传送到移动射频装置内第一主处理器 201 ,该模块将移动射频装置自身的唯一识别码 Idc连同收到的 Idr—起，通过移动射频装置内 RF收发电路 203和 RF天线 204发送给读卡器 100 , 读卡器内部 RF天线 103和 RF收发电路 104收到移动射频装置返回的（IDr， IDc) 后，传送给第一主处理器 101处理，第一主处理器 101确认识别码为 IDc的移动射频装置正确的返回了读卡器 IDr , 是本次交易的唯一通讯终端。由于 IDr编码保证了该读卡器周围其它读卡器的识別码在该时刻不相同，因此识别码为 IDc的卡确认了其与识别码为 IDr的读卡器建立了唯一的通讯。至此，移动射频装置和读卡器实现了唯一绑定，双方通过（ IDr， IDc )组合地址唯一的识别对方。绑定后的通讯过程釆用 RF通道进行交互不会产生错误。移动射频装置成功接入读卡器后，距离控制过程完成，可在 RF通道上进行后续的交易过程；

步骤 A200中的移动射频装置唯一识别码 IDc,是预先存储在移动射频装置内非易失存储器内（NVM ) 的唯一识别码，或者是由移动射频装置内产生的足够长的的随机数。

步骤 A30Q:交易过程。读卡器 100和移动射频装置 200通过 RF通道建立了可靠的唯一通讯链路，在该链路基础上，双方可以实现交易所需的身份认证及其他交易所需的过程。所有这些过程均通过快速的 RF通道完成，直至本次交易结束。由于前述步骤 A100 ~ A200 的完成保证了移动射频装置 200 只能在预定的距离范围内完成接入，因此整个交易过程也是在限定距离范围内才能完成交易。交易过程是成熟的 P0S机处理流程，本发明不做详细描述。

移动射频装置 200中低频信号检测电路 207通常可以用 PCB线圏、漆包线线圏或霍尔器件构成，该检测电路并不仅限于用这几种元件，原则上任何能将磁场变化转变为电信号的传感器都可以用于该模块，唯一的限制是能放入卡内部。

本发明系统利用低频交变磁场实现距离检测和控制，并实现读卡器和移动射频装置的单向通讯，利用 RF通道结合低频通讯实现终端的可靠绑定，同时利用 RF通道实现读卡器和移动射频装置之间高速的数据通讯。其具有如下特点点： 1.可以无需改造移动终端，只需更换终端内部的 S IM卡 /TF/SD 卡，即可实现可靠的双向距离通讯； 2读卡器发射低频交变磁场信号，移动射频装置只需接收该磁场信号，由于是单向通讯，并且无需读卡器通过磁场提供能量，因此可以将接收线圏或其他接收电路小型化，足以将移动射频装置放入 SIM卡 /TF/SD卡内； 3.由于接收信号较弱，移动射频装置内需要增加放大电路。另外移动射频装置内同时放置 RF收发电路，与读卡器内的 RF收发电路实现双向高速通讯，如前面所述， RF电路的天线很小，可以轻易的集成到 S IM卡 /TF/SD卡内。

依照本发明所述方法选定的频点 f O , 系统在该频点以下工作无需校准，作为一种扩展，系统工作在 f Q频点以上，也不是绝对不行，可能的效果是性能降低，距离控制的精度降低，同时可能需要辅以筒单的校准，这些应用并不与本发明所述原则从根本上冲突，只是一种性能改变的延伸应用。

本发明近距离通信系统实现了含有移动射频装置的射频通信终端（如装有射频 SIM卡的手机）与读卡器的数据通信距离（也即交易距离）可靠地控制在规定范围内，并且无需对终端进行校准。

