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NFC晶片與SIM卡連接的方案研究
日期:2007-11-15 23:20:56   作者:石亦欣,李蔚

NFC應用是目前移動通訊行業與RFID 行業所關注的熱點,NFC技術將移動終端與RFID 應用緊密的捆綁在一起,引發了一系列新的應用模式。作為NFC應用推動的主流力量,移動運營商提出了基於SIM卡實現NFC應用的需求。本文詳細分析討論了NFC晶片與SIM卡連接的方法,并提出合理的建議方案。

一、概述

IC特別是非接觸式IC卡經過十多年的發展,已深入現代生活的各個角落,被廣泛應用於公交、門禁、小額電子支付等領域。近年來,在軌道交通、物流管理、物品防偽、身份識別等需求推動下,非接觸式IC卡(或者電子標簽)技術的不斷進步,應用越來越普及,迫切需要各類非接觸IC卡識別設備。與此同時,移動通訊設備經歷20多年的迅速發展,已經幾乎成為居民人手俱備的隨身裝置,普及率非常高,并且有向移動通訊終端集成更多功能的趨勢。可以看到,RFID應用技術和移動通訊技術相結合,將激發出無數的新型應用,將是今後RFID 技術發展的熱點。

NFC(Near Field Communication近場通訊)是這幾年飛速發展的一種新興技術,由Sony、Philips和Nokia提出,它使得兩個電子設備直接可以進行短程的通訊,工作在13.56MHz頻段,工作距離幾個厘米。NFC技術目標是電子設備之間的近距離通訊,主要實現三類功能∶非接觸IC卡片類比功能;點對點資料通訊功能;讀卡機功能。NFC技術的出現,極大地促進了RFID技術與移動通訊技術的融合進展,引發出許多新的應用模式。

NFC應用的推廣需要移動終端的更新,需要跨行業的應用整合,是一個涉及多行業、多層次的復雜專案,難點非常大。移動運營商在NFC推廣中扮演著十分重要的角色,根據移動運營商的需求,NFC實現方案需要提供一種將RFID應用或者NFC應用與移動運營商關聯在一起的方案,也即需要一種將RFID應用或者NFC應與SIM卡關聯的方案。

二、NFC硬體架構

connect NFC chip to SIM card-1
圖1. NFC硬體架構

圖1是NFC硬體架構圖。NFC功能的實現由兩部分組成∶NFC類比前端(NFC Controller與天線)和安全單元。根據應用需求的不同,安全單元可以是SIM、SD、SAM或其他晶片。本文將僅討論SIM卡與NFC類比前端的連接方法。

三、SIM卡與NFC連接方式分析

不考慮SD等其他介面,一個典型的NFC移動終端將簡化為三部分構成∶主控晶片(終端的基帶晶片或AP)、安全單元(SIM卡)與NFC類比前端晶片。

1、SIM卡介面
SIM卡引腳定義符合ISO7816帶觸點的積體電路卡規范,圖2是SIM卡的引腳定義。其中C1、C2、C3、C5、C7五個引腳是常規SIM卡引腳;C6作為VPP(高壓編程引腳)已失去作用(SIM卡可以不必外部提供VPP信號即可在內部實現EEPROM的擦寫功能);C4、C8已被國際標準組織擴展為新一代SIM卡的高速介面。SIM卡與NFC類比前端的連接需要在上述8個引腳內尋取解決方案。

connect NFC chip to SIM card-2
圖2.SIM卡引腳

2、C4、C8介面方案
第一代出現的NFC方案基本上采用的是NXP的方案,由類比前端晶片(PN511)與安全晶片(SmartMX)構成NFC方案,類比前端與安全晶片通過S2C匯流排界面連接。因為SmartMX安全晶片本身可以作為IC卡使用,為了適應移動運營商的要求,可以基於SmartMX晶片開發SIM卡功能,并利用保留的C4、C8兩個引腳作為S2C介面連線,從而實現SIM卡與NFC的連接。為了節約SIM COS移植的工作量,也有方案是將SmartMX晶片與標準SIM卡晶片合封在一個SIM卡模組中,形成復合卡,盡管物理上NFC功能和SIM功能是相互獨立的,但是達到了由移動運營商同一管理SIM卡和NFC的目的。

