一种CLF芯片与SIM卡芯片连接的方法

第 31卷第 4期 2010年 4月 微 　计 　算 　机 　应 　用 M ICROCOMPUTER APPL ICATIONS Vol131 No14 Ap r12010 一种 CL F芯片与 SIM 卡芯片连接的方法 2王　琪　1 王东辉　1 李云岗 (1 中国科学院声学研究所数字系统集成实验室 　北京 　100190　2 中国科学院研究生院 　北京 　100049) 摘要 :在 NFC技术中 , CLF芯片与 SIM卡的连接是一个重要问题 ,本文提出了一种具有自主知识产权的 CLF与 SIM卡的通信 方法 ,采用新的调制解调方式 ,使得 S2信号在 S1信号高低电平时都能传输 ,实现单线连接 NFC与 SIM卡 ,以及它们之间的全 双工通信。通过对该方法进行电路级的设计和仿真 ,验证了该方法的正确性和稳定性。 关键词 : NFC( Near F ield Comm un ica tion) 　S IM ( subscr iber Iden tity M odule) 　SW P( single w ire protocol) 　CL F( Con tact - L ess Fron t - end) A NovelM ethod to Connect CL F Ch ip and S IM Ch ip 2WANG Q i, 1WANG Donghui, 1 L I Yungang (1 Graduate Unwersity of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039 2 Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Think IT Speech Lab, Beijing 100190) ) Abstract: In the NFC technology, the connection between the CLF chip an SIM card is and important question. This paper p roposed a new method to solve it. W e introduce a new way to modulate and demodulate the signals, as a result, the signocl S2 can communicat whenever the voltage level of signecl S1 is high or low. It realizes the full - dup lex communication between NFC anel SVU card. through single wire. W e imp lemented the circuit of it, the simulation results shao this method is validity and stability. Keywords: 1　引言 NFC (Near Field Communication)是一种用于电子设备间近距离无线通信的新兴技术。主要实现三类功 能 :非接触 IC卡片模拟功能 ;读卡机功能 ;点对点数据通讯功能。NFC设备工作在 13. 56MHz,传输速度可以 在 106Kb / s、212Kb / s、424Kb / s内自由切换 ,将来可提高至 1Mb左右 ,传输距离一般在 20cm内 [ 1 ]。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 NFC应用 与移动运营商关联在一起的方案 ,而移动运营商应用的标志就是 SIM ,因而 ,需要一种将 NFC应用与 SIM卡 关联的方案 [ 2 ]。 目前 ,在基于 SIM卡来实现 NFC应用的众多方案中 ,得到业界认可度最高的是 SW P方案。但 SW P方 案是 Gemalto公司的专利 ,因而如果国内的通信公司想要采用 SW P方案 ,则需要向 Gemalto公司缴纳大量的 专利费。因而国内企业迫切地需要一种可以绕开 Gemalto公司专利来实现单线连接 CLF与 SIM卡的方法。 2　SW P方案介绍 SIM卡中的 8个引脚中 , 5个是日常与手机通信的常规引脚 ,剩下的三个引脚中 , C4和 C8被国际组 本文于 2009 - 09 - 20收到。 　 　 　 微 　计 　算 　机 　应 　用 　 2010年 织扩展为新一代 SIM卡的高速接口。[ 3 ]因而 SIM卡与 NFC的连接只能在 C6引脚探寻解决方案。即需要用 一根数据线连接 SIM卡与 NFC芯片 ,实现他们之间的全双工通信。 SW P由 Gemalto公司提出的基于 SIM卡 C6引脚的单线连接方案 ,它利用电压和电流的变化实现 SIM 卡与 NFC射频模块 CLF芯片的通信 ,从而将 SIM卡与 NFC应用关联。图 1[ 4 ]所示 SW P方案中 NFC与 SIM 卡的连接示意图。NFC作为主动设备 ,由它向 SIM卡发起通信 , SIM卡则通过 C6接口与 NFC实现全双工 通信。 图 1　SW P连接示意图 图 2　SW P信号传输图 SW P信号的传输定义了 S1和 S2两个方向的信号 ,如图 2[ 4 ]所示。其中 S1是电压调制信号 , S2是电流 调制信号 ,实际上采用的是负载调制方式。S1信号是标准的数字电压信号 , SIM卡通过电压检测 S1信号 的高低变化 , S2信号必须在 S1信号为高电平时才有效 , NFC芯片通过电流表检测 S2信号的变化从而区分 “1”、“0”。[ 3 ] 3　一种 CL F芯片与 S IM 卡芯片连接的方法 本文提出了一种拥有自主知识产权的单线连接 CLF与 SIM卡的通信方法 ,该方法也使用 SIM卡的 C6 管脚 ,通过单线连接实现 NFC芯片与 SIM卡的全双工通信 ,与国际主流方案兼容 ,却又不同于 Gemalto公司 SW P方案。 