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NFC晶片与SIM卡连接的方案研究
日期:2007/11/15 23:20:56   作者:石亦欣,李蔚

NFC应用是目前移动通讯行业与RFID 行业所关注的热点,NFC技术将移动终端与RFID 应用紧密的捆绑在一起,引发了一系列新的应用模式。作为NFC应用推动的主流力量,移动运营商提出了基於SIM卡实现NFC应用的需求。本文详细分析讨论了NFC晶片与SIM卡连接的方法,并提出合理的建议方案。

一、概述

IC特别是非接触式IC卡经过十多年的发展,已深入现代生活的各个角落,被广泛应用於公交、门禁、小额电子支付等领域。近年来,在轨道交通、物流管理、物品防伪、身份识别等需求推动下,非接触式IC卡(或者电子标签)技术的不断进步,应用越来越普及,迫切需要各类非接触IC卡识别设备。与此同时,移动通讯设备经历20多年的迅速发展,已经几乎成为居民人手俱备的随身装置,普及率非常高,并且有向移动通讯终端集成更多功能的趋势。可以看到,RFID应用技术和移动通讯技术相结合,将激发出无数的新型应用,将是今後RFID 技术发展的热点。

NFC(Near Field Communication近场通讯)是这几年飞速发展的一种新兴技术,由Sony、Philips和Nokia提出,它使得两个电子设备直接可以进行短程的通讯,工作在13.56MHz频段,工作距离几个厘米。NFC技术目标是电子设备之间的近距离通讯,主要实现三类功能∶非接触IC卡片类比功能;点对点资料通讯功能;读卡机功能。NFC技术的出现,极大地促进了RFID技术与移动通讯技术的融合进展,引发出许多新的应用模式。

NFC应用的推广需要移动终端的更新,需要跨行业的应用整合,是一个涉及多行业、多层次的复杂专案,难点非常大。移动运营商在NFC推广中扮演著十分重要的角色,根据移动运营商的需求,NFC实现方案需要提供一种将RFID应用或者NFC应用与移动运营商关联在一起的方案,也即需要一种将RFID应用或者NFC应与SIM卡关联的方案。

二、NFC硬体架构

connect NFC chip to SIM card-1
图1. NFC硬体架构

图1是NFC硬体架构图。NFC功能的实现由两部分组成∶NFC类比前端(NFC Controller与天线)和安全单元。根据应用需求的不同,安全单元可以是SIM、SD、SAM或其他晶片。本文将仅讨论SIM卡与NFC类比前端的连接方法。

三、SIM卡与NFC连接方式分析

不考虑SD等其他介面,一个典型的NFC移动终端将简化为三部分构成∶主控晶片(终端的基带晶片或AP)、安全单元(SIM卡)与NFC类比前端晶片。

1、SIM卡介面
SIM卡引脚定义符合ISO7816带触点的积体电路卡规范,图2是SIM卡的引脚定义。其中C1、C2、C3、C5、C7五个引脚是常规SIM卡引脚;C6作为VPP(高压编程引脚)已失去作用(SIM卡可以不必外部提供VPP信号即可在内部实现EEPROM的擦写功能);C4、C8已被国际标准组织扩展为新一代SIM卡的高速介面。SIM卡与NFC类比前端的连接需要在上述8个引脚内寻取解决方案。

connect NFC chip to SIM card-2
图2.SIM卡引脚

2、C4、C8介面方案
第一代出现的NFC方案基本上采用的是NXP的方案,由类比前端晶片(PN511)与安全晶片(SmartMX)构成NFC方案,类比前端与安全晶片通过S2C汇流排界面连接。因为SmartMX安全晶片本身可以作为IC卡使用,为了适应移动运营商的要求,可以基於SmartMX晶片开发SIM卡功能,并利用保留的C4、C8两个引脚作为S2C介面连线,从而实现SIM卡与NFC的连接。为了节约SIM COS移植的工作量,也有方案是将SmartMX晶片与标准SIM卡晶片合封在一个SIM卡模组中,形成复合卡,尽管物理上NFC功能和SIM功能是相互独立的,但是达到了由移动运营商同一管理SIM卡和NFC的目的。

