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1、 基于 NFC 技术的 SWP 方案以及在 SIM 卡中的实现方法近几年，手机已经不再是简单的通信工具，它已经成为便携的娱乐工具，将来有望发展为可信赖的支付工具，在消费、购物、交通等领域通过手机方便、快捷地完成支付。基于手机的新需求，移动支付应运而生，并逐渐成为移动运营商、手机制造商、SIM 卡制造商研究的热点问题。移动支付的解决方案比较多，其中双界面 SIM 卡方案和近距离通信(Near Field Communication，NFC)方案比较可行。双界面 SIM 卡方案已经有产品面世，近距离通信方案正在研发阶段。双界面 SIM 卡方案通过在 SIM 卡中增加非接触 IC 卡界面进行非接触通
2、信。天线连接在 SIM 卡尚未使用的 C4 和 C8 这两个接口上。双界面 SIM 卡在手机中增加了非接触 IC 卡的功能，但没有实现阅读器和点对点通信功能。NFC 是由 NXP 公司和索尼公司提出的超短距离无线通信技术，它使得两台兼容 NFC 的设备之间可以直观、便捷、安全地通信。NFC 的主要应用是移动小额支付，还可以应用于门禁、公交等领域。与双界面 SIM 卡方案相比，NFC 方案的优势体现在以下方面：NFC 方案可以实现更多的应用;在 NFC 芯片与 SIM 卡的连接使用 C6(SWP)触点，并不影响 SIM 卡高速空中数据下载;NFC 方案是一套完善的解决方案，可以提供可靠、安全、便
3、捷的通信;NFC 方案完全兼容现有的读写器，不需要对读写器进行任何更改。综上所述，近距离通信 NFC 是移动非接触支付业务最可行的解决方案，而 SWP 连接方案则是 NFC 技术的一部分。1、近距离通信概述、近距离通信概述近距离通信是短距离非接触式的一种，工作于 13.56 MHz 频带，传输距离在 10 cm以内;传输速度目前可以达到 106 kbps、212 kbps、424 kbps，理想速率可以达到 1 Mbps左右。NFC 所使用的频率与目前流行的非接触智能卡相同，同时兼容以 ISO14443 A/B为基础的感应式非接触通信，以及 Philips 公司的 MIFARE 技术和索尼公司
4、的 FeliCa 技术。1.1 近距离通信原理根据 ISO18092 标准，近距离通信可以工作在主动模式和被动模式。进行通信之前，可以选择传输速率 106 kbps、212 kbps、424 kbps 中的一种，并可以在这三者间任意切换。1.1.1 被动模式通信原理在被动模式下，近距离通信的通信原理与 RFID 一样，都是依靠电磁感应耦合原理完成通信。NFC 手机有一块 NFC 芯片，内置有天线，用来接收和发送无线数据。NFC 工作在被动模式时，阅读器启动 NFC 通信，称为 NFC 发起设备(主设备)，在整个通信过程中提供射频域。NFC 发起设备选择 3 种速率的一种传输数据，ISO1809
5、2 标准规定了每种传输速率使用的调制、编码技术。NFC 目标设备(从设备)不必产生射频域，而使用负载调制(load modulation)技术，以相同的速度将数据传回发起设备。此通信机制与基于 ISO14443 A/B、Mifare 和 FeliCa 的非接触式智能卡兼容，因此，在被动模式下，NFC 发起设备可以用相同的连接和初始化过程检测非接触式智能卡或 NFC 目标设备，并与之建立联系。就近距离通信应用的角度而言，其应用模式分为 3 种：标签模式、阅读器模式、点对点模式。标签模式，即 NFC 芯片作为被动设备使用，其作用相当于应答器。为了保证数据的安全性，在更换手机后不至于重新设置密钥信息
