（计算机科学与技术专业论文）基于nfc系统的swp接口设计与实现.pdf

声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：墨峰盔扯一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：盈酗延 导师签名：珲皂丛垄j 与l 日期： 日期： 矽扣3 一f 1 北京邮电大学硕士学位论文 基于n f c 系统的s w p 接口设计与实现 摘要 n f c ( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ) 是近年来在射频识别和无线通信技术的基础 上发展起来的一种近距离无线通信技术。近距离通信技术与现有的非接触技术完 全兼容，并发展了其特有的技术优势。近距离通信可以提供各种设备间轻松、安 全、迅速而自动的通信。 近距离通信拓宽了非接触技术的应用领域。不仅可以应用于身份识别、门禁 管制和门票车票等领域，而且可以应用于手机、p d a 、笔记本等多种电子器件的 无线通信中。近距离通信的最大优势，是其在移动支付中的应用，这使得通过内 嵌n f c 芯片的手机在超市购物、在停车场付费，以及订阅音乐会门票成为可能。 近距离通信技术是一种最近发展起来的新技术，其技术标准尚在完善中，所 以关于n f c 技术方面的研究也亟待展开。本课题研究了近距离通信系统中的一 个子系统，即n f c 芯片与s i m 卡之间的s w p 接口。 本文首先介绍近距离通信技术的协议和通信原理，以及近距离通信与其它无 线通信的关系。然后逐步细化，分析近距离通信中关于s w p 接口的标准，根据 对标准的理解，提出了s w p 连案，这个方案用于连接n f c 芯片与s i m 卡，提 供他们之间的通信接口。第四章和第五章，介绍了s w p 方案在大容量s i m 卡项 目中的应用。在硬件和软件方面，详细设计并实现了s w p 接口，并设计了近距 离通信的两种类型的应用标签模式应用和阅读器模式应用。最后，使用 i n s i d e 公司的阅读器和n f c 芯片，描述了s w p 接口的测试环境和测试方案， 并介绍了测试过程中遇到的问题和解决方法。 关键字：n f c ，s w p , h c p , h c i 北京邮电大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs w p i n t e r f a c ei nn e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n o nt h eb a s i so fr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o na n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n 呷c ) i nr e c e n ty e a r sd e v e l o p e da sas h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n f c i s f u l l yc o m p a t i b l ew i t h t h e e x i s t i n g c o n t a c t l e s st e c h n o l o g y , a n dd e v e l o p e di t su n i q u et e c h n i c a la d v a n t a g e s n f cc a n p r o v i d ec o n v e n i e n t 、s a f e 、f a s ta n da u t o m a t i cc o m m u n i c a t i o n n f cw i d e n e dc o n t a c t l e s s t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o nd o m a i n n o to n l y 啪b e a p p l i e dt ot h ei d e n t i f i c a t i o n 、a c c e s sc o n t r o l 、t i c k e tf a r ea n do t h e rf i e l d s ，b u ta l s oc 锄b e u s e di nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no fm o b i l cp h o n e s 、p d aa n dn o t e b o o kc t e t h e b i g g e s ta d v a n t a g eo fn f ci si t sa p p l i c a t i o ni nm o