釆用本发明所述的系统和方法，选择合适的无校准工作的最高频点 f 0，用低于 f O 的低频交变磁场进行距离测量和控制，移动终端间结构差异的影响可以减小到距离控制目标所要求的波动范围之内，从而实现无校准距离控制。图 11 为线圏接收电路放入各种移动终端内，用信号源通过低频发射线圏发射恒定 ΙΚΗζ磁场条件下测试的电压距离曲线。如图 11所示，为系统在 1 KHz频率下多个典型终端的电压距离曲线实例。其中信号强度值是接收天线感应电压经过必要的放大后的值，放大倍数保持恒定，只需关注强度随距离的相对变化。从图 11可以看出，终端之间的场强差异 <5dB , 而各终端在 1 ~ 10cm范围的场强变化范围达到 40dB, 不考虑读卡器发射场强波动及移动射频装置检测电路的误差，移动射频装置端采用统一的门限 V t 来判断各终端是否在目标距离范围之内，距离控制的误差在终端之间的差异大致为 1 cm范围，完全满足无校准距离控制的要求。

读卡器

本发明提出了一种读卡器。图 12 为本发明实施例中读卡器的结构图。如图 12所示，本实施例中，读卡器包括低频磁场发射部分 1200和射频收发部分 1 1 00两部分，其中，低频磁场发射部分 1200包括编码电路 1201、调制电路 1202、驱动部分 1203和低频发射线圏 1204 , 射频收发部分 1 100包括控制器 11 01、射频收发机 1102和射频天线 1 1 G 3。其中，驱动部分 1203包括驱动电路和调整电路。可见，图 12所示的读卡器与图 8所示的近距离通信系统中读卡器装置 1 00的结构是基本一致的，只是在图 12 中，将图 8中的第一主处理器 101具体为控制器 1 101 了。其中，低频发射线圏、驱动电路、编码电路组成的低频发射链路工作于预先选定的系统无校准工作的最高频率 f 0 以下的频率。读卡器发射预先设定的幅度恒定或微分幅度恒定的低频交变磁场信号，该低频交变磁场信号的幅度值对应于设定的物理通讯距离低频交变磁场信号幅度的误差小于预设误差值 S _R关于低频交变磁场信号的幅度值与物理通讯距离的确定方法前面已经说明过，此处不再赘述。

其中：

低频发射线圏 1204 ,其作用是发射低频磁场信号。主要可以由漆包线绕制或者由 PCB走线绘制组成；

控制器 1101负责整个读卡器的控制，包括低频磁场发射部分 1200的控制以及射频收发部分 1 100的控制；

射频收发机 1 102负责射频信号的收发，射频通信频率主要是 UHF频段，尤其是 2400Mhz ~ 2483MHz频段，也可以采用其它频段，例如 433MHz、 900MHz、 5GHz等；

射频天线 11 03负责射频能量的辐射与接收；

编码电路 1201主要负责低频磁场信号信息的编码；

调制电路 1202主要负责将编码后的低频磁场信号信息调制到载波上；驱动部分 1203 包含驱动电路以及调整电路，驱动电路主要负责将低频磁场信号放大并增强其驱动能力，调整电路主要负责调整低频磁场信号强度的误差。驱动电路可以是由 DAC ( Di g i ta l Ana log Canver ter , 数模转换器）与运算放大器（以下简称运放）组成的方波、正弦波、三角波等波形的生成以及放大电路，也可以是由电阻、电容、运放组成的方波、正弦波、三角波等波形的生成以及放大电路。调整电路可以是调整驱动电路的输出电压，也可以是调整负载的电阻。

图 13为图 12中驱动部分的一种结构图。驱动部分 1203可以由顺次串联的 DAC121 3、运放 1223和电阻 1233组成。

基于上述的读卡器，本发明提出了一种低频交变磁场距离控制方法，应用于上述的读卡器，该低频交变磁场距离控制方法包括如下步骤：

步骤 a , 通过低频发射通道，持续循环发射预定发射参数的低频交变磁场信号，该信号中包含读卡器的识别码 IDr , 预定发射参数包括系统无校准工作的最高频率 f 0、编码方式、调制方式及恒定场强参数；同时，通过射频通道等待接收来自于含有移动射频装置的终端的信息；

