1、NFC 技術(shù)的 SWP 方案在 SIM 卡中的實(shí)現(xiàn)方法介紹：近距離通信(NearFieldCommunication,NFC)是一種基于 RFID(射頻識(shí)別)的無(wú)線通信技術(shù)。在標(biāo)簽?zāi)Ｊ较?，近距離通信與 RFID 的通信原理類似。本文基于標(biāo)簽?zāi)Ｊ降耐ㄐ旁?，提出了一種連接 NFC 芯片與 SIM 卡的 SWP(SingleWireProtocol,單線協(xié)議)方案， 并對(duì) SWP 連接方案在SIM 卡中的實(shí)現(xiàn)作了簡(jiǎn)單介紹。引言近幾年，手機(jī)已經(jīng)不再是簡(jiǎn)單的通信工具，它已經(jīng)成為便攜的娛樂工具，將來(lái)有望發(fā)展為可信賴的支付工具，在消費(fèi)、購(gòu)物、交通等領(lǐng)域通過手機(jī)方便、快捷地完成支付?；谑謾C(jī)的新需求，移動(dòng)支

2、付應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸成為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商、手機(jī)制造商、SIM 卡制造商研究的熱點(diǎn)問題。移動(dòng)支付的解決方案比較多，其中雙界面 SIM 卡方案和近距離通信(NearFieldCommunication,NFC)方案比較可行。 雙界面 SIM 卡方案已經(jīng)有產(chǎn)品面世， 近距離通信方案正在研發(fā)階段。雙界面 SIM 卡方案通過在 SIM 卡中增加非接觸 IC 卡界面進(jìn)行非接觸通信。天線連接在SIM 卡尚未使用的 C4 和 C8 這兩個(gè)接口上。雙界面 SIM 卡在手機(jī)中增加了非接觸 IC 卡的功能，但沒有實(shí)現(xiàn)閱讀器和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信功能。NFC 是由 NXP 公司和索尼公司提出的超短距離無(wú)線通信技術(shù)，它使得兩臺(tái)兼容 NF

3、C 的設(shè)備之間可以直觀、便捷、安全地通信。NFC 的主要應(yīng)用是移動(dòng)小額支付，還可以應(yīng)用于門禁、公交等領(lǐng)域。與雙界面 SIM 卡方案相比，NFC 方案的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下方面:NFC 方案可以實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用；在 NFC 芯片與 SIM 卡的連接使用 C6(SWP)觸點(diǎn)，并不影響 SIM 卡高速空中數(shù)據(jù)下載；NFC 方案是一套完善的解決方案，可以提供可靠、安全、便捷的通信；NFC 方案完全兼容現(xiàn)有的讀寫器，不需要對(duì)讀寫器進(jìn)行任何更改。綜上所述， 近距離通信 NFC 是移動(dòng)非接觸支付業(yè)務(wù)最可行的解決方案， 而 SWP 連接方案則是 NFC技術(shù)的一部分。1 近距離通信概述近距離通信是短距離非接觸式的一種，

4、工作于 13.56MHz 頻帶，傳輸距離在 10cm 以內(nèi)；傳輸速度目前可以達(dá)到 106kbps、212kbps、424kbps,理想速率可以達(dá)到 1Mbps 左右。NFC 所使用的頻率與目前流行的非接觸智能卡相同，同時(shí)兼容以 ISO14443A/B 為基礎(chǔ)的感應(yīng)式非接觸通信，以及 PHILIPS 公司的 MIFARE 技術(shù)和索尼公司的 FeliCa 技術(shù)。1.1近距離通信原理根據(jù) ISO18092 標(biāo)準(zhǔn)，近距離通信可以工作在主動(dòng)模式和被動(dòng)模式。進(jìn)行通信之前，可以選擇傳輸速率 106kbps、212kbps、424kbps 中的一種，并可以在這三者間任意切換。1.1.1被動(dòng)模式通信原理在被動(dòng)模

5、式下，近距離通信的通信原理與 RFID 一樣，都是依靠電磁感應(yīng)耦合原理完成通信。NFC 手機(jī)有一塊 NFC 芯片，內(nèi)置有天線，用來(lái)接收和發(fā)送無(wú)線數(shù)據(jù)。NFC 工作在被動(dòng)模式時(shí)，閱讀器啟動(dòng) NFC 通信，稱為 NFC 發(fā)起設(shè)備（主設(shè)備），在整個(gè)通信過程中提供射頻域。NFC 發(fā)起設(shè)備選擇 3 種速率的一種傳輸數(shù)據(jù)，ISO18092 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了每種傳輸速率使用的調(diào)制、編碼技術(shù)。NFC 目標(biāo)設(shè)備（從設(shè)備）不必產(chǎn)生射頻域，而使用負(fù)載調(diào)制（loadmodulation）技術(shù)，以相同的速度將數(shù)據(jù)傳回發(fā)起設(shè)備。此通信機(jī)制與基于ISO14443A/B、Mifare 和 FeliCa 的非接觸式智能卡兼容，因此，