b i l ep a y m e n t , w h i c hm a k e st h a t u s i n gm o b i l ep h o n ep a y m e n ti nas u p e r m a r k e to ri nt h ep a r k i n gl o ta n du s i n gm o b i l e p h o n ep a i ds u b s c r i p t i o nc o n c e r tt i c k e t sb e c o m ep o s s i b l e n f ci sar e c e n t l yd e v e l o p e dn e wt e c h n o l o g y ；t h et e c h n i c a ls t a n d a r di ss t i l li n p e r f e c t , s ot h es t u d ya b o u tn f ct e c h n o l o g yb e c o m e si m p o r t a n t t h i sa r t i c a l r e s e a r c h e das u b s y s t e ma b o u tn e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ，n a m e ds w pi n t e r f a c e b e t w e e nn f c c h i pa n ds i m c a r d f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sn f cp r o t o c o la n dc o m m u n i c a t i o nt h e o r y , a n dt h e r a t i o n s h i pb e w e e nn f c a n do t h e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t h e ng r a d u a l l yt h i n n i n g , a n a l y z e ss t a n d a r d sa b o u tt h ei n t e r f a c eb e t w e e nu i c c ( u n i v e r s a li n t e g r a t e dc i r c u i t c a r d ) a n dc l f ( c o n t a e t l e s sf r o n t - e n d ) ，p u t sf o r w a r dt h es o l u t i o n sa c c o r d i n gt ot h e u n d e r s t a n d i n go ft h es t a n d a r d ，t h i ss o l u t i o ni su s e dt oc o n n e c ts i mc a r da n dc l f a n d p r o v i d et h ec o m m u n i c a t i o ne a c ho t h e f t h ef o r t hp a r ta n dt h ef i f t hp a r ti n t r o d u c e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs w pi n t e r f a c ei nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a n dd e s i g n a b o u tt w ot y p e so fa p p l i c a t i o n so fn f c ，c a r ds i m u l a t i o nm o d ea n dr e a d e rm o d e 北京邮电大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o n f i n a l l y , u s i n gi n s i d ec o m p a n y s r e a d e ra n dn f cc h i pt e s t ss w p i n t e r f a c e i nt e s tp a r t ，d e s c r i b e st e s te n v i r o n m e n ta n d p r o c e s s ，i n t r o d u c e st h ep r o b l e m s e n c o u n t e r e da n dt h es o l v i n gm e t h o d s k e y w o r d s ：n f c ，s w p , h c p , h c i 2 3 2n f c 与蓝牙的关系1 0 2 4 本章小结1 1 第三章s w p 接口协议以及s w p 方案1 2 3 1s w p 接口协议简述。