【PN532与移动设备交互全攻略】：构建Android NFC应用的宝典


参考资源链接：[PN532固件V1.6详细教程：集成NFC通信模块指南](https://wenku.csdn.net/doc/6412b4cabe7fbd1778d40d3d?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 移动设备NFC技术简介

## 1.1 NFC技术概述

NFC（Near Field Communication）是一种短距离无线通信技术，它允许设备在几厘米内进行通信。与蓝牙和Wi-Fi相比，NFC具有更低的功耗和更快的连接速度。这项技术广泛应用于移动支付、智能卡、设备配对等领域。移动设备NFC技术使得用户可以简单地将手机贴近其他NFC设备或标签，从而进行数据交换和通信，极大提升了用户交互的便捷性。

## 1.2 NFC工作原理

NFC技术工作在13.56MHz频率上，这一频段的电磁波能够穿透金属材料，并且受环境影响较小。当两个NFC设备靠近时，它们会建立一个RFID（射频识别）磁场。通过这个磁场，两个设备可以交换数据，并实现非接触式的认证和支付。NFC标签可以存储少量数据，而NFC设备如智能手机，可以读取这些数据并根据存储的信息执行相应的操作。

## 1.3 NFC技术优势

相较于其他无线技术，NFC技术的优势主要在于其便捷性和安全性。其一触即达的特性，使得用户无需进行复杂的配对流程，即可快速进行信息交互或支付。在安全性方面，NFC技术支持双向认证，确保数据交换过程的安全。此外，NFC也支持加密功能，增加了数据传输的安全性。因此，NFC技术在移动支付、门禁系统、信息共享等众多场景中得到了广泛应用。

# 2. 深入理解PN532芯片

## 2.1 PN532芯片概述
### 2.1.1 PN532芯片的功能和特性

PN532芯片是由NXP公司生产的一款多功能、高性能的近场通信（NFC）控制器。其功能和特性如下：

1. 兼容多种NFC协议，包括ISO/IEC 14443A/B、MIFARE、FeliCa和JEWEL卡片协议。
2. 内置模拟前端，支持无线充电功能。
3. 支持多种通信接口，包括UART、SPI和I2C。
4. 具有高集成度，内置16位RISC微处理器，以及用于数据处理的RAM和ROM。
5. 支持多种加密算法，如DES, 3DES, AES, RSA和ECC。
6. 提供一个主机接口，允许主机设备以安全的方式访问内部加密引擎和用于密钥存储的硬件安全模块（HSM）。

### 2.1.2 PN532芯片在NFC技术中的作用

PN532芯片在NFC技术中的作用可以从以下几个方面来理解：

1. **读写器/控制器功能**：PN532可以作为读卡器与NFC标签或卡片通信，获取卡片信息或进行数据交换。
2. **Peer-to-Peer通信**：在两个NFC设备之间，PN532芯片能够进行点对点通信，这使得在不依赖于网络连接的情况下交换数据成为可能。
3. **标签模拟**：PN532可将自身模拟为一个NFC标签，与其它NFC读取设备进行交互。
4. **安全特性**：PN532集成了强大的安全特性，如加密和密钥管理，这对于NFC支付和访问控制系统非常重要。

## 2.2 PN532与NFC协议栈
### 2.2.1 NFC协议栈的基本架构

NFC协议栈是NFC通信中的软件架构，它分为几个层次，为不同的功能提供了抽象。PN532通过与这些层次交互，使设备能够进行NFC通信。协议栈的基本架构如下：

1. **物理层（PHY）**：定义了NFC设备的信号传输标准，包括频率、调制和数据速率等。
2. **数据链接层（DLC）**：管理数据的传输，包括数据帧的格式和错误检测。
3. **NFC协议层**：负责处理NFC通信的主要协议，包括ISO/IEC 14443、FeliCa等。
4. **应用层**：提供了具体的NFC应用接口，如NDEF（NFC Data Exchange Format）支持的应用层协议。
5. **传输协议层**：用于NFC设备间的P2P通信，如基于TCP/IP的RFC 6062。

### 2.2.2 PN532与各层协议的交互方式

PN532通过其内置的处理器和固件，与上述协议栈的各个层次交互：

1. **与物理层的交互**：PN532直接负责物理层的信号发送和接收。
2. **与数据链接层的交互**：在数据链接层，PN532控制数据包的构建，进行碰撞检测和避免以及流量控制。
3. **与NFC协议层的交互**：PN532支持多种NFC协议，如ISO/IEC 14443A/B，与NFC协议层进行交互，实现卡片识别和数据交换。
4. **与应用层的交互**：通过NFC API（如Android NFC API），应用层可以发送指令给PN532芯片，实现NDEF消息的读写。
5. **与传输协议层的交互**：在P2P模式下，PN532需要将NFC数据封装为TCP/IP等网络协议格式，以进行数据传输。