6、在被動(dòng)模式下，NFC發(fā)起設(shè)備可以用相同的連接和初始化過程檢測(cè)非接觸式智能卡或 NFC 目標(biāo)設(shè)備，并與之建立聯(lián)系1。就近距離通信應(yīng)用的角度而言，其應(yīng)用模式分為 3 種：標(biāo)簽?zāi)Ｊ?、閱讀器模式、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式。標(biāo)簽*II 式，即 NFC 芯片作為被動(dòng)設(shè)備使用，其作用相當(dāng)于應(yīng)答器。為了保證數(shù)據(jù)的安全性，在更換手機(jī)后不至于重新設(shè)置密鑰信息，需要在 SIM 卡中保存移動(dòng)支付的密鑰信息。通信設(shè)備包括閱讀器、NFC 芯片和 SIM 卡。此時(shí)，NFC 芯片提供射頻接口，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)射頻數(shù)據(jù)給 SIM 卡。對(duì) SIM 卡而言，不需要像雙界面 SIM 卡那樣增加非接觸接口，而使用 SWP 接口實(shí)現(xiàn)與 NFC 芯片的連接。在

7、標(biāo)簽?zāi)Ｊ较?，NFC 芯片類似于橋接器，在閱讀器和SIM 卡之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。NFC 芯片是嵌入手機(jī)中的芯片， 由手機(jī)的電源系統(tǒng)供電。 為了保證手機(jī)沒電時(shí)移動(dòng)支付的正常進(jìn)行，標(biāo)簽?zāi)Ｊ叫枰С譄o(wú)源工作，其工作原理基于電磁感應(yīng)。閱讀器的天線線圈產(chǎn)生高頻的強(qiáng)電磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)穿過線圈橫截面和線圈周圍的空間。發(fā)射磁場(chǎng)的一部分磁力線穿過距閱讀器線圈有一定距離的應(yīng)答器的天線線圈2。通過感應(yīng)在天線線圈上產(chǎn)生電壓，將其整流后作為電源提供給 NFC 芯片和 SIM 卡。1.1.2主動(dòng)模式通信原理在主動(dòng)模式下，NFC 發(fā)起設(shè)備要發(fā)送數(shù)據(jù)給目標(biāo)設(shè)備時(shí)，必須產(chǎn)生自己的射頻場(chǎng)；被讀NFC 設(shè)備發(fā)送響應(yīng)給發(fā)起設(shè)備時(shí)，也要產(chǎn)生自己

8、的射頻場(chǎng)。發(fā)起設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備都要產(chǎn)生自己的射頻場(chǎng)，這是對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)模式，可以獲得非?？焖俚倪B接設(shè)置1。移動(dòng)設(shè)備主要工作在被動(dòng)模式，可以大幅降低功耗，并延長(zhǎng)電池壽命。主動(dòng)模式主要是針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，用于筆記本、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。1.2 近距離通信與 RFID 的關(guān)系NFC 是一種基于 RFID 的無(wú)線通信技術(shù)，二者都工作在 13.56MHz 頻帶。在標(biāo)簽?zāi)Ｊ较?，NFC 利用RFID 的通信原理，都基于無(wú)線頻率的電磁感應(yīng)耦合原理。但是 NFC 技術(shù)是無(wú)線通信的新技術(shù)，與 RFID 還是有區(qū)別的：NFC 技術(shù)增加了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信功能，可以快速建立藍(lán)牙設(shè)備之間的 P2P（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）無(wú)線通信，

9、NFC 設(shè)備彼此尋找對(duì)方并建立通信連接。P2P 通信的雙方設(shè)備是對(duì)等的，而 RFID 通信的雙方設(shè)備是主從關(guān)系。2SWP 標(biāo)準(zhǔn)及連接方案SWP 標(biāo)準(zhǔn)3SWP 連接方案基于 ETSI（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）的 SWP 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 SIM 卡和 NFC 芯片之間的通信接口。SWP（單線協(xié)議）是在一根單線上實(shí)現(xiàn)全雙工通信，即 S1 和 S2 這兩個(gè)方向的信號(hào)，如圖 1 所示。通信的雙方是 UICC （UniversalIntegratedCircuitCard,通用集成芯片卡） 和 CLF （ContactlessFrontend,非接觸前端）。S1 是電壓信號(hào)，SIM 卡通過電壓表檢測(cè)S1 信

