双频多协议多功能近场通信集成系统和应用方法

摘要

本发明公开了一种双频多协议多功能近场通信集成系统和应用方法，第一感应天线连接高频NFC读卡器芯片；高频NFC读卡器芯片读取高频NFC标签信息并由ARM主控芯片通过蓝牙模块传输到智能终端；智能终端的高频NFC标签信息通过蓝牙模块传输至ARM主控芯片，并传输至双界面智能卡芯片中，通过与第二感应天线匹配模拟成高频NFC标签；低频标签信息由低频读卡器芯片和第三感应天线读取，经ARM主控芯片通过蓝牙模块传输到智能终端；低频卡片模拟控制模块、ARM主控芯片和第三感应天线实现低频感应卡功能，配置成任何格式和协议的低频卡片。本集成系统和应用方法覆盖高频/低频RFID应用，拓展NFC应用功能，方便读卡器模式与卡片模式切换，提高NFC应用功能体验效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双频多协议多功能近场通信集成系统和应用方法。

背景技术

近场通信也称为NFC(Near Field Communication)，是从无线射频识别（RFID）技术衍生出来的一种新型近距离感应通信技术。当前常规的NFC技术是采用13.56MHz（高频）谐振频率，通信协议符合ISO14443A/ISO14443B/ISO15693/SonyFelica这四种标准。在具有NFC功能的手机里，内置了NFC读卡芯片和感应天线，主要可以达到如下应用功能：如图1所示，手机内置高频NFC读卡芯片1通过SPI总线连接手机基带CPU处理器2，感应天线3连接NFC读卡芯片1，用户可以直接用手机近距离感应读取高频NFC标签4的信息；如图2所示，手机内置高频NFC读卡芯片1具有卡片模拟功能，即可以把NFC手机模拟成一张感应卡或者感应标签，可以被任何的NFC读取设备5（包括NFC手机）来读取；如图3所示，两台NFC设备6（包括NFC手机）之间可以直接进行点对点通信，以便互相交换信息和数据。

当前支持NFC功能的手机越来越多，包括三星、NOKIA、谷歌、小米、OPPO、魅族、华为等。但苹果IPHONE手机由于种种原因尚未集成有NFC功能，苹果手机对于NFC功能的不支持，导致NFC应用很难被产业化批量应用，由于苹果手机拥有着很大份额的高端用户，而这些高端用户才是NFC功能的潜在使用者。

为了解决苹果手机不支持NFC的问题，目前已经开发出了专门配备苹果手机用的NFC智能保护套或者NFC耳机插孔附件，比如 iCarte、 Incipio、DeviceFidelity、Flomio 等公司开发的产品。但是上述产品所提供的解决方案都是基于接触式的方式把读取到的NFC数据信息传输到苹果手机，即通过USB接口或音频耳机插孔进行数据信息传输。这两种方式对于用户体验来说，其实不是最佳；如果通过USB接口，那么会导致保护套比手机要长约8-10mm，这个长度会导致保护套看起来比较“臃肿”，用户握在手上的感觉不佳；而如果是通过音频耳机插孔，导致使用更为不便，而且用户可能经常会忘记携带NFC附件而无法使用NFC功能。

目前市场上所有的NFC手机、NFC保护套和NFC音频耳机插孔附件均采用了标准的NFC规范，即谐振频率是高频，通信协议符合ISO14443A/B、ISO15693或者SonyFelica标准。然而，在当前全球整个RFID市场，除了广泛流行的高频RFID之外，125KHz/134.2KHz（低频）频率范围的RFID应用也是相当广泛，尤其是在门禁、考勤、动物识别（畜牧业）等领域。也就是说，当前的NFC规范还未能全面覆盖所有的RFID行业应用，导致NFC应用的缺陷。同时目前市场上所有的NFC手机、NFC保护套和NFC耳机插孔附件主要是默认工作在读卡器模式，如果要工作在卡片模式，其切换方式比较复杂，广大使用者无法自己进行设置，只有专业人士或者专业公司才有能力把NFC功能设置到卡片模式，极大限制了NFC应用的快速拓展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双频多协议多功能近场通信集成系统和应用方法，本集成系统克服了传统NFC应用的缺陷，覆盖RFID应用的频率范围，本方法拓展了NFC应用功能，方便读卡器模式与卡片模式之间的切换，极大提高了NFC应用功能的体验效果。

为解决上述技术问题，本发明双频多协议多功能近场通信集成系统包括高频 NFC读卡器芯片和第一感应天线，所述第一感应天线连接所述高频 NFC读卡器芯片的信号发射/接受端，本集成系统还包括ARM主控芯片、蓝牙模块、双界面智能卡芯片、第二感应天线、低频读卡器芯片、低频卡片模拟控制模块、天线切换模块和第三感应天线，所述ARM主控芯片分别与所述蓝牙模块、高频NFC读卡器芯片、双界面智能卡芯片、低频读卡器芯片和低频卡片模拟控制模块连接，所述第二感应天线连接所述双界面智能卡芯片的感应信号发射/接受端，所述第三感应天线连接所述天线切换模块的信号发射/接受端，所述天线切换模块分别连接所述低频读卡器芯片的射频发射端、低频卡片模拟控制模块的射频接受端和ARM主控芯片的射频控制端。

