基于STM32與ST25DV的智能NFC卡片設計

摘要：針對日常生活中使用的NFC卡片存在功能單一、安全性不高、與智能設備兼容性差等問題，文章基于STM32L051單片機和ST25DV芯片開發了一款智能NFC卡片。相關實驗測試結果表明，該NFC卡片能集成多張獨立卡片的功能，不僅支持IC卡的模擬、復制和刷卡功能，而且用戶可通過App完成個性化的定制。在安全性方面，該卡片能保證用戶的隱私數據安全。該設計可以為IC卡片在未來的多樣化和智能化開發提供有益參考。

關鍵詞：近場通信；STM32；ST25DV；個性化；數據安全

中圖分類號：TP368.1 "文獻標志碼：A

0 引言

由于物聯網技術的快速發展，無線通信技術逐漸成為連接物理世界與數字世界的關鍵橋梁。非接觸式近場通信（Near Field Communication，NFC）作為一種高頻率短距離無線通信技術，以其便捷性、高效性和高安全性，在移動支付、智能門禁、身份認證、醫療設備等領域展現巨大的應用前景和市場價值［1］。NFC技術通過無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）實現數據傳輸，允許電子設備在幾厘米的距離內交換信息，極大地提高了人們的生活效率和便利性［2］。特別是在智能卡片領域，NFC技術不僅簡化了信息交換過程，而且顯著提升了用戶體驗和數據安全性［3］。傳統的NFC卡片功能單一、安全性不高，在設計上缺乏靈活性和可擴展性［4］。為解決這些問題，基于STM32微控制器與ST25DV動態標簽芯片的智能NFC卡片設計成為研究熱點。STM32系列MCU以高性能、低功耗和豐富的外設接口成為嵌入式系統設計的首選平臺之一［5］。ST25DV系列芯片作為動態NFC標簽的領先產品，支持I2C、SPI等多種通信接口，具備靈活的內存配置和強大的安全特性，支持動態數據讀寫，為智能NFC卡片的設計提供了強大的硬件支持［6］。

為滿足用戶對個性化、多功能NFC卡片的需求，本研究基于STM32微控制器和ST25DV動態NFC標簽設計并實現一款功能豐富、性能優越、安全可靠的智能NFC卡片。功能測試結果表明，該卡片具備數據存儲、安全認證、動態更新以及與其他NFC設備交互的能力，能夠為人們的日常生活帶來更多便利，同時為NFC技術的應用和發展提供新的參考。

1 硬件設計

1.1 STM32L051單片機

STM32L051K8U6單片機屬于超低功耗的ARM Cortex-M0+MCU系列單片機［7］，適用于長時間運行且能耗需求低的產品。在運行模式下，該單片機電流消耗為88 μA/MHz；在待機和停止模式下，電流消耗分別為0.4 μA和0.27 μA；在停止模式+RTC+8 k字節RAM的配置下，電流消耗為0.8 μA，即在極低功耗時也能保留一定的RAM數據。STM32L051K8U6在1.65～3.6 V的電壓范圍內能穩定工作，且在-40～125℃的溫度范圍內能正常工作。STM32L051K8U6采用UFQFPN-32封裝，占用空間小，便于集成到小巧緊湊型設備中，符合本設計的產品需求。

1.2 ST25DV16K芯片

ST25DV16K-IER6S3是意法半導體生產的一款射頻芯片［8］。該芯片內的EEPROM存儲容量為16 KB，能滿足一定量數據的存儲需求。ST25DV16K-IER6S3的工作頻率范圍廣，可適應不同射頻通信場景，支持SPI（串行外圍設備接口），便于與其他微控制器或數字邏輯電路連接。ST25DV16K-IER6S3采用緊湊型封裝設計，在空間受限產品中仍能使用，且在-40～105 ℃的溫度范圍內能正常工作。ST25DV16K-IER6S3支持1.8～3.6 V的電源電壓，能在不同電壓條件下穩定工作，其具有的數據加密和保護機制能防止未授權訪問和數據篡改。作為一款射頻卡芯片，ST25DV16K-IER6S3同時具有低功耗的特性，符合本設計的能耗需求，適用于無線通信、智能卡、身份驗證、物聯網設備等領域。

1.3 鋰電池充電模塊

鋰電池充電模塊主要由TP4056芯片和紅綠LED組成。充電模塊原理如圖1所示，輸入電源電壓為4～8 V；CE為高電平時，TP4056處正常工作狀態，輸入電平時，TP4056處于禁止充電狀態。TEMP接地取消電池溫度檢測，PROG連接外部電阻接地可對充電電流進行編程，充電電流估算如式（1）所示。

