移动支付NFC-SWP方案在SIM卡中的实现方法

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标准及连接方案

　　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、解除工作。SWP协议要求UICC的工作电压为1.8～3.3 V。

　　与OSI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、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，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

　　本方案使用了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SIM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连接方案在SIM卡中的设计

　　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(＄1.0813)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，SIM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