基於C4、C8的方案还存在另外一种形式,即直接利用双介面SIM卡。双介面SIM卡可以实现手机的非接触卡片功能,但不具备NFC的读写器功能和点对点通讯功能。

利用C4、C8引脚的方案有现成的实现方案,但主要问题是C4、C8两个保留引脚已被国际标准组织定义为大容量SIM的高速介面,与SIM卡的未来发展存在冲突,因此该方案较少被接受。

3、C6介面方案
由上节内容可以得知,采用C4、C8引脚的连接方案不被市场所认可,因此需要提出新的解决方案。分析ISO7816标准定义的卡片介面,可以看到唯一有潜力可挖的只有C6引脚。C6引脚定义为VPP,是卡片内部非挥发记忆体编程用的高压信号。IC卡内部使用的非挥发记忆体以EEPROM为主,也有使用Flash记忆体的,这类记忆体的擦除和写入都需要较高的编程电压,通常在12V~20V左右,C6引脚是被定义作为这个高压引入用的。随著半导体工艺和晶片设计技术的进步,现有的IC卡都采用晶片内部自带电荷泵电路,由VCC电源泵出非挥发记忆体需要的编程高压,所以对於C6引脚而言,VPP的电压已经不再需要由外部加入,VPP的功能过时了。围绕著C6引脚的重新定义使用,产生了一系列的解决方案。

connect NFC chip to SIM card-3
图3.SWP连接示意图

(1)SWP
SWP(Single Wire Protocol)是由Gemalto公司提出的基於C6引脚的单线连接方案。图3是SWP方案连接示意图。在SWP方案中,介面包括三根线∶VCC(C1)、GND(C5)、SWP(C6),其中SWP一根信号线上基於电压和负载调制原理实现全双工通讯,这样可以实现SIM卡在ISO7816介面定义下同时支援7816和SWP两个介面,并预留了扩展第三个高速(USB)介面的引脚。支援SWP的SIM卡必须同时支援ISO和SWP两个协定栈,需要SIM的COS是多工的OS系统,并且这两部分需要独立管理的,ISO介面的RST信号不能对SWP部分产生影响。SWP是在一根单线上实现全双工通讯,定义了S1和S2两个方向的信号,如图4所示。

connect NFC chip to SIM card-4
图4.SWP的信号定义

connect NFC chip to SIM card-5
图5.SWP介面的等效电路图

connect NFC chip to SIM card-6
图6.SWP信号的编码

S1是电压调制信号(RZ),S2是电流调制信号,实际上采用的是负载调制方式,其中S2信号必须在S1信号为高电平时才有效。图5是该介面的等效电路图,图6是SWP信号的编码。S1信号是标准的数位电压信号,SIM卡通过电压表检测S1 信号的高低变化,同时可以在S1 信号的编码基础上恢复出时钟信号;S2 信号必须在S1信号为高的阶段才有效,NFC controller晶片通过电流表检测S2信号的变化区分“1”、“0”信号。S2信号和S1信号叠加在一起,可以看到在SWP线上传输的将是准数位信号,需要特定的接收和解调电路,信号的杂讯容限稍低。SWP传输的串列传输速率可以从106kbps最高上升至2Mbps。从SWP的定义看,SWP方案同时满足ISO7816、

NFC和大容量高速介面,并且是全双工通讯,可以实现较高串列传输速率。SWP系统地定义了从物理层、链路层到应用层的多层协定,并已经上升成为ETSI的标准,正在争取成为ISO的标准,目前得到的业界支援较多。从另一个角度看,SWP方案要求SIM卡和NFC类比前端晶片同时重新设计,涉及的面比较广,市场推进的难度较大。另外,NFC应用非常关注掉电模式下的应用,SWP的S2负载调制通讯方式带来介面的功耗损失,对掉电模式下的性能有不利影响。

