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： NFC SWP

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（NearField Communication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，需要跨行业的应用整合，是一个涉及多行业、多层次的复杂项目，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 
      图1是NFC 硬件架构图。NFC 功能的实现由两部分组成：NFC模拟前端（NFC Controller 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。

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。
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。 
       其中C1 、C 2、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、C8 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SIM COS 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。 
      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 、SWP 
      SWP（Single Wire Protocol ）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。 
      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、链路层到应用层的多层协议，并已经上升成为ETSI 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SIM 卡和NFC 模拟前端芯片同时重新设计，涉及的面比较广，市场推进的难度较大。另外，NFC 应用非常关注掉电模式下的应用，SWP的S2 负载调制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 、CLFI 
      CLFI（ContactLess Frontend Interface） 是由Sony 公司提出的基于C6 引脚的另一个方案。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。 
      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是该接口的等效电路图，图6 是SWP 信号的编码。S1信号是标准的数字电压信号，SIM 卡通过电压表检测S1 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 信号为高的阶段才有效，NFC controller芯片通过电流表
      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 、MPI 
      MPI（Multi Protocol Interface ）是Nokia 公司提出的连接方案。MPI方案同时接管C6 引脚和C 1、C2、C 3、C5、C7 五个常规SIM 卡引脚，通过定义协议标识PI（Protocol Identifier） 来区分常规的SIM 卡接口协议（TS 102 221）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。 
      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、Dual IO 
      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Dual IO 方案。
      Dual IO 方案将C6 引脚扩展为NFC 的数据IO 接口，则SIM 卡的C1、C2 、C 3、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（TS 102 221）；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）。Dual IO 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。Dual IO连接示意图参见图10。 
      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Dual IO 方案的优点是实现简洁，只要SIM 卡内部的MCU 性能足够，Dual IO 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SWP SIM 卡芯片更容易获得支持。因为C6 引脚交换的是纯数字信号，不存在额外的功耗损失，对提高接口速度和掉电工作性能有较大优势。
3.5、Dual 7816 方案 
      Dual IO 是比较简洁的一种实现方案，但毕竟还是要求寻找具备额外IO 引脚的SIM 卡芯片，并不是所有芯片都能支持。因此本文进一步提出Dual 7816 接口方案，可以在不涉及C6 引脚的情况下实现NFC 与SIM 的接口。 
      Dual 7816 方案得以成立是基于以下两点：一是手机对SIM 卡访问的时间短暂，手机在电话的接入和拨出、短信的收和发时，访问SIM 卡的时间通常在开始的1 秒至2 秒左右，绝大部分时间SIM 卡处于休眠状态；二是NFC 作为卡片进行非接触交易的时间非常快，通常在几百毫秒以内可以完成。这意味这SIM 卡可以时分复用7816 接口。
      Dual 7816 方案中NFC 模拟前端芯片具有两套7816 接口引脚，内部存在如图11 所示的接口开关。SIM卡与基带芯片的连接通过NFC 芯片实现。正常模式下，NFC 芯片直接连通基带芯片和SIM 卡，保持基带对SIM 的访问。当NFC 手机感应到非接触射频场时，NFC 芯片转换内部开关至NFC 连接模式，SIM卡和NFC 芯片仍旧通过7816 接口进行非接触通讯，这时通讯的波特率可以提高至ISO14443 规定的波特率。在NFC 进行7816 接口切换时，可能遇到以下几种情况： 
      1，SIM 处于休眠状态，NFC 立即接管7816 接口，提供时钟唤醒SIM 卡开始非接触操作。由于非接触操作时间很短，在进入NFC 模式后，基带再有访问SIM 卡的请求时，将由NFC 芯片直接处理（响应状态查询）或通知基带芯片延迟等待， 完成非接触操作后立即切换回正常模式； 
      2，SIM 处于工作状态。这种状态存在两种情况，一是基带正在对SIM 卡进行状态查询，二是有电话或者短信操作正在访问SIM 卡。情况一，状态查询的时间非常短，几十毫秒就完成，非接触操作可以等待该操作完成后再接管接口，不会影响用户体验。情况二下，等待时间通常在1～2 秒，然后才能进入非接触模式，但在这种情况下，用户需要处理接听电话等操作，通常不会进行非接触交易动作，因此对用户体验的影响也非常小。
      Dual 7816 方案尽管在多任务处理性能上比Dual IO 和SWP 等方案要弱一些，但带来的好处是SIM 卡无需硬件改动，仅仅需要开发一款支持Dual 7816 接口的NFC 芯片即可。

4、建议方案
      以上分析了NFC 与SIM 卡连接的各种方案，并提出了Dual IO 和Dual 7816 两种方案。NFC技术还是处于发展中的新技术，市场推广也仅现轮廓。为NFC 应用推广的顺利，应该采用一种影响最小的方案。因此采用Dual 7816 接口是最合适的，而Dual IO 和SWP 方案可以作为长远发展的备选方案。

5 、总结
      本文介绍和分析了NFC 与SIM 卡连接的多种方案，并提出了两种切实可行的建议方案，对NFC 应用的推广具有现实的意义。