1 2 3 2s w p 标准物理层1 3 3 2 1s w p 信号1 3 3 2 2 s w p 编码1 4 3 3s w p 标准数据链路层。1 5 3 3 1 m a c 层1 5 3 3 2 逻辑链路控制层1 6 3 3 2 1a c t 协议1 6 3 3 2 2s h d l c 协议1 7 3 3 2 3c l t 协议1 9 3 4h c pl 办议1 9 3 4 1 h c p 协议的概念2 0 3 4 2 h c p 网络各层功能。2 1 i v - 北京邮电大学硕上学位论文 3 4 2 1h c p 路由层。2 1 3 4 2 2h c p 消息层2 2 3 4 2 3g a t e 之间的指令交互2 3 3 5s w p 连接方案2 3 3 6 本章小结2 4 第四章s w p 接口硬件设计2 5 4 1 系统设计2 5 4 2s w p 接口硬件结构。2 6 4 3s w p c 状态机2 8 4 3 1 物理层f s m 2 8 4 3 2s w p 接口激活状态机。2 9 4 4s w p c 的接口信号3 0 4 5 本章小结3 1 第五章s w p 接口软件设计与实现3 2 5 1 系统设计3 2 5 1 1 操作系统的选择3 3 5 1 2u c o s i i 操作系统介绍。3 4 5 2s w p 驱动程序3 4 5 2 1 a r m 启动代码3 4 5 2 2 s w p 接口的中断3 6 5 2 2 1 中断寄存器介绍3 6 5 2 2 2 中断处理3 7 5 2 3 数据链路层协议3 8 5 2 3 1 1 激活s w p 接口3 9 5 2 3 2 协议选择4 0 5 2 3 3 建立s h d l c 链路4 0 5 2 3 4 接收数据4 2 5 2 3 5 发送数据4 6 5 3 h c i 层4 7 5 4 近距离通信应用4 9 - v 北京邮电大学硕士学位论文 5 4 1 标签模式应用。4 9 5 4 2 阅读器模式应用。5 2 5 5 本章小结5 3 第六章系统测试5 4 6 1 测试环境介绍5 4 6 。1 1 测试设备介绍5 4 6 1 2 搭建测试环境5 5 6 2 测试过程5 6 6 2 1 功能测试5 7 6 2 2 性能测试5 7 6 3 测试出现的问题及其分析5 8 6 3 1 时钟频率的选择5 8 6 3 2 软件问题。5 9 6 3 3 硬件设计问题5 9 结束语。6 1 参考文献6 2 缩略语6 4 致谢6 5 攻读学位期间发表的学术论文目录。6 6 北京邮电人学硕上学位论文 1 1 前言 第一章绪论 随着手机的不断发展，近几年，人们对于手机的要求已经有了本质的改变。 手机已经不再是简单的通信工具，它已经成为便携的娱乐工具，正在发展为可信 赖的支付工具，在消费、购物、交通等领域，通过手机方便快捷的完成支付。基 于手机的新需求，移动支付应运而生，并逐渐成为移动运营商、手机制造商、s i m 卡制造商研究的热点问题。 随着无线移动通信的发展日新月异，新技术层出不穷。近年来，短距离无线 数据业务呈现出巨大的发展潜力，特别是随着无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k s ，w e a n ) 的升温，短距离数据业务迅速膨胀。实现短距离无线通信的 主要技术有蓝牙( b l u e t o o t h ) 、w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 、红外线( k d a ) 、z i g b 、 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 、近距离无线通信( n e a rf i e l d c o m m u n i c a t i o n ，n f c ) 等。结合非接触识别技术与各种网络技术而发展的n f c 逐渐成为富有竞争力的技术之一1 1 1 。 近距离通信是最近几年来兴起的一种基于r f i d 的无线通信技术，n f c 作为 近距离非接触移动支付的一种，具有简便、快捷、安全的特点，在移动支付、近 距离数据交换领域应用广泛。n f c 可以迅速、简便地完成点对点通信功能，在 日趋复杂的连接网络中，成为数据控管的理想解决方案；它的直觉式运作模式， 让消费者便于操作使用【1 1 。 1 2 研究背景 2 0 0 4 年3 月1 8 日，为了推动n f c 的发展和普及，n x p ( 原飞利浦半导体) 、 索尼和诺基亚公司创建了一个非赢利性的行业协会n f c 论坛，旨在促进 n f c 技术的实施和标准化，确保设备和服务之间协同合作。