进一步，所述低频读卡器芯片和低频卡片模拟控制模块通过所述天线切换模块分别支持读卡器模式和卡片模式。

基于所述双频多协议多功能近场通信集成系统的近场通信应用方法包括如下步骤：

步骤一：高频NFC读卡器芯片通过第一感应天线直接感应读取高频NFC标签信息，高频 NFC标签信息由ARM主控芯片控制经蓝牙模块传输至智能终端；

步骤二：智能终端的高频 NFC标签信息经蓝牙模块传输至ARM主控芯片，ARM主控芯片将高频NFC标签信息经由ISO7816总线传输至双界面智能卡芯片，通过与第二感应天线的匹配，使双界面智能卡芯片和第二感应天线模拟成高频NFC标签，并被其他高频NFC设备直接读取；

步骤三：低频读卡器芯片通过第三感应天线直接感应读取低频标签信息，并由ARM主控芯片控制经蓝牙模块传输至智能终端；

步骤四：低频卡片模拟控制模块、ARM主控芯片、天线切换模块和第三感应天线配合，由天线切换模块把第三感应天线接收到的来自于外部读卡器的能量通过低频卡片模拟控制模块传送给ARM主控芯片并存储外部读卡器的卡片信息，然后ARM主控芯片把存储在内部存储器的卡片信息再经低频卡片模拟控制模块后通过天线切换模块传送给第三感应天线发送回外部读卡器，实现模拟多种低频感应卡功能，配置成多种格式和协议的低频感应卡片，并被低频RFID读卡器所读取。    

由于本发明双频多协议多功能近场通信集成系统和应用方法采用了上述技术方案，即本集成系统的第一感应天线连接高频NFC读卡器芯片的信号发射/接受端；高频 NFC读卡器芯片读取高频NFC标签信息并经由ARM主控芯片通过蓝牙模块传输到智能终端；智能终端的高频 NFC标签信息通过蓝牙模块传输至ARM主控芯片，并传输至双界面智能卡芯片中，通过与第二感应天线匹配模拟成高频NFC标签从而被其他NFC设备读取；低频标签信息由低频读卡器芯片和第三感应天线读取，经由ARM主控芯片通过蓝牙模块传输到智能终端；低频卡片模拟控制模块、ARM主控芯片和第三感应天线实现低频感应卡功能，配置成任何格式和协议的低频卡片被低频RFID读卡器读取。本集成系统可覆盖绝大部分现有和将来的高频/低频RFID应用，本方法拓展了NFC应用功能，方便读卡器模式与卡片模式之间的切换，提高NFC应用功能的体验效果。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为NFC手机端读卡器模式读取NFC感应标签的示意图；

图2为NFC手机端卡片模式被NFC读取设备读取的示意图；

图3为两台NFC设备之间进行点对点通信的示意图；

图4为本发明双频多协议多功能近场通信集成系统示意图。

具体实施方式

如图4所示，本发明双频多协议多功能近场通信集成系统包括高频 NFC读卡器芯片和第一感应天线，所述第一感应天线连接所述高频 NFC读卡器芯片的信号发射/接受端，本集成系统还包括ARM主控芯片、蓝牙模块、双界面智能卡芯片、第二感应天线、低频读卡器芯片、低频卡片模拟控制模块、天线切换模块和第三感应天线，所述ARM主控芯片分别与所述蓝牙模块、高频NFC读卡器芯片、双界面智能卡芯片、低频读卡器芯片和低频卡片模拟控制模块连接，所述第二感应天线连接所述双界面智能卡芯片的感应信号发射/接受端，所述第三感应天线连接所述天线切换模块的信号发射/接受端，所述天线切换模块分别连接所述低频读卡器芯片的射频发射端、低频卡片模拟控制模块的射频接受端和ARM主控芯片的射频控制端。

进一步，所述低频读卡器芯片和低频卡片模拟控制模块通过所述天线切换模块分别支持读卡器模式和卡片模式。

图4中VCC表示电源、RST表示复位、CLK表示时钟、IO表示数据输入输出、GND表示接地、TXD表示发射、RXD表示接受、DEMOD_OUT表示解调输出、MOD表示调制、SHD表示芯片关闭、RF1表示第一射频驱动、RF2表示第二射频驱动、CLK_OUT表示时钟输出、RF_CLOSE表示射频场强关闭、RF_CTRL表示射频场强控制、RF_INPUT表示射频输入。

基于所述双频多协议多功能近场通信集成系统的近场通信应用方法包括如下步骤：

步骤一：高频NFC读卡器芯片通过第一感应天线直接感应读取高频NFC标签信息，高频 NFC标签信息由ARM主控芯片控制经蓝牙模块传输至智能终端；

步骤二：智能终端的高频 NFC标签信息经蓝牙模块传输至ARM主控芯片，ARM主控芯片将高频NFC标签信息经由ISO7816总线传输至双界面智能卡芯片，通过与第二感应天线的匹配，使双界面智能卡芯片和第二感应天线模拟成高频NFC标签，并被其他高频NFC设备直接读取；