步骤 a中，系统无校准工作的最高频率 f O的选择方法如下：低频交变磁场频率越低，穿过各种类型的终端后衰减的差异越小，利用该特性，在频点选择系统中选定差异足够小的频点，以实现无校准距离控制。采用标准信号源通过标准的磁场发射线圏发送低频交变磁场，在各个典型的移动终端及障碍物内部接收该交变磁场，调整发射频率直到找到频点 f 0，使移动射频装置接收到的电压在距离发射线圏平面中心点相同距离条件下，不同终端及障碍物间的场强差异大致等于设定的波动范围 δ _τ ,该频点及^^于该频点的频段是系统无校准工作的频段，高于 f O频点，系统需要校准，通常频点高于 f O越多，需要校准的终端越多，校准的复杂度越高。频点选定是一次性工作，一旦选定，在使用中无需更改。

步骤 a中，除频点外，其它预定发射参数的选择方法如下：

步骤 al : 选择场强恒定方式（即恒定场强参数），场强恒定方式包括峰值场强幅度恒定和微分场强幅度恒定，选择峰值场强幅度恒定执行步骤 a2 , 选择微分场强幅度恒定执行步骤 a3，恒定场强参数的幅度误差小于预设误差值 s _R ;

峰值场强幅度恒定的直流或者交流磁场的典型形式如图 14所示，其可以是直流磁场，也可以是方波磁场或者正弦波磁场：微分场强幅度恒定的低频交流磁场，为一种磁场最大变化率恒定的低频交流磁场，典型形式如图 15所示，由图 15可见：在典型微分幅度恒定的三角波磁场发射条件下， S IM卡线圈感应到的电压为方波形态。

读卡器发射恒定的场强可作为距离检测的参考场强，由于低频磁场随着距离的变化，场强快速的衰减，因此读卡器周围随距离变化的低频场强可以作为距离的标尺，通过精确控制每个读卡器发射场强的差异值 3 ₈可以控制读卡器作为距离检测标尺的精度，其中 δ _κ的典型范围为 4dB以内，即 S _R 的典型值小于 4dB。

步骤 a2 : 在峰值场强幅度恒定条件下，选择编码方式、调制方式、驱动电压波形，确定低频磁场强度目标值，从而选择驱动电压幅度、调整参数、低频发射线圏电阻、低频发射线圏圏数，测量该选择参数下低频磁场强度是否符合与预定的低频磁场强度目标值的误差在围内，若是则发射参数选择完成，结束，否则重新调整驱动电路以及低频发射线圏参数，直至测量的低频磁场强度符合与预定的低频磁场强度目标值的误差在 δ _R范围内；发射参数的选择流程如图 16所示。步骤 a2中，详细的选择方法如下：编码方式选择：在峰值场强幅度恒定发射磁场条件下，编码方式无特定要求，编码方式选择是一次性工作，一旦选定，在使用中无需更改；

调制方式选择：在峰值场强幅度恒定发射磁场条件下，主要是 FSK、 PS 等恒包络调制方式，调制方式选择是一次性工作，一旦选定，在使用中无需更改；

驱动电压波形选择：在峰值场强幅度恒定发射磁场条件下，驱动电压波形最好为方波，驱动电压波形选择是一次性工作，一旦选定，在使用中无需更改；

低频磁场强度目标值选择：低频磁场强度目标值根据读卡器应用的需求来确定，如果是中远距离应用，则对磁场强度要求高，如果是近距离应用，则对磁场强度要求低；

驱动电压幅度选择：选定低频磁场强度目标值后，则选择相应的驱动电压幅度，驱动电压幅度可以是驱动电路供电电压满幅值的 60%以上；

调整参数选择：可调整驱动电路的输出电压，也可以是调整负载的电阻，使低频发射磁场与预设的场强值相符合。具体地，在驱动部分为图 1 3所示的电路时，可以通过调整 DAC输出电压或运放放大倍数以及调整负载电阻来进行参数调整；

