韓麗英,陳紹強(qiáng)

(北京郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京100876)

韓麗英(碩士研究生),從事嵌入式系統(tǒng)與近距離通信的研究;陳紹強(qiáng)(教授),從事嵌入式系統(tǒng)的研究與優(yōu)化。

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(lè)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(guò)手機(jī)方便、快捷地完成支付?；谑謾C(jī)的新需求,移動(dòng)支付應(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(wèn)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(Near Field Communication,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(guò)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(méi)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NFC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:

①NFC方案可以實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用;

②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;

③NFC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;

④NFC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,工作于13.56 MHz頻帶,傳輸距離在10 cm以內(nèi);傳輸速度目前可以達(dá)到 106 kbps、212 kbps、424 kbps,理想速率可以達(dá)到1 Mbps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ISO14443 A/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106 kbps、212 kbps、424 kbps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(guò)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(load modulation)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ISO14443 A/B、Mifare和FeliCa的非接觸式智能卡兼容,因此,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(guò)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?zāi)Ｊ?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(méi)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(guò)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(guò)距閱讀器線圈有一定距離的應(yīng)答器的天線線圈[2]。通過(guò)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,可以獲得非常快速的連接設(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13.56 MHz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,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。

2 SWP標(biāo)準(zhǔn)及連接方案

2.1 SWP標(biāo)準(zhǔn)[3]

SWP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(Universal Integrated Circuit Card,通用集成芯片卡)和CLF(Contactless Front-end,非接觸前端)。S1是電壓信號(hào),SIM卡通過(guò)電壓表檢測(cè)S1信號(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1 SWP信號(hào)定義

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:212 kbps、424 kbps、848 kbps,對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行擴(kuò)展之后 ,傳輸速率可以達(dá)到1 696 kbps。

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1.8～3.3 V。

圖2 S1信號(hào)的編碼

與OSI協(xié)議類似,數(shù)據(jù)鏈路層分為MAC(媒介訪問(wèn)控制)層和鏈路控制層。在MAC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(méi)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?感應(yīng)到外界存在射頻場(chǎng)后,NFC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?在使用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。

2.2 SWP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(guò)SIM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。[4]

圖3 SWP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(guò)預(yù)留的C4和C8接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。支持SWP的SIM 卡必須同時(shí)支持兩個(gè)協(xié)議棧——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引腳的Reset信號(hào)對(duì)SWP接口沒(méi)有作用,SWP接口通過(guò)SWP引腳復(fù)位。

3 SWP連接方案在SIM卡中的設(shè)計(jì)

3.1 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卡項(xiàng)目基于ARM Secure Core SC100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(guò)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。

3.2 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TS 102 613。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4 SWP控制器結(jié)構(gòu)圖

3.2.1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RX FIFO,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。

3.2.2發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

SWP控制器發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)是相反的過(guò)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TX FIFO。TX FIFO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TX FIFO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。

3.3 軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

SWP軟件設(shè)計(jì)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——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μ C/OS。μ C/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μ C/OS的任務(wù)之一。

SWP任務(wù)依靠硬件中斷驅(qū)動(dòng),SWP任務(wù)沒(méi)有被激活前,一直處于等待中斷的狀態(tài)。通過(guò)SWP接口通信時(shí),一旦檢測(cè)到存在射頻場(chǎng),NFC芯片便被激活。NFC芯片發(fā)送Si信號(hào)給SIM卡,SIM卡檢測(cè)到Si電壓信號(hào)后,觸發(fā)si_act中斷通知軟件做好準(zhǔn)備通信。此時(shí),軟件設(shè)置通信參數(shù),然后等待硬件建立物理鏈路成功的中斷。如果接收到init_sync中斷,軟件開始設(shè)置SHDLC協(xié)議的滑動(dòng)窗口大小M,等待建立SHDLC鏈路的中斷。這個(gè)中斷帶有NFC芯片SHDLC層的滑動(dòng)窗口的參數(shù)N。若M≥N,則SWP任務(wù)修改自己的滑動(dòng)窗口大小為N,然后發(fā)送確認(rèn)幀,這樣便建立了SHDLC鏈路;若M＜N,SWP任務(wù)發(fā)送帶有自己窗口參數(shù)的RESET幀給NFC芯片,繼續(xù)協(xié)商滑動(dòng)窗口大小。

SHDLC鏈路建立成功后,SWP任務(wù)等待信息幀中斷。接收到信息幀中斷,根據(jù)硬件寫入的狀態(tài)寄存器的接收字節(jié)數(shù)從RX FIFO中讀取數(shù)據(jù),然后由軟件解析收到的數(shù)據(jù)包;通過(guò)HCP的路由層把數(shù)據(jù)包遞交給應(yīng)用層,應(yīng)用層根據(jù)消息的類型進(jìn)行相應(yīng)的處理。

結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種SWP連接方案,并在大容量SIM卡中加以實(shí)現(xiàn)。SWP接口的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法,對(duì)于近距離通信技術(shù)應(yīng)用于其他移動(dòng)支付具有一定借鑒意義;同時(shí),在SIM卡中實(shí)現(xiàn)SWP接口,也促進(jìn)了SIM卡技術(shù)的發(fā)展。

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