步骤三：低频读卡器芯片通过第三感应天线直接感应读取低频标签信息，并由ARM主控芯片控制经蓝牙模块传输至智能终端；

步骤四：低频卡片模拟控制模块、ARM主控芯片、天线切换模块和第三感应天线配合，由天线切换模块把第三感应天线接收到的来自于外部读卡器的能量通过低频卡片模拟控制模块传送给ARM主控芯片并存储外部读卡器的卡片信息，然后ARM主控芯片把存储在内部存储器的卡片信息再经低频卡片模拟控制模块后通过天线切换模块传送给第三感应天线发送回外部读卡器，实现模拟多种低频感应卡功能，配置成多种格式和协议的低频感应卡片，并被低频RFID读卡器所读取。    

本集成系统可设置于各类手机保护套19中，采用低功耗的蓝牙模块12，将读取到的NFC数据传输到各类智能终端，如苹果等智能手机、PC机、平板电脑等。尤其是集成于手机保护套19的时候，可以省去了与手机的USB接口转接部分，从而使得保护套的尺寸和手机尺寸可以几乎一样大小，用户握在手上的感觉很好，没有厚、长和重的感觉。

在NFC读卡部分，本集成系统设计成13.56MHz（高频）和125KHz/134.2KHz（低频）两个架构，其中，在高频 NFC部分，把读卡器功能和卡片功能分离开来，各自独立工作，卡片部分采用双界面智能卡芯片14，其同时具有13.56MHz RF无线射频接口和ISO7816总线接口，ARM主控芯片11可通过ISO7816总线接口向其传输数据，并通过第二感应天线17的感应匹配实现高频NFC感应卡功能，省却了现有常规的高频 NFC读卡芯片复杂的卡片模拟配置过程。这样的设计其典型应用就是用户可以将13.56MHz高频 RFID原始卡片（如公交卡等），通过高频 NFC读卡器芯片13把原始卡片数据读取出来，然后通过手机APP上的操作指令，把这个原始卡片数据通过蓝牙模块12经由ARM主控芯片11利用ISO7816总线接口传输到双界面智能卡芯片14里，如此，用户就可以直接用手机保护套来取代原始卡片，使用起来会更加方便，外出时可直接使用采用本集成系统的手机保护套实现原始卡片的功能，如支付公交资费等。该使用方法比采用标准的NFC卡片模拟的方式要简单实用得多，用户也不必具有专业知识和能力，只要会操作手机APP即可。

在低频（125KHz/134.2KHz）RFID应用方面，本集成系统将读卡器功能和卡片模拟功能通过天线切换模块21来分别进行切换。如切换到低频读卡器芯片15，则ARM主控芯片11、低频读卡器芯片15、第三感应天线18组成低频读卡器电路，对125KH/134.2KHz低频标签直接读取，并通过ARM主控芯片11控制经由蓝牙模块12将低频标签信息传输到智能终端。如天线切换模块21切换到低频卡片模拟控制模块20，则ARM主控芯片11、低频卡片模拟控制模块20、第三感应天线18组成低频模拟卡片电路， 低频模拟卡片部分需要通过ARM主控芯片11控制天线切换模块21工作在卡片模拟方式下，在第三感应天线18进入外部读卡器电场一定的范围以内，第三感应天线18产生了感应能量和接收到外部读卡器信息，通过天线切换模块21和低频卡片模拟控制模块20把外部电场的时钟信息和数据信息传送给ARM主控芯片11，ARM主控芯片通过数据分析处理把存储在内部存储器中的卡片数据或信息传送给低频卡片模拟控制模块20，最后通过天线切换模块21和第三感应天线18发射出去，外部读卡器就可以接收到模拟出来的卡片信息。通过软件处理可以模拟很多种不同的RFID标签或卡片的通讯协议和数据规则，也可拓展更安全更新颖的低频通信协议和格式，创造出新的应用市场。

使用本集成系统和应用方法可以克服NFC读取设备终端的缺陷，特别是解决苹果手机和平板电脑不支持NFC的问题，使得广大用户可以自己定义和写入各种个性化应用的NFC标签信息，各类标签信息可以是智能海报、电话号码、网址、智能名片、短信、WIFI连接、蓝牙配对等信息。同时，采用本应用方法可以做到与现有13.56MHZ（高频） RFID以及125KHZ/134.2KHZ（低频） RFID的“无缝”兼容，通过与各个系统商的合作，可以直接取代现有系统所采用的各种形式的RFID卡片和标签，真正达到双频多协议多功能的目的，通过本系统集成于保护套，让每一个智能手机或者智能平板电脑持有者可以 “DIY”自己的各种智能标签，让每一个智能终端使用者都是智能生活的真正玩家，把诸如门禁、考勤、公交、校园一卡通、会员卡、动物识别（畜牧业管理）、物流、防伪、以及各种标准的NFC应用（包括NFC手机支付），都很好地集成在本集成系统的平台上，从而拓展了NFC应用功能，极大提高了NFC应用功能的体验效果。