截止2 0 0 7 年，n f c 北京邮电人学硕士学位论文 论坛在全球拥有超过1 0 0 个成员，包括：万事达卡国际组织、松下电子工业有限 公司、微软公司、摩托罗拉公司、n e c 公司、瑞萨科技公司、三星公司、德州 仪器制造公司。2 0 0 6 年7 月复旦微电子成为首家加入n f c 联盟的中国企业，之 后清华同方微电子也加入了n f c 论坛。 近距离通信技术n f c 由荷兰的皇家飞利浦电子和日本的索尼两家公司共同 开发和提案。起初，p h i l i p s 半导体和s o n y 公司合作，计划基于非接触式卡技术 发展一种与之兼容的无线通讯技术。并发布了一种兼容i s 0 1 4 4 4 3 协议的无线通 信技术，取名n f c 。该技术规格定义了两个n f c 设备之间基于1 3 5 6 m h z 频率 的无线通信方式，作用距离在1 0 厘米之内，n f c 设备之间可以进行直观、便捷、 安全的通信。该规范被提交到国际标准组织i s o ，并最终获得批准成为正式的国 际标准，这就是i s 0 1 8 0 9 2 标准。 i s o 正c1 8 0 9 2 对n f c 技术标准作了详细的说明，但是由于使用1 3 5 6 m h z 频段进行通信的不止有n f c ，因此，2 0 0 5 年1 月i s o i e c2 1 4 8 1 信息技术系统 间近距离无线通信及信息交换的接1 2 1 和协议( n f c i p 动即“n f c i p 2 正式发布， 该标准增加了对i s 0 1 5 6 9 3 协议的兼容，并对n f c 通信模式选择机理作了补充说 明，使标准进一步完善。因此n f c 基于i s o i e c1 8 0 9 2 、i s 伽e c2 1 4 8 1 、e c m a 3 4 0 、3 5 2 、3 5 6 以及e t s it s1 0 2 、1 9 0 标准，同时又兼容i s o1 4 4 4 3 a 标准，具 有自身的技术优势和特点，能够广泛应用到不同的场合【2 1 。 随着n f c 标准的相继出台，n f c 研究也取得了丰硕的成果。在日本，非接 触i c 卡的近距离通信已在f e l i c a 上成为标准，信用卡、网络结算、乘车券、月 票、职工证、学生证、会员证等方面都得到了广泛应用。索尼公司的技术“f e l i c a ， 被定为i s 0 1 4 4 4 3 的t y p ec1 3 1 。f e l i c a 不仅独占了日本铁路的i c 卡市场，还用 于香港的月票系统，发行枚数早已突破1 2 0 0 万枚，这个数字比香港的人口总和 还要多。f e l i c a 在数据的读取和写入上不但有业务用的读写器，还有在市场上可 以买到的个人用读写器p a s o r i ，只要与个人电脑联机就可以使用，用它还可以对 另一些基于f e l i c a 的消费用i c 卡进行读取和写入的操作【3 l 。 随着n f c 阵营的声势日益旺盛，另外一种手机领域的非接触式i c 应用技术 r 2 r t m ( r e a d e rt or e a d e r ) ，也借势而动。为了应付名声同起的n f c ，法国公司 技术 巴黎地铁系统于2 0 0 6 年上半年采用了i n s i d e 公司的e n f c 技术。在集成 p i c o r e a d 后为b o u y g u e s 电信公司的手机访问r a t p 巴黎交通网络设备之间提供 非接触式接口。这项新服务将使b o u y g u e s 电信公司能够在日常活动中测试移动 电话并采用移动电话付费的使用情况，如：乘坐公共交通时，在整个地铁网络中， 乘客可以用他们的手机取代他们的“n a v i g o ”非接触式智能卡。当通过地铁口的检 票栏或者搭乘公共汽车时，他们只需用手机在读卡机前晃一晃即可。另外只需在 r a t p 的i 模式位置点击几下，乘客就可以选择更新他们手机上的n a v i g o 旅行卡， 这项功能极大地方便了旅客，节约了大量时间。业内几个主要厂家已经加入了该 项目。a x a l t o 推出一张被称作为p r o x i m e r a 的新s i m 卡。可以储存用户旅行卡详 细资料。此类新卡运用单线协议技术，允许与i n s i d e 公司的p i c o r e a d 部件实现互 动，获得与r a t p 非接触式读取器设备的通讯【4 l 。 我国对近距离通信的研究也在如火如荼的进行。2 0 0 8 年7 月1 7 日，广州地 铁与广州移动联手，推出一项新的业务，即手机地铁票。乘坐地铁的市民，不用 排队买单程票，也不用地铁卡，只要将手机在闸机上轻轻刷一下，就能乘坐地铁。 手机地铁票使用握奇数据的双界面s i m 卡s i m p 弱s ，其技术关键特点在于将 非接触卡片集成在s i m 卡上。手机地铁票只需要更换s i m 卡、加装小天线，即 能实现手机支付地铁票。近距离通信应用于地铁票，开创了移动现场支付应用的 先河。 通信应用 方案比较 双界面 方案有着 ；但是它 且该方案 占用了高速数据下载的接口c a 和c 8 。