6、，需要在 SIM 卡中保存移动支付的密钥信息。通信设备包括阅读器、NFC 芯片和 SIM 卡。此时，NFC 芯片提供射频接口，负责转发射频数据给 SIM 卡。对 SIM 卡而言，不需要像双界面 SIM 卡那样增加非接触接口，而使用 SWP 接口实现与 NFC 芯片的连接。在标签模式下，NFC 芯片类似于桥接器，在阅读器和 SIM 卡之间转发数据。NFC 芯片是嵌入手机中的芯片，由手机的电源系统供电。为了保证手机没电时移动支付的正常进行，标签模式需要支持无源工作，其工作原理基于电磁感应。阅读器的天线线圈产生高频的强电磁场，这种磁场穿过线圈横截面和线圈周围的空间。发射磁场的一部分磁力线穿过距阅读器
7、线圈有一定距离的应答器的天线线圈。通过感应在天线线圈上产生电压，将其整流后作为电源提供给 NFC 芯片和 SIM 卡。1.1.2 主动模式通信原理在主动模式下，NFC 发起设备要发送数据给目标设备时，必须产生自己的射频场;被读 NFC 设备发送响应给发起设备时，也要产生自己的射频场。发起设备和目标设备都要产生自己的射频场，这是对等网络通信的标准模式，可以获得非常快速的连接设置。移动设备主要工作在被动模式，可以大幅降低功耗，并延长电池寿命。主动模式主要是针对点对点模式，用于笔记本、手机、数码相机之间的数据交换。1.2 近距离通信与 RFID 的关系NFC 是一种基于 RFID 的无线通信技术，二
8、者都工作在 13.56 MHz 频带。在标签模式下，NFC 利用 RFID 的通信原理，都基于无线频率的电磁感应耦合原理。但是 NFC 技术是无线通信的新技术，与 RFID 还是有区别的：NFC 技术增加了点对点通信功能，可以快速建立蓝牙设备之间的 P2P(点对点)无线通信，NFC 设备彼此寻找对方并建立通信连接。P2P 通信的双方设备是对等的，而 RFID 通信的双方设备是主从关系。2、 、SWP 标标准及准及连连接方案接方案2.1 SWP 标准SWP 连接方案基于 ETSI(欧洲电信标准协会)的 SWP 标准，该标准规定了 SIM 卡和NFC 芯片之间的通信接口。SWP(单线协议)是在一根
9、单线上实现全双工通信，即 S1 和 S2 这两个方向的信号，如图 1 所示。通信的双方是 UICC(Universal Integrated Circuit Card，通用集成芯片卡)和CLF(Contactless Front end,非接触前端)。S1 是电压信号，SIM 卡通过电压表检测 S1 信号的高低电平，采用电平宽度调制;S2 信号是电流信号，采用负载调制方式。S2 信号必须在 S1 信号为高电平时才有效，S1 信号为高电平时导通其内部的一个三极管，S2 信号才可以传输。S1 信号和 S2 信号叠加在一起，在一条单线上实现全双工通信。图1 SWP信号定义图2 S1信号的编码S1 信
10、号的编码如图 2 所示，逻辑 1 在 3/4 周期(3/4T)内为高电平，逻辑 0 在 1/4 周期(1/4T)内为高电平。S2 信号在 S1 信号为高时有效，在 S1 信号为低时才能进行由低电平到高电平之间的切换。SWP 有 3 种传输速率：212 kbps、424 kbps、848 kbps，对数据位进行扩展之后，传输速率可以达到 1 696 kbps。SWP 协议是关于物理层和数据链路层的协议。物理层负责 UICC 和 CLF 之间物理链路的激活、保持、解除等工作。SWP 协议要求 UICC 的工作电压为 1.83.3 V。与 OSI 协议类似，数据链路层分为 MAC(媒介访问控制)层和
11、链路控制层。在 MAC层采用位填充的成帧方法。链路控制层包括 3 种类型的帧协议：ACT 协议、SHDLC 协议以及 CLT(非接触通道)协议。在 SWP 接口的设计中，使用了前两种协议。ACT 协议是接口激活协议，用于激活 SWP 接口。在没有射频场时，SWP 接口处于去激活状态。在标签模式下，感应到外界存在射频场后，NFC 芯片被激活，UICC 收到 NFC芯片的高电平信号后，使用 ACT 帧建立物理链路的连接。SHDLC 协议是 ISO 制定的高级数据链路控制规范的简单版本，也是面向位的同步链路。该协议主要用来传输交互的数据信息，其信息帧承载上层 HCP(主机控制协议)的包数据。此外，S