基於C4、C8的方案還存在另外一種形式,即直接利用雙介面SIM卡。雙介面SIM卡可以實現手機的非接觸卡片功能,但不具備NFC的讀寫器功能和點對點通訊功能。

利用C4、C8引腳的方案有現成的實現方案,但主要問題是C4、C8兩個保留引腳已被國際標準組織定義為大容量SIM的高速介面,與SIM卡的未來發展存在沖突,因此該方案較少被接受。

3、C6介面方案
由上節內容可以得知,采用C4、C8引腳的連接方案不被市場所認可,因此需要提出新的解決方案。分析ISO7816標準定義的卡片介面,可以看到唯一有潛力可挖的只有C6引腳。C6引腳定義為VPP,是卡片內部非揮發記憶體編程用的高壓信號。IC卡內部使用的非揮發記憶體以EEPROM為主,也有使用Flash記憶體的,這類記憶體的擦除和寫入都需要較高的編程電壓,通常在12V~20V左右,C6引腳是被定義作為這個高壓引入用的。隨著半導體工藝和晶片設計技術的進步,現有的IC卡都采用晶片內部自帶電荷泵電路,由VCC電源泵出非揮發記憶體需要的編程高壓,所以對於C6引腳而言,VPP的電壓已經不再需要由外部加入,VPP的功能過時了。圍繞著C6引腳的重新定義使用,產生了一系列的解決方案。

connect NFC chip to SIM card-3
圖3.SWP連接示意圖

(1)SWP
SWP(Single Wire Protocol)是由Gemalto公司提出的基於C6引腳的單線連接方案。圖3是SWP方案連接示意圖。在SWP方案中,介面包括三根線∶VCC(C1)、GND(C5)、SWP(C6),其中SWP一根信號線上基於電壓和負載調制原理實現全雙工通訊,這樣可以實現SIM卡在ISO7816介面定義下同時支援7816和SWP兩個介面,并預留了擴展第三個高速(USB)介面的引腳。支援SWP的SIM卡必須同時支援ISO和SWP兩個協定棧,需要SIM的COS是多工的OS系統,并且這兩部分需要獨立管理的,ISO介面的RST信號不能對SWP部分產生影響。SWP是在一根單線上實現全雙工通訊,定義了S1和S2兩個方向的信號,如圖4所示。

connect NFC chip to SIM card-4
圖4.SWP的信號定義

connect NFC chip to SIM card-5
圖5.SWP介面的等效電路圖

connect NFC chip to SIM card-6
圖6.SWP信號的編碼

S1是電壓調制信號(RZ),S2是電流調制信號,實際上采用的是負載調制方式,其中S2信號必須在S1信號為高電平時才有效。圖5是該介面的等效電路圖,圖6是SWP信號的編碼。S1信號是標準的數位電壓信號,SIM卡通過電壓表檢測S1 信號的高低變化,同時可以在S1 信號的編碼基礎上恢復出時鐘信號;S2 信號必須在S1信號為高的階段才有效,NFC controller晶片通過電流表檢測S2信號的變化區分“1”、“0”信號。S2信號和S1信號疊加在一起,可以看到在SWP線上傳輸的將是準數位信號,需要特定的接收和解調電路,信號的雜訊容限稍低。SWP傳輸的串列傳輸速率可以從106kbps最高上升至2Mbps。從SWP的定義看,SWP方案同時滿足ISO7816、

NFC和大容量高速介面,并且是全雙工通訊,可以實現較高串列傳輸速率。SWP系統地定義了從物理層、鏈路層到應用層的多層協定,并已經上升成為ETSI的標準,正在爭取成為ISO的標準,目前得到的業界支援較多。從另一個角度看,SWP方案要求SIM卡和NFC類比前端晶片同時重新設計,涉及的面比較廣,市場推進的難度較大。另外,NFC應用非常關注掉電模式下的應用,SWP的S2負載調制通訊方式帶來介面的功耗損失,對掉電模式下的性能有不利影響。

