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1、NFC技术的SWP方案在S I M卡中的实现方法介绍：近距离通信(Near Field Communication FC)是一种基于RFID(射 频识别)的无线通信技术。在标签模式下,近应巨离通信与RFID的通信原理类似。本文基于 标签模式的通信原理,提岀了 一种连接N FC芯片与SI M卡的SWP( Singl e Wire P rotocol,单线协议)方案，并对SWP连接方案在SI M卡中的实现作了简单介绍。引言近几年，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
2、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具中双界面SIM卡方葯近距离通信(Near F i eld Comm u nica t ion , 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信。天线连接 在SIM卡尚未使用的C4和C 8这两个接口上。双界面SI M卡在手机中增加了非接触I C 卡的功能，但没有实现阅读器和点对点通信功能。N FC是由NXP公司和索尼公司提出的超 短5巨离无线通信技术，它使得两台兼容N FC的设备之间
3、可以直观、便捷、安全地通信。N FC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N F C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； a NFC方案是一套完善的解决方案,可以提供可靠、安全、便捷的通信；N FC方案完全兼容现有的读写器，不需要对读写器进行但可更改。综上所述，近距离通信N FC是移动非接触支付业务最可行的解决方案，而S WP连接方案 则是N FC技术的一部分。1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13.5 6 MHz频带，传输
4、距离在10 cm 以内；传输速度目前可以达到10 6kbps、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M I F A RE技术和索尼 公司的F eli Ca技术。1.1近距离通信原理根据ISO18 0 9 2标准，近距离通信可以工作在主动模式和被动模式。逬行通信之前， 可以选择传输速率106 kbps、212 kb p s、424 kbp s中的一种，并可以在这三者间任意 切换。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
5、R FID 样，都是依靠电磁感应耦合原令成通 信。NFC手机有一块N FC芯片，内置有天线，用来接收和发送无线数据。N FC工作在被动模式时，阅读器启动N F C通信，称为N F C发起设备（主设备），在整个通信过程中提供射频域。N F C发起设备选择3种速率的一种传输数据,ISO1809 2标准规 走了每种传输速率使用的调制、编码技术。N FC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F el i Ca的非接触式智能卡兼容，因此，在被动模式 下,NFC发起设
6、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N F C目标设备， 并与之建立联系1。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N F C芯片作为被动设备使用具作用相当于应答器。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,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、N F C芯片SI M卡。此时，N F C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N F C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
7、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 过距阅读器线圈有一走距离的应答器的天线线圈2。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。主动模式通信原理在主动模式下，NFC发起设备要发送哋给目标设备时，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
8、准模式,可以获得非常快速的连接设置1 O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:N FC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P 2P（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R F ID
9、通信的双方设备是主从关系。2 SWP标准及连接方案2.1SWP 标准3 SWP连接方案基于ETSI（欧洲电信标准协会）的SWP标准,该标准规走了 SIM卡和N F C芯片之间的通信接口。SW P （单线协议）是在一根单线上实现全双工通信，即S 1和S2这两个方向的信号，如 图 1 所示。通信的双方是 UICC（ Universal In t egrated Circ u i t Card ,通用集 成芯片卡）和CLF（Conta c t less Front end,非接触前端）。S1是电压信号,S IM卡通过电压表检测S1信号的高低电平，采用电平盍度调制；S 2信号是电流信号,采用负载调制
10、方式。S 2信号必须在S 1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4LSWM)5W10oihr/tA S2INPtlTCl-F 汁(MUKXtSI 为Cl FflllKVM救Ct!斶薦图:LSWP信号定义图2 S1信号的编码s 1信号的编码如图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(1/4 T )内为高电平。S 2信号在S1信号为高时有效，在S1信号为低时才能逬行由低 电平到高电平的切换。SWP有3种传输速率:21 2 k b p s、42 4 kb
11、p s、848 kb p s, 对数据位进行扩展之后传输速率可以达到1 6 96 k bps。SWP协议是关于物理层和1链路层的协议。物理层负责U ICC和CLF之间物理链路的激活、保持、解除工作。SWP协议要求UICC的工作电压为183.3 Vo与OS I协议类似，数据链路层分为MAC （媒介访问控制）层和链路控制层。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、S H DLC协议 以及C L T （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,
12、感应到外界存在射频场后,NFC芯片被激活，U ICC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IS O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H CP（主机控制协议）的包数据。此 外，SHDLC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N F C芯片与UICC不同速率传输的通信能力,在使用S HDLC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
13、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弓|脚的SWP（单线协议） 方案。SWP协议连接手机NFC芯片与SIM卡，规走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使用了 SIM卡的3个弓|脚连接NFC芯片：Cl（VCC）、C5（GND）、C6（SWP）0 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I S 07 816和SWP两个接口 ,在大容呈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S W P的SIM卡必须同时支持两个协议栈ISO78 1 6禾1
14、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ISO7 816接口。举个例子,SIM卡有8个引脚，RST弓|脚用于复位SIM卡的ISO7816接口，SW P方案加入SIM卡后,RST弓|脚的R e set信号对SWP接口没有作用，SWP接口通过S WP引脚复位。3 SWP连接方案在卡中的设计3.1系统结构大容星SIM卡是一种支持大容呈存储、高速传输、具有新型应用的智能卡。我们研发的 大容呈SIM卡项目基于A RM S ecure C ore SC 100内核，采用AHB （高性能总线）传输，它连接S
15、TM卡内部存+ APB（高级外设总线）总线结构。AHB总线提供高速的;储器和高速外部接口（USB接口）。APB总线通过桥接器与AH B总线相连，SIM卡的低速接口（SWP接口、IS07 8 16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SW P接口共同组成了 SWP方案的硬件设备。SW P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控制器结构图接收数据设计在SI M卡和NFC芯片通信期间,S WP控制器在激活、挂起.去激活三种
16、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芯片的单幽据解 析为字节输出。Framereso 1 v e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7 F （帧尾）f表明S WPC接收到一帧完整的数据。F rame. r esolve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撚后根据接收方的生成多项式对数据帧逬行校验。如果数据正确，则识别出SHD L C咖贞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