发射线圏参数选择：发射线圏主要可以由漆包线绕制或者由 PCB走线绘制组成；低频发射线圏的面积尽量大于普通手机面积，以保证不同的手机 s i m 卡位置都在低频发射线圏之内，从而保证手机刷卡的稳定性与便捷性；低频发射线圏的面积（指线圏所包围的面积，下同 ) 主要大于 10平方厘米，进一步地，低频发射线圏的面积所包围可以为 20-1000平方厘米；低频发射线圏，在保证相同磁通量的前提下，匝数需求与驱动电压需求是成反比的；低频发射线圏的匝数主要大于 10匝，进一步地，低频发射线圏的匝数为 50-500 圏；低频发射线圏的电阻主要大于 10欧姆，进一步地，低频发射线圏的电阻为 50-500欧姆。

以上参数选定之后，测量磁场强度是否符合与预定的低频磁场强度目标值的误差在围内，如果不符合，则重新调整驱动电路以及低频发射线圏参数；如符合，则所述预定参数选择完成。

步骤 a3: 在微分场强幅度恒定条件下，选择编码方式、调制方式、驱动电压波形，确定低频磁场强度目标值，从而选择驱动电压幅度、调整参数、低频发射线圏电阻、低频发射线圏圏数，然后测量该选择参数下低频磁场强度是否符合与预定的低频磁场强度目标值的误差在围内，若是则发射参数选择完成，结束，否则重新调整驱动电路以及低频发射线圏参数，直至测量的低频磁场强度符合与预定的低频磁场强度目标值的误差在 δ _R范围内。

步骤 a3中，详细的选择步骤如下：

编码方式选择：在微分场强幅度恒定发射条件下，编码方式主要由曼彻斯特码或者其它归零码组成，编码方式选择是一次性工作，一旦选定，在使用中无需更改；

调制方式选择：在场强幅度恒定发射磁场条件下，主要是 FSK、 PSK等恒包络调制方式，调制方式选择是一次性工作，一旦选定，在使用中无需更改；

驱动电压波形选择：在场强幅度恒定发射磁场条件下，驱动电压波形最好为三角波，驱动电压波形选择是一次性工作，一旦选定，在使用中无需更改；

后续步骤与步骤 _a2 中峰值场强幅度恒定发射磁场条件选择方式一致，不再重复叙述。

步骤 b, 射频通道收到含有移动射频装置的终端的信息，该信息中包含终端返回的读卡器的识别码 I D r及终端本身的识别码 I D c ,解码出 I D r及 I D c , 比较返回的 IDr是否与发出的 IDr相同，如果相同，则此后的射频通讯通过 (IDr , IDc)组合地址实现读卡器与终端的唯一绑定通讯；如果不同，则通讯错误，射频通道继续等待接收直至收到正确数据；同时低频通道持续发射预定发射参数的低频交变磁场信号；

步骤 c , 通过射频通道进行交易通讯，直至交易完成。同时低频通道持续发射预定参数的低频交变磁场信号。

低频交变磁场的频率主要是 Q-l OOKHz ,进一步地，低频交变磁场频率可以是 0- 10KHz。

步骤 a2及 a 3中，读卡器发射场强误差范围 δ _κ的控制方法如下：为了保证批量生产时每台读卡器之间的一致性，需要建立一个对每台读卡器进行误差修正的系统，该系统检测并调整每台读卡器的误差，以保证每台读卡器的一致性，从而保证刷卡距离的可控。

读卡器的误差修正系统如图 Π所示，读卡器的误差修正系统包括被修正读卡器 1702和位于被修正读卡器 1702上方设定高度 Dc处的磁场强度检测装置 1701。

基于图 17所述的误差修正系统，读卡器的误差修正方法如下：步骤 1、设置磁场强度检测装置的测量目标 Hs和误差范围 He，则被修正读卡器在标准的磁场强度检测装置下的误差修正场强范围为 [Hs- He， Hs+He] ; 其中 He< S _R, δ _R 为预设误差值， He越小系统余量越大；