3. 1　原理 在 SW P方案中 ,当 S1信号为低电平 0时 , S2信号是无法向 NFC芯片传送信号的。在本文的方法中 ,首 先将 S1信号经过调制 ,低电平由 0V提高到 0. 5V ,这样不管 S1信号是高电平还是低电平时 , S2信号都能向 NFC芯片进行传递。S1信号依然是电压调制信号 , S2信号依然是电流调制信号 (实际上是采用的负载调制 方案 )。设负载调制部分 SIM卡传递的 S2信号“0”、“1”分别控制开关的开与关 ,因而通过负载调制 ,将会使 NFC的负载 , SIM卡的 C6端出现两个不同的负载电阻值 ,设其分别为 : R1, R2。设 S1信号的高低电平分别 为 V1, V2。则当 S1为高电平 V1时 , DATA线上可能产生的电流为 : I11 = V1 R1 , I12 = V1 R1 ;当 S1为低电平 V2 时 ,可能产生的电流为 : I21 = V2 R1 , I22 = V2 R2 。那么 ,当 S2信号为“0”时 , SW P上的电流值为 I11或 I21 ;当 S2信 号“1”时 , SW P上的电流为 I12 或 I22 。通过检测 DATA上的电流的大小 ,并对其进行比较 ,就可以判断出在 NFC端解调出 SIM卡传递的 S2信号。由于 DATA线上的电流太小 ,不便于检测 ,因而 ,先将电流信号转换 为电压信号 ,然后将这个电压信号进行放大 ,最后对其进行电压比较和还原就可以正确地解调出 S2信号。 本设计方案原理图如图 3所示。 3. 2　电路级实现 本文中 ,该方案的电路级设计和仿真均在 Cadence的 V irtuoso平台下进行的 ,采用了 SM IC 0. 18μm的 CMOS工艺库。 (1)电路的整体结构。 47 　 4期 　 王 　琪 等 :一种 CLF芯片与 SIM卡芯片连接的方法 电路的整体结构如图 4所示 ,其中 VDD由手机基带芯片提供 ,为 3V , GND由 CLF芯片提供。S1, S2信 号均为高电平 3V,低电平为 0V 的数字信号。NFC芯片和 SIM 卡的通信由 DATA 线完成全双工的数字 通信。 图 3　SW P实现方法模块结构图 图 4　系统整体结构图 (2) SIM卡和 NFC内部模块。 SIM卡和 NFC内部模块的电路图分别如图 5和 6所示。该系统的信号调制 ,传播 ,解调的信号流图如图 7所示。 3. 3　仿真结果 总体的仿真电路如图 8所示。由于 MOS管的电流 ,寄生电阻 ,寄生电容的值会随着不同的 PVT的变化 而变化 ,因而为了保证所设计的系统的稳定性高 ,必须对多个不同的 PVT模式进行仿真。本文对一个理想 的 corner以及四个最恶劣的 corner分别进行了仿真和验证。表一为在理论值和五个不同的 corner下仿真后 得到的 DATA线上的电流信号 IDATA以及经过电流电压转换和电压放大模块后电压的仿真结果数据。 57 　 　 　 微 　计 　算 　机 　应 　用 　 2010年 图 8　总体电路测试图 图 9　仿真波形 表 1　仿真数据 理论值 tt, 27℃ ff, - 25℃ S1 S2 I( uA) V (V) I( uA) V (V) I( uA) V (V) 1 1 1000 3. 00 984. 7 2. 59 1252 2. 58 1 0 18. 69 0. 28 45. 9 0. 57 59. 8 0. 50 0 1 167 2. 51 127. 6 1. 82 164. 6 1. 32 0 0 3. 12 0. 05 5. 1 0. 49 3. 83 0. 49 ff, 80℃ ss, - 25℃ ss, 80℃ I( uA) V (V) I( uA) V (V) I( uA) V (V) 1 1 1281 2. 58 805. 2 2. 58 811. 3 2. 58 1 0 50. 6 0. 56 32. 85 0. 54 28. 5 0. 65 0 1 158. 1 1. 76 100. 9 1. 65 94. 7 2. 15 0 0 4. 11 0. 49 2. 52 0. 49 2. 7 0. 49 由表 1得 :当 S2分别传递信号“0”和“1”时 ,各个 corner中经过放大模块后的输出电压最大值和最小值 分别为 0. 65V和 1. 32V。分别小于和大于后续电压比较模块的门限电压 1. 158V,因而该系统能正确地将 S2 信号解调 ;整体仿真结果均如图 9所示 ,由此得到该系统功能正确 ,稳定性高。 4　结束语 本文通过对 SW P方案进行研究 ,进而提出了一种拥有自主知识产权的 CLF与 SIM卡单线连接的方法 , 对其进行了电路级的设计和仿真 ,还完成了部分模块的版图设计。由仿真结果可以得到 ,该方案利用单线 实现了 CLF芯片与 SIM卡的全双工通信 ,并且系统稳定可靠。 参 考 文 献 [ 1 ]王宇伟 ,张辉. 基于手机的 NFC应用研究 [ J ] . 中国无线电 , 2007, (6). [ 2 ]石亦欣 ,李蔚 ,王元彪. RF ID与移动终端相结合的 SMAP技术 [ EB /OL \ ]. http: / /www. rfidinfo. com. cn /Tech /d102_1. htm l [ 3 ]石亦欣 ,李蔚. NFC芯片与 SIM卡连接的方案研究 [ J ]. 中国集成电路 , 2007, (7). [ 4 ] ETSI TS 102 613 V7. 0. 0. Smart Cards. U ICC - Contactless Front - end (CLF) Interface. Part 1: Physical and data link layer characteristics (Release 7) [ S]. 2007, 11. 67