PN532芯片是NFC技术应用中的核心组件，它与NFC协议栈的紧密集成，使得移动设备能够高效地进行NFC通信。

## 2.3 PN532芯片的通信接口
### 2.3.1 SPI、I2C与UART通信接口

PN532芯片提供了多种通信接口来适应不同的硬件环境和应用需求：

1. **SPI（Serial Peripheral Interface）**：一种高速的，全双工的通信接口，适用于需要高数据吞吐量的应用场合。PN532通过SPI与主机通信时，主机设备（如微控制器）负责控制数据传输的时序。

   flowchart LR
   subgraph 主机
   A[主机设备]
   end
   subgraph PN532
   B[PN532芯片]
   end
   A -->|SPI通信| B

2. **I2C（Inter-Integrated Circuit）**：一种多主机、多从机的串行通信总线，适合连接多个低速外围设备。PN532的I2C通信模式同样支持多主机操作，主机设备通过简单的两线（SDA和SCL）来发送和接收数据。

   flowchart LR
   subgraph 主机
   A[主机设备]
   end
   subgraph PN532
   B[PN532芯片]
   end
   A -.->|I2C通信| B

3. **UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）**：一种简单的串行通信协议，通过TX（发送）和RX（接收）两线进行数据传输。PN532的UART接口允许与不具备复杂通信总线的设备通信。

   flowchart LR
   subgraph 主机
   A[主机设备]
   end
   subgraph PN532
   B[PN532芯片]
   end
   A -.->|UART通信| B

### 2.3.2 接口选择对应用的影响

接口的选择将直接影响应用的性能和成本。不同的通信接口各有特点和适用场景：

1. **SPI**：适合高速数据传输，但由于线数较多（至少4线），可能增加硬件布线的复杂性和成本。
2. **I2C**：适合连接多个外围设备，布线简单，成本较低。但其数据速率和距离相对较低。
3. **UART**：最简单，成本最低，适合不需要高速通信的场合。由于连接只需要两线，可以节省布线资源。

在设计PN532与设备的连接时，需要根据应用需求和成本预算来选择合适的通信接口。例如，在要求高数据速率的情况下，可能会选择SPI；在成本敏感的应用中，UART可能是更佳选择。

| 接口类型 | 特点 | 适用场景 | 线数 | 数据速率 | 成本 |
| :------- | :--- | :------- | :--- | :------- | :--- |
| SPI      | 高速, 全双工, 复杂布线 | 高性能设备 | ≥4 | 高 | 较高 |
| I2C      | 多主机, 简单布线 | 多外围设备连接 | 2 | 中 | 中等 |
| UART     | 简单, 成本低 | 简单数据交换 | 2 | 低 | 低 |

接口选择的决策对于整个系统的开发和部署至关重要。开发者需要根据特定应用场景的具体要求，以及预算和资源的约束，来决定最终采用哪种通信方式。

# 3. Android NFC开发基础

### 3.1 Android NFC API概览

在现代移动设备中，NFC（Near Field Communication）技术已经成为标准功能之一，它允许设备在短距离内与其他设备或标签进行无线通信。Android平台通过其NFC API为开发者提供了强大的接口，以充分利用NFC硬件的功能。本节将深入探讨Android NFC API的核心组件、功能以及权限和安全模型。

#### 3.1.1 NFC API的核心组件和功能

Android NFC API主要由以下几个核心组件构成：

- `NfcAdapter`：是Android NFC API的核心，提供与NFC硬件交互的能力。通过`NfcAdapter`，开发者可以查询NFC硬件的状态、处理NFC标签以及实现NFC设备间的通信。

- `NdefMessage`：表示NFC数据交换格式（NDEF）的消息。`NdefMessage`可以包含一个或多个`NdefRecord`，这些记录是NDEF消息中的基本单位，用来表示不同类型的数据。

- `NdefRecord`：表示NDEF记录，其中包含了实际要交换的数据。NDEF记录支持多种数据类型，比如文本、URL、MIME类型等。

- `PendingIntent`：用于在检测到NFC标签或设备时，系统触发NFC事件的机制。通常用于启动应用并处理NFC标签的数据。

这些组件共同工作，使Android应用能够支持NFC技术进行数据读写、设备配对等操作。

#### 3.1.2 NFC API的权限和安全模型

由于NFC涉及到近距离通信和数据交换，因此安全性和权限控制是开发Android NFC应用时必须要考虑的因素。

- 权限模型：Android系统要求应用在使用NFC功能时声明相应的权限。例如，`android.permission.NFC`是进行基本NFC操作的权限，而`android.permission.WRITE_NDEF_MESSAGE`则允许应用写入NDEF消息。应用必须在Manifest文件中声明这些权限，并且在运行时请求用户授权。

- 安全模型：Android使用加密技术来保证NFC通信的安全性。例如，NDEF消息可以被加密，以防止未授权的读取。此外，Android还支持Android Beam，这是一种设备间的NFC传输技术，它在传输时会建立一个安全的连接，保证数据传输的安全性。

开发者