步骤 2、在测试读卡器时，被修正读卡器发射低频磁场信号，磁场强度检测装置比较当前接收到的低频磁场信号的磁场强度，调节被修正读卡器上的发射调整电路，使被修正读卡器的磁场强度处于设置的误差修正场强范围 [Hs-He, Hs+He]内。

该误差修正系统可以是单独的系统，也可以是在读卡器上本身附带的功能模块，从而实现读卡器的自误差修正功能。自带误差修正功能的读卡器的结构如图 18所示。由图 18可见，自带误差修正功能的读卡器与前述读卡器相比，多了误差修正部分 1400，误差修正部分 1400由顺次相连的采样电路 1401、放大电路 1402和低频接收线圏 1403 组成，其中，采样电路 1401与控制器 1101相连。读卡器通过在读卡器上的接收线圏，感应到读卡器低频发射线圏辐射出来的电压，并通t文大以及采样传送到控制器处，控制器通过判断采样信号幅度的大小来判断低频发射信号是否符合发射强度的要求。

基于图 18 所示的自带误差修正功能的读卡器，读卡器的自适应误差修正方法如下：

步骤 1、设置读卡器本地磁场强度检测装置的测量目标 Hs 和误差范围 He , 则在读卡器本地磁场强度检测装置下的误差修正场强范围为 [Hs- He, Hs+He] , 其中 He< S _R， He 越小系统余量越大；本地磁场强度检测装置由图 18中所示的顺次相连的控制器 1101、采样电路 1401、放大电路 1402和低频接收线圏 1403組成；

步骤 2、在测试读卡器时，读卡器低频发射线圏发射低频磁场信号，本地磁场强度检测装置比较当前接收到的低频磁场信号的磁场强度，调节读卡器上的发射调整电路，使读卡器的磁场强度处于设置的误差修正场强范围 [Hs-He, Hs+He]内。

本发明的读卡器还具有检测旁边是否有千扰读卡器并 · ^警的功能。具体地，检测干扰读卡器的方法如下：合法读卡器工作时搜索附近是否有低频或者射频信号，并对搜索到的低频或者射频信号进行解码，判断该低频或者射频信号中携带的信息是否包含该合法读卡器的唯一标识码，若包含则说明附近没有干扰读卡器，否则有干扰读卡器。合法读卡器还可以进一步检测接收到的低频或者射频信号的信号强度，并根据该信号强度判断自身与附近干扰读卡器的距离，如果附近的干扰读卡器在设定的安全距离以内则报警。

由上可见，本发明的读卡器使得对于各种具有近距离通信功能的移动终端不需要校准就能够实现电子支付等刷卡交易。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

权利要求书

1. 一种读卡器，其特征在于，包括至少一个低频发射线圏、至少一个驱动电路、至少一个编码电路、至少一个第一主处理器、至少一个射频收发电路和至少一个射频天线，所述低频发射线圏、驱动电路、编码电路、第一主处理器、射频收发电路、射频天线顺次串联连接；

所述读卡器发射预先设定的幅度恒定或微分幅度恒定的低频交变磁场信号，该低频交变磁场信号的幅度值对应于设定的物理通讯距离，所述低频交变磁场信号幅度的误差小于预设误差值 δ _κ。