Ibat=11200/Rprog（1）

式中，Ibat為充電電流，Rprog是恒流充電電流設置和充電電流監測端PROG腳的電阻。充電時，CHRG管腳被內部拉至低電平（否則處于高阻態），D1導通，紅燈亮，表示正在充電；充電完成時，STDBY內部開關拉至低電平（否則處于高阻態），D2導通，綠燈亮。

1.4 LDO降壓穩壓電路

LDO降壓穩壓電路由XC6206線性穩壓芯片和2對差值為100倍以上的濾波電容組成［9］。LDO降壓穩壓電路工作原理如圖2所示。電池通過VBAT接口對模塊供電，當S1閉合時，電壓通過C1、C2濾波電容進入XC6206線性穩壓芯片降壓，通過Vout輸出至濾波電路，由V_3輸出至MCU進行供電。當負載電壓Vout上升時，通過電阻R1、R2進行采樣反饋，反饋點VFB電壓上升，放大器U1對誤差進行放大，此時UG電壓增大，當輸入電壓Vin不變時VGS電壓減小，源極電流ID減小，VDS電壓增大，輸出電壓Vout減小。當負載電壓Vout降低時，通過電阻R1、R2進行采樣反饋，反饋點VFB電壓下降，放大器U1對誤差進行放大，此時UG電位降低，當輸入電壓Vin不變時VGS電壓增大，源極電流ID增大，VDS電壓減小，輸出電壓Vout增大。

1.5 USB轉TTL電路

USB轉TTL電路由TYPE-C接口電路和CH340C芯片組成。圖3（a）和圖3（b）分別是USB接口電路和串口燒錄電路。程序編譯完成后，單片機通過USB接口與計算機連接，經CH340驅動將計算機端的USB電平轉化為TTL電平，再利用CH340芯片將USB數據轉化為串口數據，最后經TXD和RXD發送到STM32L051K8U6中。

1.6 NFC電路

NFC模塊電路原理如圖4所示，由ST25DV16K芯片、2張模擬IC和撥輪開關電路組成。ST25DV具備雙接口動態標簽，AC0、AC1為差分天線接口，內部包含EEPROM空間，通過手機、NFC讀卡器等設備與板載環狀天線對內存進行讀寫操作。動態標簽與普通標簽相比多了一個I2C接口和GPO中斷接口，I2C接口與NFC接口實現數據交互。I2C接口工作時須接入VCC電源，普通標簽中讀卡器磁場與標簽天線耦合，讀卡器產生的磁場為標簽芯片供電，動態標簽在讀寫memory時經過NFC無須VCC供電，因此，動態標簽在關機狀態能將參數寫入，MCU上電時通過I2C在EEPROM中讀取參數，完成一次參數配置過程。撥輪開關通過控制內部電路連通方向，切換不同的天線接口與對應的I2C，實現卡片切換的功能。

1.7 墨水屏拓展電路

微雪1.54英寸V2版的墨水屏的詳細參數如表1所示。該墨水屏的功耗非常低，休眠電流小于0.01 μA。可視角度幾乎達180°，用戶能從多個角度清晰地看到顯示內容。墨水屏無需背光，斷電后可長時間保持最后一屏的顯示內容，非常適合需要長時間顯示的應用場景。墨水屏采用“微膠囊電泳顯示”技術，在環境光下通過反射形成接近傳統印刷紙張的顯示效果。墨水屏模塊具有SPI控制接口，可接入Raspberry Pi、Jetson Nano、Arduino、STM32等多種主控板。同時，部分版本還板載電平轉換芯片，可兼容3.3 V和5 V單片機接口，提供了更大的靈活性。這些優勢使該墨水屏在商場貨架標簽、工業儀表和閱讀器中的應用較廣泛。

1.8 硬件電路執行流程

硬件電路的主要執行流程如圖5所示。數據通過NFC設備寫入內存到天線的EEPROM，再傳到

ST25DV芯片。芯片上電后可選擇通過I2C直接傳輸數據至STM32L051單片機，同時寫入IC卡。通過USB轉TTL電路將IC卡里的數據燒錄到STM32L051單片機，然后發送數據至EPD顯示模塊。如果接收數據為圖片則全屏顯示，如果接收到文字或其他格式數據則不顯示內容。

2 軟件設計

通過軟件編程實現的具體功能包括：驅動各模塊完成STM32L051與ST25DV之間的通信、墨水屏的顯示功能及串口燒錄功能。軟件設計和實現的主要流程如圖6所示。首先調用對應的函數完成各模塊的初始化，配置硬件的時鐘信息并調節輸出電壓為1級。然后讀取NFC射頻卡片中的信息并寫入墨水屏，再將內容顯示在墨水屏上，檢查內容是否正確，如果正確則說明數據讀取和寫入成功，如果不正確則返回上一步重新讀取和寫入內容。

