NFC芯片与SIM卡连接的方案研究

NFCTransceiverNFC/SEIFNFC芯片与SIM卡连接的方案研究石亦欣复旦大学专用集成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摘要：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于SIM卡实现NFC应用的需求。本文详细分析讨论了NFC芯片与SIM卡连接的方法，并提出合理的建议方案。关键词：NFCSWP的应用整合，是一个涉及多行业、多层次的复杂1、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，被广泛应用于公交、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，将是今后RFID技术发展的热点。NFC（NearFieldCommunication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卡片模拟功能；点对点数据通讯功能；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1项目，难点非常大。移动运营商在NFC推广中扮演着十分重要的角色，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。2、NFC硬件架构下图是NFC硬件架构图。NFC功能的实现由两部分组成：NFC模拟前端（NFCController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或其它芯片。本文将仅讨论SIM卡与NFC模拟前端的连接方法。图1NFC硬件架构3、SIM卡与NFC连接方式分析不考虑SD等其它接口，一个典型的NFC移动C8终端将简化为三部分构成：主控芯片（终端的基带芯片或AP）、安全单元（SIM卡）与NFC模拟前端芯片（NFCController与天线）。3.1、SIM卡接口SIM卡引脚定义符合ISO7816带触点的集成电路卡规范，图2是SIM卡的引脚定义。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的高速接口，与SIM卡的未来发展存在冲突，因此该方案较少被接受。3.3、C6接口方案由上节内容可以得知，采用C4、C8引脚的连C1C2C3C4VCCRSTCLKRFUC5C6C7C8GNDVPPIORFU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标准定义的卡片接口，可以看到唯一有潜力可挖的只有C6引脚。C6引脚定义为VPP，是卡片内部非挥发存储器编程用的高压信图2SIM卡引脚其中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卡的高速接口。SIM卡与NFC模拟前端的连接需要在上述8个引脚内寻取解决方案。3.2、C4、C8接口方案第一代出现的NFC方案基本上采用的是NXP的方案，由模拟前端芯片（PN511）与安全芯片（SmartMX）构成NFC方案，模拟前端与安全芯片通过S2C总线接口连接。因为SmartMX安全芯片本身可以作为IC卡使用，为了适应移动运营商的要求，可以基于SmartMX芯片开发SIM卡功能，并利用保留的C4、两个引脚作为S2C接口连线，从而实现SIM卡与NFC的连接。为了节约SIMCOS移植的工作量，也有方案是将SmartMX芯片与标准SIM卡芯片合封在一个SIM卡模块中，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。基于C4、C8的方案还存在另外一种形式，即直接利用双界面SIM卡。双界面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。2号。IC卡内部使用的非挥发存储器以EEPROM为主，也有使用Flash存储器的，这类存储器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。随着半导体工艺和芯片设计技术的进步，现有的IC卡都采用芯片内部自带电荷泵电路，由VCC电源泵出非挥发存储器需要的编程高压，所以对于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。围绕着C6引脚的重新定义使用，产生了一系列的解决方案。3.3.1、SWPSWP（SingleWireProtocol）是由Gemalto公司提出的基于C6引脚的单线连接方案。下图是SWP方案连接示意图。图3SWP连接示意图在SWP方案中，接口界面包括三根线：VCC（C1）、GND（C5）、SWP（C6），其中SWP一根信号线上基于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界面定义下同时CLFtoUICCS1、UICCtoCLFS2ICLtV0Vt支持7816和SWP两个接口，并预留了扩展第三个高速（USB）接口的引脚。支持SWP的SIM卡必须同时支持ISO和SWP两个协议栈，需要SIM的COS是多任务的OS系统，并且这两部分需要独立管理的，ISO界面的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。