2. 根据权利要求 1所述的读卡器，其特征在于，所述读卡器的驱动电路和编码电路之间还设有调制电路。

3. 根据权利要求 1所述的读卡器，其特征在于，所述驱动电路中包含有调整电路。

4. 根据权利要求 3所述的读卡器，其特征在于，所述驱动电路由顺次串联的 DAC、运算放大器和电阻组成。

5. 根据权利要求 1所述的读卡器，其特征在于，所述低频发射线圏为漆包线线圏或 PCB线圏。

6. 根据权利要求 5所述的读卡器，其特征在于，所述低频发射线圏的匝数大于 1 0圏。

7. 根据权利要求 6所述的读卡器，其特征在于，所述低频发射线圏的匝数为 5 0 - 500圏。

8. 根据权利要求 5所述的读卡器，其特征在于，所述低频发射线圏内填塞有铁氧体磁芯或铁芯。

9. 根据权利要求 5所述的读卡器，其特征在于，所述低频发射线圈所包围面积的截面至少包含直径 3cm的圓形区域或者 3cm* 3cm的方形区域。

1 0.根据权利要求 9所述的读卡器，其特征在于，所述低频发射线圏所包围的面积大于 1 0平方厘米。

1 1.根据权利要求 1 0所述的读卡器，其特征在于，所述低频发射线圏所包围的面积为 20- 1000平方厘米。

12.根据权利要求 1所述的读卡器，其特征在于，还包括本地磁场强度检测装置。

13.根据权利要求 12所述的读卡器，其特征在于，所述本地磁场强度检测装置由顺次相连的控制器、采样电路、放大电路和低频接收线圏组成。

14.根据权利要求 13所述的读卡器，其特征在于，所述控制器集成在所述第一主处理器中。

15.根据权利要求 1所述的读卡器，其特征在于，所述低频交变磁场信号幅度的预设误差值 δ_κ小于 4dB。

16.一种如权利要求 1至 15任一项所述的读卡器中系统无校准工作的最高频率 fO的确定方法，包括如下步骤：

步骤 al, 确定系统的距离控制目标（Din， Dv), 所述系统中包含至少一个移动射频装置和至少一个读卡器，其中 Din表示距离为 0~Din的范围内所有装载有所述移动射频装置的终端确保可刷卡， Dv表示距离波动范围，距离为 Din ~ (Din+Dv)的范围内均允许刷卡，距离大于 Din+Dv的范围不允许刷卡；

步骤 a2, 确定读卡器导致的移动射频装置内检测电压的波动范围 S_R; 步骤 a3, 确定移动射频装置本身导致的检测电压的波动范围 S_c;

步骤 a4 , 在 f 频率下测试各典型终端及障碍物的电压距离曲线；步骤 a5, 由距离控制目标（Din, Dv ) 确定移动射频装置内检测电压的波动范围 δ_Α, δ_Α等于由各典型终端及障碍物的电压距离曲线得到的具有平均场强衰减曲线斜率的电压距离曲线上 Din点所对应的电压值与（Din+Dv ) 点所对应的电压值之差；

步骤 a 6 , 确定由终端导致的移动射频装置内检测电压的波动范围 δ τ , δ_τ表示终端衰减特性造成的移动射频装置内检测电压波动范围， δ δ _Α- δ f δ _c;

步骤 a7,计算各典型终端及障碍物间在距离控制范围内各距离点上的最大场强差异 δ , 若 δ 大于 δ_τ，则降低频率 f, 转步骤 a4; 若 δ 小于 δ_τ，则提高频率 f, 转步骤 a4; 若 δ 等于 δ_τ, 则当前测试频率 f 等于系统无校准工作的最高频率 f0。

17.一种低频交变磁场距离控制方法，其特征在于，应用于如权利要求 1 至 15任一项所述的读卡器，包括以下步骤：

步骤 a, 通过低频发射通道，持续循环发射预定发射参数的低频交变磁场信号，该信号中包含读卡器的识别码 IDr , 所述预定发射参数包括系统无校准工作的最高频率 f 0、编码方式、调制方式及恒定场强参数；同时，通过射频通道等待接收来自于含有移动射频装置的终端的信息；