(2)CLFI
CLFI(ContactLess Frontend Interface)是由Sony公司提出的基於C6引脚的另一个方案。

connect NFC chip to SIM card-7
图7.CLFI连接示意图

connect NFC chip to SIM card-8

图8 CLFI信号波形

图8.RF信号和CLFI信号相较於SWP方案,CLFI在C6引脚上除了传输资料信号和时钟外,还同时传输能量。图7是CLFI连接示意图,图8是CLFI信号波形。

CLFI是Sony公司基於自有的Felica技术衍生出来的,Felica是一种13.56MHz非接触IC卡实现技术,典型的应用如香港的“八达通”。和SWP不同,CLFI不需要连接SIM卡的VCC(C1)引脚,而是SIM卡直接由CLFI信号上提取能量。CLFI信号是通过幅度调制和负载调制方式传送两个方向的信号,是半双工的通讯方式,但NFC晶片(CLF)在接收状态下也必须持续提供载波信号以使SIM卡获得能量和时钟。CLFI方案同样需要SIM卡晶片和NFC晶片同时重新设计,可以支援该方案的SIM卡晶片还未在市场上见到。

(3)MPI
MPI(Multi Protocol Interface)是Nokia公司提出的连接方案。MPI方案同时接管C6引脚和C1、C2、C3、C5、C7五个常规SIM卡引脚,通过定义协定标识PI(Protocol Identifier)来区分常规的SIM卡介面协定(TS 102 221)和非接触协定(ISO14443-4)。C6引脚被MPI定义为非接触应用的时钟信号,资料信号仍然通过C7引脚交换。MPI实现架构有两种,如图9 所示。

connect NFC chip to SIM card-9
图9.MPI实现架构

第一种实现架构,要求手机端进行改造,不支援掉电工作模式;第二种实现架构,由CLF(非接触类比前端)接管SIM卡介面,可以支援掉电模式。

MPI方案对SIM卡晶片改动要求较低,仅需要SIM晶片增加时钟输入端(C6)即可,其他功能都是在软体层解决。MPI的主要问题是需要修改基带晶片的协定栈来支援新增的MPI协定,这除了SIM卡、NFC晶片外,又多牵涉了基带晶片,推广的难度进一步加大。

4、Dual IO
从上述的几种业界出现的解决方案看,可以实现NFC应用与SIM卡的紧密连接,但都要求SIM卡、基带和NFC晶片几方面同时改动,涉及面较广,市场推广难度变高。综合上述方案的优缺点,本文提出了Dual IO方案。Dual IO方案将C6引脚扩展为NFC的资料IO介面,则SIM卡的C1、C2、C3、C5、C6、C7引脚扩展成双IO引脚的介面,C4、C8保留作为高速介面升级用。由於IC卡的应用都是半双工通讯模式,因此C6介面的定义可以设计的和C7类同,通讯串列传输速率可以采用ISO14443定义的106kbps,并可以倍频提高介面速度。

这样,SIM卡通过C7介面与基带晶片通讯,协定遵循ISO7816-4(TS102 221);通过C6介面与NFC类比前端通讯,协定可参考ISO7816-4 和ISO14443-4自定义,也可以参考SWP等其他链路层协定(需要在NFC晶片端完成SWP等协定向ISO14443协定的转换)。Dual IO介面需要解决的问题是NFC应用的时钟如何提供,这需要借用C3引脚。Dual IO连接示意图参见图10。

connect NFC chip to SIM card-10
图10.Dual IO连接方式

由於CLK信号对SIM卡而言是单一输入信号,两种模式下相互借用C3引脚非常容易实现。在7816介面,只要基带发送时钟信号,NFC晶片就转发基带时钟给SIM卡,基带和NFC资料的非同步转换由NFC晶片完成。当基带晶片处於省电模式停止输出时钟时,由NFC晶片提供射频时钟进行非接触应用操作。采用Dual IO方案的优点是实现简洁,只要SIM卡内部的MCU性能足够,Dual IO方案可以同时处理7816介面和NFC介面的资料。而市场上多数SIM晶片已具备额外的IO引脚,可以省去SIM卡晶片的重开发工作,比SWP SIM卡晶片更容易获得支援。因为C6引脚交换的是纯数位信号,不存在额外的功耗损失,对提高介面速度和掉电工作性能有较大优势。