随着3 g 技术的到来，市场对大容量s i m 卡要求越来越迫切。在大容量s i m 卡中，除了支持原有的7 8 1 6 接口，为满足大 容量数据的下载，还需要支持高速数据下载的接口c a 和c 8 ，即u s b 接口。由 此，双界面卡方案不能满足大容量s i m 卡与n f c 芯片通信的技术需求，由 g e m a l t o 和飞利浦合作制定的s w p 标准，规定了n f c 手机与s i m 卡的连接 接口c 卜s w p 接口，正好满足了大容量s i m 卡的需求。 s w p 标准颁布时间较短，技术不成熟，标准还处于修改阶段，国内对s w p 标准的研究比较少。我们国家在新技术领域发展时间短，参与制定技术标准的机 会比较少。这主要是因为我们对于新技术的研究总是滞后。为了弥补这方面的不 足，我们应该趁着国外相关标准尚未成熟、相关产品尚未研发、市场尚未形成的 时机，积极参与标准的研发与完善工作。国内高校的研究工作应该和企业联手， 这样高校的研究实力和企业的研发能力得到互补，快速提升对新技术的认识水 平。本论文对于s w p 标准的研究服务于大容量s i m 卡的s w p 接口设计，对于 推动s w p 标准在s i m 卡的应用具有重要意义。 本论文正是基于n f c 技术方案，研究了n f c 手机与s i m 卡的连接方式， 提出了s w p 连接方案。本文基于e t s i ( 欧洲电信标准协会) 制定的s w p 标准 和h c p ( 主控制协议) 标准，在大容量s i m 卡中设计了s w p 接口。这个接口用 于近距离通信中，阅读器对各种应用密钥的访问。由于s i m 卡不支持射频接口， 所以阅读器读取和写入s i m 卡数据时，需要n f c 手机作为桥接器转发数据。本 文对s w p 接口的设计涉及接口激活、数据链路的建立、数据的发送和接收以及 北京邮电人学硕上学位论文 应用层两种应用层模式的研究。 1 4 本论文的主要内容 n f c 技术是一项无线通信与射频识别相融合的技术，为保证移动支付的安 全性，n f c 技术涉及的设备不仅是阅读器和手机，还有s i m 卡。基于n f c 解决 方案，本论文提出了一种连接n f c 手机和s i m 卡的s w p ( 单线协议) 接口解决 方案，详细说明了s w p 接口在s i m 卡中的设计方案，以及针对s w p 接口的测 试环境介绍。s w p 接口设计针对s w p 接口的传输和应用技术，主要涉及s w p 的数据链路层、h c p ( 主控制器协议) 路由层、消息层和应用层。本论文对s w p 接口的研究服务于近距离通信的s i m 端设计，用于大容量s i m 卡项目对s w p 接口的设计与实现。本论文分六章，组织结构大体如下： 第一章，主要介绍了n f c 技术的应用和发展现状，以及本课题的研究意义。 第二章，主要介绍了n f c 这项技术的定义，n f c 技术的通信模式，以及在 被动与主动模式下的通信原理。并比较了n f c 与其它无线通信的关系。 第三章，详细分析了s w p 接口设计基于的标准。这两个标准由欧洲电信标 准协会制定，分别是u i c c ( 集成电路卡) 与遥控前端之间s w p 接口的物理层 和数据链路层特性，以及主控制器接口和应用层定义。在s w p 接口标准的基础 上提出了连接n f c 手机与s i m 卡的s w p 连接方案，这个方案是硬件和软件的 设计基础。 第四章，简单介绍了大容量s i m 卡项目的硬件系统设计情况，对s w p 接口 硬件_ s w p 控制器做了较为详细的介绍。 第五章，首先分析了s w p 接口软件的系统设计，在此基础上逐步细化，详 细介绍s w p 接口的软件设计和驱动程序实现。之后根据协议理解，简单介绍了 近距离通信的两种应用的设计，标签模式应用和阅读器模式应用的设计。本章 的设计以第三章的标准和提出的s w p 连接方案为基础。第三章和第五章是本论 文的重点。 第六章，介绍s w p 接口的测试环境、测试流程以及测试过程中出现的问题 和解决办法。 北京邮电人学硕士学位论文 第二章n f c 技术与通信原理 近距离通信是短距离非接触式的一种，作用于1 3 5 6 m h z 频带，传输距离在 1 0 c m 以内。传输速度目前可以达到1 0 6 k b i t s 、2 1 2 k b i t s 、4 2 4 k b i t s ，理想速率 可以达到1 m b 左右。近距离通信的目标是两台兼容n f c 设备间的直观、便捷、 安全的通信。n f c 设备包括手机、p d a 、读写器、笔记本、游戏机等。n f c 所 使用的频率，与目前广为流行的非接触智能卡采用的频率相同。同时，n f c 兼 容以i s 0 1 4 4 4 3 a b 为基础的感应式非接触通信，以及飞利浦的m i f a r e 技术和 索尼的f e l i c a 技术。 n f c 将非接触阅读器、非接触标签和点对点( p e e r - t o - p e e r ) 功能整合在一 起，支持三种应用模式：标签模式、阅读器模式、点对点模式。