步骤 b，射频通道收到含有移动射频装置的终端的信息，该信息中包含终端返回的读卡器的识别码 I D r及终端本身的识别码 I D c ,解码出 I D r及 I D c , 比较返回的 IDr 是否与发出的 IDr相同，若相同，则此后的射频通讯通过 (IDr , IDc)组合地址实现读卡器与终端的唯一绑定通讯，否则通讯错误，射频通道继续等待接收直至收到正确数据；同时低频通道持续发射预定发射参数的低频交变磁场信号；

步骤 c, 通过射频通道进行交易通讯，直至交易完成。

18.一种选择如权利要求 17所述的低频交变磁场距离控制方法中发射参数的方法，其特征在于，包括如下步驟：

步骤 al , 选择场强恒定方式，即恒定场强参数，场强恒定方式包括峰值场强幅度恒定和微分场强幅度恒定，选择峰值场强幅度恒定执行步骤 a2，选择微分场强幅度恒定执行步骤 a3，恒定场强参数的幅度误差小于预设误差值；

步骤 a2 , 在峰值场强幅度恒定条件下，选择编码方式、调制方式、驱动电压波形，确定低频磁场强度目标值，从而选择驱动电压幅度、调整参数、低频发射线圏电阻、低频发射线圏圏数，测量该选择参数下低频磁场强度是否符合预定的低频磁场强度目标值，若是则发射参数选择完成，结束，否则重新调整驱动电路以及低频发射线圈参数，直至测量的低频磁场强度符合预定的低频磁场强度目标值；

步骤 a3, 在微分场强幅度恒定条件下，选择编码方式、调制方式、驱动电压波形，确定低频磁场强度目标值，从而选择驱动电压幅度、调整参数、低频发射线圏电阻、低频发射线圏圏数，然后测量该选择参数下低频磁场强度是否符合预定的低频磁场强度目标值，若是则发射参数选择完成，结束，否则重新调整驱动电路以及低频发射线圏参数，直至测量的低频磁场强度符合预定的低频磁场强度目标值。

19.一种基于权利要求 12至 14任一项所述的读卡器的自适应误差修正方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤 1、设置读卡器中本地磁场强度检测装置的测量目标 Hs和误差范围 He , 其中 He小于预设误差值 δ _R，则在读卡器本地磁场强度检测装置下的误差修正场强范围为 [Hs- He , Hs+He]；

步骤 2、在测试读卡器时，读卡器发射低频磁场信号，本地磁场强度检测装置比较当前接收到的低频磁场信号的磁场强度，调节读卡器上的发射调整电路，使读卡器的磁场强度处于设置的误差修正场强范围 [Hs-He， Hs+He] 内。

20.—种应用于权利要求 1至 15任一项所述的读卡器的误差修正系统，其特征在于，所述误差修正系统包括被测读卡器和位于该被测读卡器上方设定高度处的磁场强度检测装置。

21.—种基于权利要求 20所述的读卡器的误差修正系统的读卡器的误差修正方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤 1 , 设置磁场强度检测装置的测量目标 Hs和误差范围 He , 则被测读卡器在标准的磁场强度检测装置下的误差修正场强范围为 [H S- He， Hs+He] ，其中 He小于预设误差值 S _R;

步骤 2 , 在测试读卡器时，被测读卡器发射低频磁场信号，磁场强度检测装置比较当前接收到的低频磁场信号的磁场强度，调节被测读卡器上的发射调整电路，使被测读卡器的磁场强度处于设置的误差修正场强范围 [Hs-He , Hs+He]内。

22.—种检测干扰读卡器的方法，其特征在于，合法读卡器工作时搜索附近是否有低频或者射频信号，并对搜索到的低频或者射频信号进行解码，判断该低频或者射频信号中携带的信息是否包含该合法读卡器的唯一标识码，若包含则说明附近没有干扰读卡器，否则有干扰读卡器。

23.根据权利要求 22所述的检测千扰读卡器的方法，其特征在于，所述合法读卡器进一步检测接收到的低频或者射频信号的信号强度，并根据该信号强度判断自身与附近干扰读卡器的距离，若附近的千扰读卡器在设定的安全距离以内则报警。