拉卡拉手机刷卡器音频通讯技术原理初步分析
kimmking@163.com
http://blog.csdn.net/kimmking/article/details/8712161
1. 拉卡拉刷卡器
大家都知道，拉卡拉就是一个手机刷卡器。拉卡卡、智能手机、拉卡拉软件、网络，构成了一个完整的、更强大的POS系统。为什么说更强大呢？因为在手机应用app的这一层，拉卡拉可以做很多很多方便的功能，这样借助于类似传统的刷卡服务，提供一系列现在支付宝也正在大力发展的生活服务等功能。而这个是银联的POS所严重缺乏的。目前来说，移动支付里，最方便的肯定是支付宝的快捷支付；但考虑国内目前的安全环境，用户把银行卡和密码托管给一个网站来管理，明显不如用的时候输入一下的方式更能被接受。相对于更安全的支付宝加网银的方式，拉卡拉做到了与发卡行无关，这样也不需要手机上安装各种不同的银行的网银客户端。所以，显然拉卡拉在某些应用场景比一些其他的移动支付方式更有优势。下面我们就来看看拉卡拉的技术原理是怎么回事。
2. 内部结构
上面左右是一个常见的拉卡拉设备，挺好看的。如果我们把它拆开来看，就如右图所示，当然除了这个东西，下面还有个耳机插头、侧面还有一个刷卡的槽。
总体来说，这个电路板很简单。
2.1 一个电池就占了绝大部分地方，导致整个拉卡拉个头偏大，可供刷卡万次以上（见参考资料1）。
2.2 左边的四根引线，对应于耳机插头上的4个区域。分别是左声道（Left）、右声道（Right）、麦克风（Mic）和接地线（Gnd）。其中L和R是接收手机往外输出信号的接口，M是输出信号到手机的接口。需要注意的是并不是所有的顺序都想右图所示。因为存在两个不一样的标准，国际标准和国家标准。像联想、中兴等大部分国产手机都是国家标准，跟右侧的图一样的顺序。而iphone、htc、三星、小米等手机都是国际标准，M和Gnd的顺序是反向的。拉卡拉的某些版本可以自动识别M和G的正反向。（见参考资料2）
2.3 电路板最右面的芯片处理输入信号和转换刷卡数据的A\D（音频\数字）处理模块，它是整个系统的核心。在手机应用里点击刷卡时，音频信号通过L或R从手机发送到电路板，通过A\D模块转换成数据信号。刷卡时电路板拿到银行卡信息，再通过A\D模块转换成音频传输给手机。当然手机APP应用里在信号出入的时候，也需要做相应的A\D编解码工作，这个也是手机APP里最重要的工作。
3. 刷卡支付流程
手机与拉卡拉音频通讯示意图
手机与拉卡拉的音频通讯大概结构见上图，大概的流程是：
3.1 先在手机上打开拉卡拉的应用。点击刷卡。
3.2 手机应用会调用android api的AudioTrack，通过L和R线路给拉卡拉手机刷卡设备发送一段通知信号（L和R表达的信息是一样的，只是波形是反相的，L的高电平对应于R的低电平，还没搞清楚拉卡拉为什么这么设计）。
3.3 芯片上的通讯模块拿到音频信号，解码后发现是刷卡通知，就等待刷卡层传来刷卡信息。
3.4 在刷卡槽刷卡后，卡的信息传递给芯片。
3.5 芯片拿到卡的信息，编码成音频信号，同M线路发送给手机。
3.6 手机APP通过AudioRecord对音频信号进行采样，拿到数字信号。
3.7 手机APP程序通过对数据信号进行解码，拿到实际的数据信息，即卡的信息。
3.8 如果刷卡失败，则手机APP拿到的是一段失败提示信息。
3.9 至此手机与刷卡器的通讯完成，手机APP再使用此卡的信息与拉卡拉的服务器端后台通讯，处理后续支付操作。
其中的技术关键点是（细节本文暂不讨论）：
a) 传输上使用什么样的调制方式，采用什么样的波特率、频率。
b) 通讯上如何制定合适的协议，包括如何判断信号开始、如何握手建立连接。
c) 编码上如何编码表示数据，如何校验和纠错，如何滤波和解码数据。
4. 相关的一些技术问题
4.1 A/D转换的问题
耳机线传输一般是1250HZ~9600HZ之间的交流音频信号。信号的调制解调有3种方式，调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种。根据对拉卡拉的输入输出信号的分析，我们发现拉卡拉使用的是调幅方式，频率为9600HZ和4800HZ的音频信号。
4.2 耳机接口标准的问题
两种标准见2.2中所描述的。
4.3 不同android手机的问题
a) 我们发现，在个别手机上，接收到的音频波形跟其他手机相比，是反相的。即高电平的波峰变成了低电平的波谷。这个问题可以在解码的时候，根据特定的前导码来判断。
b) 手机Mic采样到的音频信号电平可能会不一样。例如同一段音频信号，使用A手机AudioRecord采样出来，波峰的值大概是32000；另外找一个手机可能是3200，根据我们的多种不同手机测试，发现可以相差10倍。处理方法是，可以额外的进行一次处理，先归一化；或者是滤波的时候，动态的根据峰值来调整阈值。
c) 有些手机的Mic不认非标准的采样率。比如三星的I9308，如果使用9600*4的采样率初始化AudioRecord，就会报错；改成44100就没有问题。
4.4 数据传输的效率
每次通讯报文在100字节左右（50个汉字左右）（见参考资料1）。因此，拉卡拉的传输效率看来不是问题。
4.5 数据传输的准确性
拉卡拉用了一个取巧的方式。其先发送一段9600HZ的音频信号，紧接着再发送一段表示同样数据的4800HZ的音频信号。如果手机能处理高频率的信号，后面的低频率信号就可以用来校验前面的数据。如果前面的处理有问题，直接从后面拿低频率的信号来处理也一样可以保证拿到完整的数据。当然，我们还可以在数据本身叫上校验和纠错。
4.6 数据的安全性
官方说“拉卡拉手机刷卡器内置有安全芯片，每一台刷卡器对应有唯一的银行卡磁条信息保护密钥。使用专用安全算法，保证一机一密，一次一密。用户的个人密码，采用RSA非对称加密方法进行加密”。（见参考资料1）
但是根据我们观察，貌似拉卡拉的电路板上并没有特殊的安全相关模块。整个体系也没有使用CA证书做相关的电子签名和身份认证。所以，其安全性还有待研究。
5. 更多的可能性
拉卡拉的使用场景还是太简单了。其基本上仅仅使用了一个刷卡后的信号通过音频MIC线路传输给手机APP的功能。传输的数据也很简单。其实相当于将数据从电路板发送到手机APP，通过L/R将数据从手机发送到电路板要更简单、更高效，这一块拉卡拉几乎没怎么用上。我们可以在这个系统结构上做更多双向的数据通讯，把一些安全性要求更高的操作放到硬件上来完成，从而实现更高的安全保障，提供更多的功能，适用更多的应用场景。
6. 2012年手机刷卡器的一些数据
最后贴一下2012年手机刷卡器的市场交易规模和手机APP下载数据。
7. 参考资料
1) http://m.lakala.com/answer.html
2) http://m.lakala.com/adapt.html
3) http://blog.csdn.net/xl19862005/article/details/8522869
4) http://www.9mcu.com/9mcubbs/forum.php?mod=viewthread&tid=956073
5) http://it.21cn.com/prnews/a/2013/0320/00/20729935.shtml