NFC与SIM集成的4大方案

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： 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（Near Field 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

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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

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（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。

NFC Transceiver 图1 NFC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

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NFC/SE IF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。

C1 VCC C5C2 RST C6C3 CLK C7C4 RFU C8 图2 SIM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、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。

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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

GNDVPPIO RFU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。

图3 SWP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

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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。

NFC CONTROLLERDATAS1AICLSWPOUTPUTS1

CLF to UICCSWPINPUT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

NFC CONTROLER(MASTER)GNDS2 (Icl)S1(Vcl)SIM(SLAVE)GND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

S2UICC to CLF

图4 SWP的信号定义

图5 SWP接口的等效电路图

Bit NBit N+1SIM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

S1S2VCLIPV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。

S2IDDATAVP3.3.2、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。

TT1/4 T3/4 TS101T1T2tS2Bit NBit N+1 图6 SWP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

Off StateIdle State

图7 CLFI连接示意图

Data StateIdle State的等效电路图，图6是SWP信号的编码。S1信号

RF

Data StateIdle StateOff StateV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

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0 VSignal

0t RequestAmp. ModulationReceive

ResponseLoad ModulationSend

t3

图8 RF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、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C1、C2、C3、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。

Base Band NFC IF Base BandNFC IF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、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（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。

图10 Dual IO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

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SIM CLFSIM CLF图9 MPI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

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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。

图11 Dual 7816方案连接示意图 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

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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。

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