5、Dual 7816方案
Dual IO是比较简洁的一种实现方案,但毕竟还是要求寻找具备额外IO引脚的SIM卡晶片,并不是所有晶片都能支援。因此本文进一步提出Dual 7816介面方案,可以在不涉及C6引脚的情况下实现NFC与SIM的介面。

Dual 7816方案得以成立是基於以下两点∶一是手机对SIM卡访问的时间短暂,手机在电话的接入和拨出、短信的收和发时,访问SIM卡的时间通常在开始的1秒至2秒左右,绝大部分时间SIM卡处於休眠状态;二是NFC作为卡片进行非接触交易的时间非常快,通常在几百毫秒以内可以完成。这意味SIM卡可以时分复用7816介面。

connect NFC chip to SIM card-11
图11.Dual 7816方案连接示意图

Dual 7816方案中NFC类比前端晶片具有两套7816介面引脚,内部存在如图11所示的介面开关。SIM卡与基带晶片的连接通过NFC晶片实现。正常模式下,NFC晶片直接连通基带晶片和SIM卡,保持基带对SIM的访问。当NFC手机感应到非接触射频场时,NFC晶片转换内部开关至NFC连接模式,SIM卡和NFC晶片仍旧通过7816介面进行非接触通讯,这时通讯的串列传输速率可以提高至ISO14443规定的串列传输速率。在NFC进行7816介面切换时,可能遇到以下几种情况∶

(1)SIM处於休眠状态,NFC立即接管7816介面,提供时钟唤醒SIM卡开始非接触操作。由於非接触操作时间很短,在进入NFC模式後,基带再有访问SIM卡的请求时,将由NFC晶片直接处理(回应状态查询)或通知基带晶片延迟等待,完成非接触操作後立即切换回正常模式。

(2)SIM处於工作状态。这种状态存在两种情况,一是基带正在对SIM卡进行状态查询,二是有电话或者短信操作正在访问SIM卡。情况一,状态查询的时间非常短,几十毫秒就成,非接触操作可以等待该操作完成後再接管介面,不会影响用户体验。情况二,等待时间通常在1~2秒,然後才能进入非接触模式,但在这种情况下,用户需要处理接听电话等操作,通常不会进行非接触交易动作,因此对用户体验的影响也非常小。Dual 7816方案尽管在多工处理性能上比Dual IO和SWP等方案要弱一些,但带来的好处是SIM卡无需硬体改动,仅仅需要开发一款支援Dual7816介面的NFC晶片即可。

四、建议方案

以上分析了NFC与SIM卡连接的各种方案,并提出了Dual IO和Dual 7816两种方案。NFC技术还是处於发展中的新技术,市场推广也仅现轮廓。为NFC应用推广的顺利,应该采用一种影响最小的方案。因此采用Dual 7816介面是最合适的,而Dual IO和SWP方案可以作为长远发展的备选方案。

五、总结

本文介绍和分析了NFC与SIM卡连接的多种方案,并提出了两种切实可行的建议方案,对NFC应用的推广具有现实的意义。


作者简介
石亦欣,复旦大学专用积体电路与系统国家重点实验室
李蔚,上海复旦微电子股份有限公司
 
本文刊登于413期《无线电技术》杂志。免费索阅《无线电技术》月刊,《新电子工艺》双月刊,请访问http://www.wxdjs.com

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