10、號(hào)的高低電平，采用電平寬度調(diào)制；S2 信號(hào)是電流信號(hào)，采用負(fù)載調(diào)制方式。S2 信號(hào)必須在 S1 信號(hào)為高電平時(shí)才有效，S1 信號(hào)為高電平時(shí)導(dǎo)通其內(nèi)部的一個(gè)三極管，S2 信號(hào)才可以傳輸。S1 信號(hào)和 S2 信號(hào)疊加在一起，在一條單線上實(shí)現(xiàn)全雙工通信4。圖1SWP信號(hào)定義*i圖2S1信號(hào)的編碼S1 信號(hào)的編碼如圖 2 所示，邏輯 1 在 3/4 周期（3/4T）內(nèi)為高電平，邏輯 0 在1/4周期（1/4T）內(nèi)為高電平。 S2 信號(hào)在 S1 信號(hào)為高時(shí)有效， 在 S1 信號(hào)為低時(shí)才能進(jìn)行由低電平到高電平的切換。 SWP有 3 種傳輸速率：212kbps、424kbps、848kbps,對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行擴(kuò)

11、展之后，傳輸速率可以達(dá)到 1696kbps。SWP 協(xié)議是關(guān)于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。物理層負(fù)責(zé) UICC 和 CLF 之間物理鏈路的激活、保持、解除工作。SWP 協(xié)議要求 UICC 的工作電壓為 1.83.3V。與 OSI 協(xié)議類似，數(shù)據(jù)鏈路層分為 MAC（媒介訪問控制）層和鏈路控制層。在層采用位填充的成幀方法。鏈路控制層包括 3 種類型的幀協(xié)議：ACT 協(xié)議、SHDLC 協(xié)議以及 CLT（非接觸通道）協(xié)議。在 SWP 接口的設(shè)計(jì)中，使用了前兩種協(xié)議。ACT 協(xié)議是接口激活協(xié)議，用于激活 SWP 接口。在沒有射頻場(chǎng)時(shí)，SWP 接口處于去激活狀態(tài)。在標(biāo)簽?zāi)Ｊ较?，感?yīng)到外界存在射頻場(chǎng)后，NFC

12、 芯片被激活，UICC 收到 NFC 芯片的高電平信號(hào)后，使用 ACT 幀建立物理鏈路的連接。SHDLC 協(xié)議是 ISO 制定的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)范的簡(jiǎn)單版本，也是面向位的同步鏈路。該協(xié)議主要用來(lái)傳輸交互的數(shù)據(jù)信息，其信息幀承載上層 HCP（主機(jī)控制協(xié)議）的包數(shù)據(jù)。此外，SHDLC 協(xié)議還具有流控管理、錯(cuò)誤檢查、出錯(cuò)后數(shù)據(jù)重傳等功能。為了保證數(shù)據(jù)的正確發(fā)送與接收，兼容 NFC 芯片與 UICC 不同速率傳輸?shù)耐ㄐ拍芰?，在使?SHDLC 協(xié)議通信前，首先要建立數(shù)據(jù)鏈路，雙方協(xié)商滑動(dòng)窗口的大小。2.2SWP 連接方案本文中，CLF 嵌入在手機(jī)內(nèi)部，UICC 使用的是 SIM 卡，手機(jī)通過 SIM

13、 卡與 NFC 芯片通信。NFC芯片與 SIM 卡的連接方案有多種，本文提出的是基于 C6 引腳的 SWP（單線協(xié)議）方案。SWP 協(xié)議連接手機(jī) NFC 芯片與 SIM 卡，規(guī)定兩者之間的通信接口。圖 3 是 SWP 連接方案的示意圖。MAC圖3SWP連接方案示意圖本方案使用了 SIM 卡的 3 個(gè)引腳連接 NFC 芯片：C1（VCC）、C5（GND）、C6（SWP）。其中，SWP 引腳在一根單線上基于電壓和負(fù)載調(diào)制原理實(shí)現(xiàn)全雙工通信。SIM 卡支持ISO7816 和 SWP 兩個(gè)接口，在大容量卡項(xiàng)目中還支持高速下載接口，通過預(yù)留的 C4 和 C8 接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。支持 SWP 的 SIM 卡必須

14、同時(shí)支持兩個(gè)協(xié)議棧一一 ISO7816 和 SWP 協(xié)議棧，這需要 SIM 卡的 COS（片上操作系統(tǒng)）是多任務(wù)系統(tǒng)。SIM 卡需要單獨(dú)管理這兩個(gè)協(xié)議棧。SWP 方案加入 SIM 卡系統(tǒng)后，不能影響 ISO7816 接口。舉個(gè)例子， SIM 卡有 8 個(gè)引腳， RST 引腳用于復(fù)位 SIM 卡的 ISO7816 接口， SWP 方案加入 SIM 卡后， RST弓 I 腳的 Reset 信號(hào)對(duì) SWP 接口沒有作用，SWP 接口通過 SWP 引腳復(fù)位。3SWP 連接方案在 SIM 卡中的設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大容量 SIM 卡是一種支持大容量存儲(chǔ)、高速傳輸、具有新型應(yīng)用的智能卡。我們研發(fā)的大容量 SIM卡