12、HDLC 协议还具有流控管理、错误检查、出错后数据重传等功能。为了保证数据的正确发送与接收，兼容 NFC 芯片与 UICC 不同速率传输的通信能力，在使用 SHDLC 协议通信前，首先要建立数据链路，双方协商滑动窗口的大小。2.2 SWP 连接方案本文中，CLF 嵌入在手机内部，UICC 使用的是 SIM 卡，手机通过 SIM 卡与 NFC 芯片通信。NFC 芯片与 SIM 卡的连接方案有多种，本文提出的是基于 C6 引脚的 SWP(单线协议)方案。SWP 协议连接手机 NFC 芯片与 SIM 卡，规定两者之间的通信接口。图 3是 SWP 连接方案的示意图。图3 SWP连接方案示意图本方案中使
13、用了 SIM 卡的 3 个引脚连接 NFC 芯片：C1(VCC)、C5(GND)、C6(SWP)。其中，SWP 引脚在一根单线上基于电压和负载调制原理实现全双工通信。SIM 卡支持ISO7816 和 SWP 两个接口，在大容量卡项目中还支持高速下载接口，通过预留的 C4 和C8 接口来实现。支持 SWP 的 SIM 卡必须同时支持两个协议栈：ISO7816 和 SWP 协议栈，这需要 SIM 卡的 COS(片上操作系统)是多任务系统。SIM 卡需要单独管理这两个协议栈。SWP 方案加入 SIM 卡系统后，不能影响ISO7816 接口。举个例子，SIM 卡有 8 个引脚，RST 引脚用于复位 S
14、IM 卡的 ISO7816 接口，SWP 方案加入 SIM 卡后，RST 引脚的 Reset 信号对 SWP 接口没有作用，SWP 接口通过 SWP 引脚复位。3、 、SWP 连连接方案在接方案在 SIM 卡中的卡中的设计设计3.1 系统结构大容量 SIM 卡是一种支持大容量存储、高速传输、具有新型应用的智能卡。我们研发的大容量 SIM 卡项目基于 ARM Secure Core SC100 内核，采用 AHB(高性能总线)+APB(高级外设总线)总线结构。AHB 总线提供高速的数据传输，它连接 SIM 卡内部存储器和高速外部接口(USB 接口)。APB 总线通过桥接器与 AHB 总线相连，S
15、IM 卡的低速接口(SWP 接口、ISO7816 接口)挂靠在外设总线上。3.2 硬件设计SWP 硬件设计基于 SWP 标准，即 ETSI(欧洲电信标准协会)制订的的 TS 102 613。SWP 控制器和 SWP 接口共同组成了 SWP 方案的硬件设备。SWP 控制器负责处理物理层和数据链路层逻辑。图 4 为硬件实现数据链路层逻辑时 SIM 卡内部 SWP 控制器的结构图。图4 SWP控制器结构图3.2.1 接收数据设计在 SIM 卡和 NFC 芯片通信期间，SWP 控制器在激活、挂起、去激活三种状态间切换。交换数据时，处于激活状态。Rx 解码器不停地检测 Si 信号，并将来自 NFC 芯片
16、的单位数据解析为字节输出。Frame. resolve 分析接收到的每一字节的数据，若为 7E(帧头)，则继续接收数据，直到接收到 7F(帧尾)，表明 SWPC 接收到一帧完整的数据。Frame. resolve 进一步解析接收到的数据帧，首先根据 MAC 协议剥离帧头和帧尾，然后根据接收方的生成多项式对数据帧进行校验。如果数据正确，则识别出 SHDLC 数据帧的类型并作相应处理;如果数据错误，则发送拒收帧，要求对方重新发送。对于正确的信息帧，SWP 控制器提取信息帧的信息数据(包)写入 RX FIFO，并根据接收到的数据帧的字节个数设置控制器的状态寄存器。SWP 控制器每接收一帧数据就发起一个硬件中断。3.2.2 发送数据设计SWP 控制器发送数据和接收数据是相反的过程。如果上层应用有数据要发送时，会把数据写入 TX FIFO。TX FIFO 一旦检测到 FIFO 有数据，就启动发送模块把数据从 TX FIFO 中取出，经 Frame. assemble 按照 SWP 协议的 SHDLC 协议组装信息帧，添加帧头、帧尾、校验码。把生成的 MAC 帧数据交给 Tx 编码器，