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字信号，需要特定的接收和解调电路，信号的噪声容限稍低。SWP传输的波特率可以从106KBPS最高上升至2MBPS。从SWP的定义看，SWP方案同时满足ISO7816、NFC和大容量高速接口，并且是全双工通讯，可以实现较高波特率。SWP系统地定义了从物理层、链SWPOUTPUTNFCCONTROLERS2(Icl)SWPINPUTSIM路层到应用层的多层协议，并已经上升成为ETSI(MASTER)GNDS1(Vcl)GND(SLAVE)的标准，正在争取成为ISO的标准，目前得到的业界支持较多。从另一个角度看，SWP方案要求图4SWP的信号定义SIM卡和NFC模拟前端芯片同时重新设计，涉及的NFCCONTROLLERDATASIM面比较广，市场推进的难度较大。另外，NFC应用S1A非常关注掉电模式下的应用，SWP的S2负载调制S2VPVCLIPVS1IDDATAS2通讯方式带来接口的功耗损失，对掉电模式下的性能有不利影响。3.3.2、CLFICLFI（ContactLessFrontendInterface）图5SWP接口的等效电路图是由Sony公司提出的基于C6引脚的另一个方案。S11/4T0BitNT1TT2BitN+1T3/4T1相较于SWP方案，CLFI在C6引脚上除了传输数据信号和时钟外，还同时传输能量。图7是CLFI连接示意图，图8是CLFI信号波形。S2BitNBitN+1图6SWP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是该接口图7CLFI连接示意图OffStateIdleStateDataStateIdleStateDataStateIdleStateOffState的等效电路图，图6是SWP信号的编码。S1信号RF是标准的数字电压信号，SIM卡通过电压表检测tS1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Signal的阶段才有效，NFCcontroller芯片通过电流表0RequestAmp.ModulationReceiveResponseLoadModulationSend3。图8RF信号和CLFI信号CLFI是Sony公司基于自有的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芯片（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卡芯片和NFC芯片同时重新设计，可以支持该方案的SIM卡芯片还未在市场上见到。3.3.3、MPIMPI（MultiProtocolInterface）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，通过定义协议标识PI（ProtocolIdentifier）来区分常规的SIM卡接口协议（TS102221）和非接触协议（ISO14443-4）。C6引脚被MPI定义为非接触应用的时钟信号，数据信号仍然通过C7引脚交换。MPI实现架构有两种，如图9所示。芯片的协议栈来支持新增的MPI协议，这除了SIM卡、NFC芯片外，又多牵涉了基带芯片，推广的难度进一步加大。3.4、DualIO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芯片几方面同时改动，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DualIO方案。DualIO方案将C6引脚扩展为NFC的数据IO接口，则SIM卡的C1、C2、C3、C5、C6、C7引脚扩展成双IO引脚的接口界面，C4、C8保留作为高速接口升级用。由于IC卡的应用都是半双工通讯模式，因此C6接口的定义可以设计的和C7类同，通讯波特率可以采用ISO14443定义的106KBPS，并可以倍频提高接口速度。这样，SIM卡通过C7接口与基带芯片通讯，协议遵循ISO7816-4（TS102221）；通过C6接口与NFC模拟前端通讯，协议可参考ISO7816-4和ISO14443-4自定义，也可以参考SWP等其它链路层协议（需要在NFC芯片端完成SWP等协议向ISO14443协议的转换）DualIO接口需要解决的问题是NFC应用的时钟如何提供，这需要借用C3引脚。DualIO连接示意图参BaseBandNFCIFBaseBandNFCIF见图10。SIMCLFSIMCLF图9MPI实现架构第一种实现架构，要求手机端进行改造，不支持掉电工作模式；第二种实现架构，由CLF（非接触模拟前端）接管SIM卡接口，可以支持掉电模式。MPI方案对SIM卡芯片改动要求较低，仅需要SIM芯片增加时钟输入端（C6）即可，其它功能都是在软件层解决。MPI的主要问题是需要修改基带4图10DualIO连接方式由于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界面，只要基带发送时钟信号，NFC芯片就转发基带时钟给SIM卡，基带和NFC数据的异步转换由NFC芯片完成。当基带芯片处于省电模式停止输出时钟时，由NFC芯片提供射频时钟进行非接触应用操作。采用DualIO方案的优点是实现简洁，只要SIM卡内部的MCU性能足够，DualIO方案可以同时处理7816界面和NFC界面的数据。而市场上多数SIM芯片已具备额外的IO引脚，可以省去SIM卡芯片的重开发工作，比SWPSIM卡芯片更容易获