15、項(xiàng)目基于 ARMSecureCoreSC100 內(nèi)核，采用 AHB（高性能總線）+APB（高級(jí)外設(shè)總線）總線結(jié)構(gòu)。AHB 總線提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，它連接 SIM 卡內(nèi)部存儲(chǔ)器和高速外部接口（USB 接口）。APB 總線通過橋接器與 AHB 總線相連，SIM 卡的低速接口（SWP 接口、ISO7816 接口）掛靠在外設(shè)總線上。硬件設(shè)計(jì)SWP 硬件設(shè)計(jì)基于 SWP 標(biāo)準(zhǔn)，即 ETSI（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）制訂的的SWP 控制器和 SWP 接口共同組成了 SWP 方案的硬件設(shè)備。SWP 控制器負(fù)責(zé)處理物理層和數(shù)據(jù)鏈路層邏輯。圖 4 為硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層邏輯時(shí) SIM 卡內(nèi)部 SWP 控制器的結(jié)構(gòu)圖。圖

16、4SWP控制器結(jié)構(gòu)圖接收數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)在 SIM 卡和 NFC 芯片通信期間，SWP 控制器在激活、掛起、去激活三種狀態(tài)間切換。交換數(shù)據(jù)時(shí)，處于激活狀態(tài)。Rx 解碼器不停地檢測(cè) Si 信號(hào)，并將來(lái)自 NFC 芯片的單位數(shù)據(jù)解析為字節(jié)輸出。Frame.resolve 分析接收到的每一字節(jié)的數(shù)據(jù)，若為 7E（幀頭），則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，直到接收到 7F（幀尾），表明 SWPC 接收到一幀完整的數(shù)據(jù)。Frame.resolve進(jìn)一步解析接收到的數(shù)據(jù)幀，首先根據(jù) MAC 協(xié)議剝離幀頭和幀尾，然后根據(jù)接收方的生成多項(xiàng)式對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)。如果數(shù)據(jù)正確，則識(shí)別出 SHDLC 數(shù)據(jù)幀的類型并作相應(yīng)處理；如果數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，則

17、發(fā)送拒收幀，要求對(duì)方重新發(fā)送。對(duì)于正確的信息幀，SWP 控制器提取信息幀的信息數(shù)據(jù)（包）寫入 RXFIFO,并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀的字節(jié)個(gè)數(shù)設(shè)置控制器的狀態(tài)寄存器。SWP 控制器每接收一幀數(shù)據(jù)就發(fā)起一個(gè)硬件中斷。發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)TS102613。2sHImmcKMI1fl*MhIr;niLSWP 控制器發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)是相反的過程。如果上層應(yīng)用有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，會(huì)把數(shù)據(jù)寫入 TXFIFO。TXFIFO 一旦檢測(cè)到 FIFO 有數(shù)據(jù)，就啟動(dòng)發(fā)送模塊把數(shù)據(jù)從 TXFIFO 中取出，經(jīng) Frame.assemble 按照 SWP 協(xié)議的 SHDLC 協(xié)議組裝信息幀，添加幀頭、幀尾、校驗(yàn)碼。把生成的 MAC

18、 幀數(shù)據(jù)交給 Tx 編碼器，完成輸出數(shù)據(jù)的物理層組裝，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成單個(gè)位電平輸出。軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)SWP 軟件設(shè)方 f 基于 SWP 標(biāo)準(zhǔn)和 HCP（主機(jī)控制協(xié)議）標(biāo)準(zhǔn)。HCP 標(biāo)準(zhǔn)是 SWP 協(xié)議之上的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，定義了數(shù)據(jù)鏈路層之上的協(xié)議層一一 HCP 路由層、HCP 消息層以及應(yīng)用層5。底層 SWP 協(xié)議和上層 HCP 協(xié)議組成的協(xié)議棧共同完成 NFC 芯片與 UICC 通信的完整協(xié)議。在大容量 SIM 卡中采用 SWP 方案，要實(shí)現(xiàn) ISO7816 協(xié)議棧和 SWP 協(xié)議棧。SIM 卡的操作系統(tǒng)使用 wC/OS。pC/OS 是一種結(jié)構(gòu)小巧、搶占式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度和管理、時(shí)間管理、任務(wù)同步和通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能。在軟件系統(tǒng)中，SWP 軟件模塊是 wC/OS 的任務(wù)之一