3 功能測試與分析

3.1 功能測試結果

設計完成后進行相關的實驗測試，測試內容包括：各模塊間的線路連接是否正確，LED燈在充電狀態是否正常，USB轉TTL的串口燒錄是否正常，NFC電路對卡片數據的復制和寫入是否有丟失現象，STM32與ST52DV的通信狀態是否正常，遠程控制的通信功能是否正常，墨水屏顯示是否正常。

經過測試，各模塊間線路連接正確，LED燈充電狀態正常，串口燒錄正常（見圖7），NFC電路對卡片數據的復制和寫入功能完整，STM32與ST52DV之間的通信正常。所有測試結果如表2所示。

3.2 App與墨水屏交互結果

手機App與墨水屏實現數據交互的過程如下：先同時按下2個側面按鍵清空墨水屏數據，變成白色屏幕；然后打開手機NFC，打開配套的NFC軟件，點擊單幀算法，使用二值化或者模擬灰度算法；最后將撥輪開關向下按使能NFC芯片，同時按住電源按鍵，將NFC卡片置于手機背面，等待App讀取進度條加載完即完成數據傳輸。

將撥輪開關撥向左或右是分別選擇2張IC卡，然后使用PN532模塊完成數據的讀取和復制。讀卡過程中，在NFC上位機顯示界面可以發現未加密卡的每一塊03扇區上的內容都是00，說明初始化完成。依次點擊左上角三角形、確認文本框，然后完成卡片配置內容的重命名，保存文件。將NFC射頻卡片置于PN532線圈上，在上位機界面分別點擊“讀取卡片內容”和“寫入卡片”，等待讀取和寫入完成并找到保存的.dump文件。

3.3 功能不足與展望

充電模塊在充放電過程中，放電電壓在4 V以上時設備正常工作，但電壓低于3.5 CV時芯片發熱情況明顯增加。檢查發現在低電量模式下，該模塊出現了掉電過快現象，使芯片發熱增加。前人設計的許多類似設備都存在這個問題［10］，后期筆者將嘗試從以下幾個方面進行改進，以緩解充放電模塊在低電量模式下的芯片發熱情況，以提高設備的穩定性和可靠性。

（1）優化電源管理策略，確保低電量模式下，電源模塊可以更高效地工作，減少不必要的能量損耗，

從而降低芯片的發熱。例如，通過動態調整電源轉換效率來適應不同的負載需求。

（2）在電路設計上，嘗試用開關電源代替線性電源，來提高電源轉換效率，以減少能量損耗和發熱。同時，確保電路設計中有足夠的過流保護，避免因負載過流而造成的額外發熱。

（3）軟件設計方面，通過優化軟件算法，減少CPU的運算負載，達到降低芯片的功耗和發熱的目的。此外，合理控制軟件的運行狀態，如在低電量模式下限制后臺應用刷新、降低屏幕亮度等。

（4）采用實時監控芯片溫度的措施，根據反饋信息動態調整電源管理和散熱策略，以保持芯片在最佳溫度范圍內工作。

4 結語

為提高NFC卡片的智能化水平，本文基于STM32L051單片機和ST25DV芯片設計了一款集成度高、安全性好的NFC卡片。該卡片具有一卡多用、攜帶方便和安全性高的優點。用戶可通過PN532芯片實時復制和寫入數據到卡片，保證用戶的隱私數據不易丟失。同時，通過撥輪開關實現卡片切換，用戶可以在手機App上實現墨水屏內容的顯示和更換，多種交互方式方便用戶根據自己的喜好制定個性化方案。在未來的研究中，研究人員可以將墨水屏驅動板分離，方便產品進行硬件修護和軟件升級操作，同時優化結構設計以緩解充放電模塊在低電量模式下的芯片發熱情況。

參考文獻

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（編輯 王雪芬編輯）

Design of smart NFC card based on STM32 and ST25DV microcontroller

ZHU" Daoheng， TANG Yibing， LI Xiaoyu

（School of Electronics and Information Engineering， Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China）

Abstract：" Aiming at the problems of single function， low security， and poor compatibility with smart devices of NFC cards used in daily life， an smart NFC card is developed based on STM32L051 microcontroller and ST25DV chip. Relevant experimental test results show that the NFC card can integrate the functions of multiple independent cards， not only supporting the simulation， copying， and swiping functions of IC cards but also allowing users to complete personalized customization through App. In terms of security， the card can guarantee the safety of users’ private data. This design can provide a useful reference for IC cards in future diversification and intelligent development.

Key words： NFC; STM32; ST25DV; personalized; data safety