(2)CLFI
CLFI(ContactLess Frontend Interface)是由Sony公司提出的基於C6引腳的另一個方案。

connect NFC chip to SIM card-7
圖7.CLFI連接示意圖

connect NFC chip to SIM card-8

圖8 CLFI信號波形

圖8.RF信號和CLFI信號相較於SWP方案,CLFI在C6引腳上除了傳輸資料信號和時鐘外,還同時傳輸能量。圖7是CLFI連接示意圖,圖8是CLFI信號波形。

CLFI是Sony公司基於自有的Felica技術衍生出來的,Felica是一種13.56MHz非接觸IC卡實現技術,典型的應用如香港的“八達通”。和SWP不同,CLFI不需要連接SIM卡的VCC(C1)引腳,而是SIM卡直接由CLFI信號上提取能量。CLFI信號是通過幅度調制和負載調制方式傳送兩個方向的信號,是半雙工的通訊方式,但NFC晶片(CLF)在接收狀態下也必須持續提供載波信號以使SIM卡獲得能量和時鐘。CLFI方案同樣需要SIM卡晶片和NFC晶片同時重新設計,可以支援該方案的SIM卡晶片還未在市場上見到。

(3)MPI
MPI(Multi Protocol Interface)是Nokia公司提出的連接方案。MPI方案同時接管C6引腳和C1、C2、C3、C5、C7五個常規SIM卡引腳,通過定義協定標識PI(Protocol Identifier)來區分常規的SIM卡介面協定(TS 102 221)和非接觸協定(ISO14443-4)。C6引腳被MPI定義為非接觸應用的時鐘信號,資料信號仍然通過C7引腳交換。MPI實現架構有兩種,如圖9 所示。

connect NFC chip to SIM card-9
圖9.MPI實現架構

第一種實現架構,要求手機端進行改造,不支援掉電工作模式;第二種實現架構,由CLF(非接觸類比前端)接管SIM卡介面,可以支援掉電模式。

MPI方案對SIM卡晶片改動要求較低,僅需要SIM晶片增加時鐘輸入端(C6)即可,其他功能都是在軟體層解決。MPI的主要問題是需要修改基帶晶片的協定棧來支援新增的MPI協定,這除了SIM卡、NFC晶片外,又多牽涉了基帶晶片,推廣的難度進一步加大。

4、Dual IO
從上述的幾種業界出現的解決方案看,可以實現NFC應用與SIM卡的緊密連接,但都要求SIM卡、基帶和NFC晶片幾方面同時改動,涉及面較廣,市場推廣難度變高。綜合上述方案的優缺點,本文提出了Dual IO方案。Dual IO方案將C6引腳擴展為NFC的資料IO介面,則SIM卡的C1、C2、C3、C5、C6、C7引腳擴展成雙IO引腳的介面,C4、C8保留作為高速介面升級用。由於IC卡的應用都是半雙工通訊模式,因此C6介面的定義可以設計的和C7類同,通訊串列傳輸速率可以采用ISO14443定義的106kbps,并可以倍頻提高介面速度。

這樣,SIM卡通過C7介面與基帶晶片通訊,協定遵循ISO7816-4(TS102 221);通過C6介面與NFC類比前端通訊,協定可參考ISO7816-4 和ISO14443-4自定義,也可以參考SWP等其他鏈路層協定(需要在NFC晶片端完成SWP等協定向ISO14443協定的轉換)。Dual IO介面需要解決的問題是NFC應用的時鐘如何提供,這需要借用C3引腳。Dual IO連接示意圖參見圖10。

connect NFC chip to SIM card-10
圖10.Dual IO連接方式

由於CLK信號對SIM卡而言是單一輸入信號,兩種模式下相互借用C3引腳非常容易實現。在7816介面,只要基帶發送時鐘信號,NFC晶片就轉發基帶時鐘給SIM卡,基帶和NFC資料的非同步轉換由NFC晶片完成。當基帶晶片處於省電模式停止輸出時鐘時,由NFC晶片提供射頻時鐘進行非接觸應用操作。采用Dual IO方案的優點是實現簡潔,只要SIM卡內部的MCU性能足夠,Dual IO方案可以同時處理7816介面和NFC介面的資料。而市場上多數SIM晶片已具備額外的IO引腳,可以省去SIM卡晶片的重開發工作,比SWP SIM卡晶片更容易獲得支援。因為C6引腳交換的是純數位信號,不存在額外的功耗損失,對提高介面速度和掉電工作性能有較大優勢。

