NFC應用是目前移動通訊行業(yè)與RFID 行業(yè)所關(guān)注的熱點，NFC技術(shù)將移動終端與RFID 應用緊密的捆綁在一起，引發(fā)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(xiàn)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(jīng)過十多年的發(fā)展，已深入現(xiàn)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(lǐng)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(shù)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(shè)備。與此同時，移動通訊設(shè)備經(jīng)歷20多年的迅速發(fā)展，已經(jīng)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�？梢钥吹�，RFID應用技術(shù)和移動通訊技術(shù)相結(jié)合，將激發(fā)出無數(shù)的新型應用，將是今後RFID 技術(shù)發(fā)展的熱點。

NFC（Near Field Communication近場通訊）是這幾年飛速發(fā)展的一種新興技術(shù)，由Sony、Philips和Nokia提出，它使得兩個電子設(shè)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(shù)目標是電子設(shè)備之間的近距離通訊，主要實現(xiàn)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(shù)的出現(xiàn)，極大地促進了RFID技術(shù)與移動通訊技術(shù)的融合進展，引發(fā)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(yè)的應用整合，是一個涉及多行業(yè)、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(jù)移動運營商的需求，NFC實現(xiàn)方案需要提供一種將RFID應用或者NFC應用與移動運營商關(guān)聯(lián)在一起的方案，也即需要一種將RFID應用或者NFC應與SIM卡關(guān)聯(lián)的方案。

二、NFC硬體架構(gòu)

圖1. NFC硬體架構(gòu)

圖1是NFC硬體架構(gòu)圖。NFC功能的實現(xiàn)由兩部分組成∶NFC類比前端（NFC Controller與天線）和安全單元。根據(jù)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(gòu)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(guī)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(guī)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(nèi)部實現(xiàn)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(nèi)尋取解決方案。

圖2.SIM卡引腳

2、C4、C8介面方案
第一代出現(xiàn)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(gòu)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(fā)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(xiàn)SIM卡與NFC的連接。為了節(jié)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(xiàn)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(xiàn)成的實現(xiàn)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(fā)展存在沖突，因此該方案較少被接受。

3、C6介面方案
由上節(jié)內(nèi)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(nèi)部非揮發(fā)記憶體編程用的高壓信號。IC卡內(nèi)部使用的非揮發(fā)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(shè)計技術(shù)的進步，現(xiàn)有的IC卡都采用晶片內(nèi)部自帶電荷泵電路，由VCC電源泵出非揮發(fā)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(jīng)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(chǎn)生了一系列的解決方案。

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(diào)制原理實現(xiàn)全雙工通訊，這樣可以實現(xiàn)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(xié)定棧，需要SIM的COS是多工的OS系統(tǒng)，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(chǎn)生影響。SWP是在一根單線上實現(xiàn)全雙工通訊，定義了S1和S2兩個方向的信號，如圖4所示。

圖4.SWP的信號定義

圖5.SWP介面的等效電路圖

圖6.SWP信號的編碼

S1是電壓調(diào)制信號（RZ），S2是電流調(diào)制信號，實際上采用的是負載調(diào)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(shù)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(chǔ)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(qū)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?shù)膶⑹菧蕯?shù)位信號，需要特定的接收和解調(diào)電路，信號的雜訊容限稍低。SWP傳輸?shù)拇袀鬏斔俾士梢詮?06kbps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(xiàn)較高串列傳輸速率。SWP系統(tǒng)地定義了從物理層、鏈路層到應用層的多層協(xié)定，并已經(jīng)上升成為ETSI的標準，正在爭取成為ISO的標準，目前得到的業(yè)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(shè)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(guān)注掉電模式下的應用，SWP的S2負載調(diào)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。

圖7.CLFI連接示意圖

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(shù)衍生出來的，F(xiàn)elica是一種13.56MHz非接觸IC卡實現(xiàn)技術(shù)，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(diào)制和負載調(diào)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(tài)下也必須持續(xù)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(shè)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(guī)SIM卡引腳，通過定義協(xié)定標識PI（Protocol Identifier）來區(qū)分常規(guī)的SIM卡介面協(xié)定（TS 102 221）和非接觸協(xié)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(xiàn)架構(gòu)有兩種，如圖9 所示。

圖9.MPI實現(xiàn)架構(gòu)

第一種實現(xiàn)架構(gòu)，要求手機端進行改造，不支援掉電工作模式；第二種實現(xiàn)架構(gòu)，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(xié)定棧來支援新增的MPI協(xié)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(yè)界出現(xiàn)的解決方案看，可以實現(xiàn)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(yōu)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(shè)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(xié)定遵循ISO7816-4（TS102 221）；通過C6介面與NFC類比前端通訊，協(xié)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(xié)定（需要在NFC晶片端完成SWP等協(xié)定向ISO14443協(xié)定的轉(zhuǎn)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。

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(xiàn)。在7816介面，只要基帶發(fā)送時鐘信號，NFC晶片就轉(zhuǎn)發(fā)基帶時鐘給SIM卡，基帶和NFC資料的非同步轉(zhuǎn)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(yōu)點是實現(xiàn)簡潔，只要SIM卡內(nèi)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(shù)SIM晶片已具備額外的IO引腳，可以省去SIM卡晶片的重開發(fā)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(shù)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(yōu)勢。

5、Dual 7816方案
Dual IO是比較簡潔的一種實現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(tài)；二是NFC作為卡片進行非接觸交易的時間非�？�，通常在幾百毫秒以內(nèi)可以完成。這意味SIM卡可以時分復用7816介面。

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(nèi)部存在如圖11所示的介面開關(guān)。SIM卡與基帶晶片的連接通過NFC晶片實現(xiàn)。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(zhuǎn)換內(nèi)部開關(guān)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(guī)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(tài)，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(tài)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(tài)。這種狀態(tài)存在兩種情況，一是基帶正在對SIM卡進行狀態(tài)查詢，二是有電話或者短信操作正在訪問SIM卡。情況一，狀態(tài)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(fā)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(shù)還是處於發(fā)展中的新技術(shù)，市場推廣也僅現(xiàn)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(fā)展的備選方案。

五、總結(jié)

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(xiàn)實的意義。

作者簡介
石亦欣，復旦大學專用積體電路與系統(tǒng)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(shù)》雜志。免費索閱《無線電技術(shù)》月刊，《新電子工藝》雙月刊，請訪問http://www.wxdjs.com。