5、Dual 7816方案
Dual IO是比較簡潔的一種實現方案,但畢竟還是要求尋找具備額外IO引腳的SIM卡晶片,并不是所有晶片都能支援。因此本文進一步提出Dual 7816介面方案,可以在不涉及C6引腳的情況下實現NFC與SIM的介面。

Dual 7816方案得以成立是基於以下兩點∶一是手機對SIM卡訪問的時間短暫,手機在電話的接入和撥出、短信的收和發時,訪問SIM卡的時間通常在開始的1秒至2秒左右,絕大部分時間SIM卡處於休眠狀態;二是NFC作為卡片進行非接觸交易的時間非常快,通常在幾百毫秒以內可以完成。這意味SIM卡可以時分復用7816介面。

connect NFC chip to SIM card-11
圖11.Dual 7816方案連接示意圖

Dual 7816方案中NFC類比前端晶片具有兩套7816介面引腳,內部存在如圖11所示的介面開關。SIM卡與基帶晶片的連接通過NFC晶片實現。正常模式下,NFC晶片直接連通基帶晶片和SIM卡,保持基帶對SIM的訪問。當NFC手機感應到非接觸射頻場時,NFC晶片轉換內部開關至NFC連接模式,SIM卡和NFC晶片仍舊通過7816介面進行非接觸通訊,這時通訊的串列傳輸速率可以提高至ISO14443規定的串列傳輸速率。在NFC進行7816介面切換時,可能遇到以下幾種情況∶

(1)SIM處於休眠狀態,NFC立即接管7816介面,提供時鐘喚醒SIM卡開始非接觸操作。由於非接觸操作時間很短,在進入NFC模式後,基帶再有訪問SIM卡的請求時,將由NFC晶片直接處理(回應狀態查詢)或通知基帶晶片延遲等待,完成非接觸操作後立即切換回正常模式。

(2)SIM處於工作狀態。這種狀態存在兩種情況,一是基帶正在對SIM卡進行狀態查詢,二是有電話或者短信操作正在訪問SIM卡。情況一,狀態查詢的時間非常短,幾十毫秒就成,非接觸操作可以等待該操作完成後再接管介面,不會影響用戶體驗。情況二,等待時間通常在1~2秒,然後才能進入非接觸模式,但在這種情況下,用戶需要處理接聽電話等操作,通常不會進行非接觸交易動作,因此對用戶體驗的影響也非常小。Dual 7816方案盡管在多工處理性能上比Dual IO和SWP等方案要弱一些,但帶來的好處是SIM卡無需硬體改動,僅僅需要開發一款支援Dual7816介面的NFC晶片即可。

四、建議方案

以上分析了NFC與SIM卡連接的各種方案,并提出了Dual IO和Dual 7816兩種方案。NFC技術還是處於發展中的新技術,市場推廣也僅現輪廓。為NFC應用推廣的順利,應該采用一種影響最小的方案。因此采用Dual 7816介面是最合適的,而Dual IO和SWP方案可以作為長遠發展的備選方案。

五、總結

本文介紹和分析了NFC與SIM卡連接的多種方案,并提出了兩種切實可行的建議方案,對NFC應用的推廣具有現實的意義。


作者簡介
石亦欣,復旦大學專用積體電路與系統國家重點實驗室
李蔚,上海復旦微電子股份有限公司
 
本文刊登于413期《無線電技術》雜志。免費索閱《無線電技術》月刊,《新電子工藝》雙月刊,請訪問http://www.wxdjs.com

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