基于这三种模式 的应用各不相同。当n f c 手机作为标签使用时，通常有下面几种典型应用：安 全的移动支付、门禁卡、身份识别等功能。当n f c 手机作为阅读器使用时，数 字内容传输以及下载智能广告牌信息为其典型的应用。当n f c 设备作为点对点 应用时，能够通过快速简单的无线连接，实现两台电子设备( 如移动电话、p d a 、 计算机和支付终端) 之间的短距离通信。 2 1n f c 协议 n f c 的空中接口和协议是在i s o i e c1 8 0 9 2n f c i p 1 中规定的。i s 伽e c 1 8 0 9 2 标准规定了n f c 接口和协议( n f c i p 1 ) 的通信模式。n f c i p 1 设备为了 不干扰已有的通信，在检测到外部磁场的存在时( 即该频段的外部磁场功率值大 于某个阈值时) 不开启自身的射频磁场。n f c i p 1 的物理层、r f 接口层、防冲 突协议兼容i s o i e c l 4 4 4 3 2 1 5 1 和i s o h e c1 4 4 4 3 3 部分中的t y p ea 和t y p eb ，但 是包含新的扩展功能。因此i s 0 1 8 0 9 2 向下兼容i s o m c1 4 4 4 3 2 和i s o m c 1 4 4 4 3 3 部分中的t y p ea 和t y p eb ，使得符合i s 0 1 8 0 9 2 的设备可以读写 i s 0 1 4 4 4 3t y p ea 和t y p eb 的设备。 北京邮i 乜火学硕上学位论文 n f c i p 2 即i s o i e c2 1 4 8 1 1 6 1 ，该标准规定了在1 3 5 6 m h z 频段中，检测并选 择某种可用的短距离通信模式的机制。在1 3 5 6 m h z 频段上有三种不同的通信模 式，分别是i s o i e c1 8 0 9 2 定义的n f c 1 、i s o i e c1 4 4 4 3 定义的p c d 和i s o i e c 1 5 6 9 3 定义的v c d 。当n f c i p 2 设备在检测到存在外部磁场时，该设备应工作 在n f c 1 模式( 即关闭自身的射频磁场) ；当n f c i p 2 设备在检测到不存在外部 磁场时，可以选择作为n f c 1 方式工作，也可以选择作为p c d 或v c d 读卡器 的模式工作阴。 2 2n f c 通信原理 n f c i p 1 工作在1 3 5 6 m h z 频率，标准定义了n f c i p 1 的两种通信模式：主 动和被动通信模式。在这两种通信模式下，数据传输速率可以达到1 0 6 k b i t s 、 2 1 2 k b i 临、4 2 4 k b i t s 。在进行通信前，选择三种速率的一种传输，在通信过程中， 可以根据需要在三种速率间切换。n f c 国际标准i s o i e c1 8 0 9 2 、i s o 正c2 1 4 8 1 涵盖通信模式、调制与编豫防冲突机制、帧结构等内容 6 , 8 , 9 1 。n f c 的技术参数 见表2 1 。 表2 - 1n f c 技术参数嘲 “一u 。i ! “+ i 胃 ? ；。” i 。7 ”。一o 。+ 。- c 7 。? ，f _ 参数参数被动模式 主动模式 j ，? | ：7 0 ，“。一t 。，? ! 一一。k ? 。j j； t ：。，i 菇i 发起 数据速率1 0 6 、2 1 2 、4 2 41 0 6 、2 1 2 、4 2 4 、方到 目标 调制方式 a s ka s k 方1 0 6 k b s 使用米勒编码；1 0 6 k b s 使用米勒编码； 编码方式2 1 2 k b s 、4 2 4 k b s 使用曼彻2 1 2 k b s 、4 2 4 k b s 使用曼彻斯 斯特编码特编码 曩錾 数据速率 1 0 6 、2 1 2 、4 2 4 1 0 6 、2 1 2 、4 2 4 1 0 6 k b s 使用子载波负载调 调制方式 制；2 1 2 k b s 、4 2 4 k b s 使用 a s k 7 j 负载调制 1 0 6 k b s 便用米勒编码； 编码方式j曼彻斯特编码 2 1 2 k b s 、4 2 4 k b s 使用曼彻斯 勰，。， 。 特编码 北京邮电大学硕上学位论文 2 2 1 被动模式通信原理 近距离通信在被片模式下与r f i d 的通信原理一样，都是依靠电磁感应耦合 原理完成通信。在图2 - 1 和图2 2 中显示，n t c 手机中嵌入了一块n f c 芯片， 芯片内置有天线，用来接收和发送无线数据。 n f c 工作在被动模式时，阅读器启动n f c 通信，也称为n f c 发起设备( 主 设备) ，在整个通信过程中提供射频域。n f c 发起设备选择三种速率的一种传输 数据，i s 0 1 8 0 9 2 标准规定了每种传输速率使用的调制、编码技术。n f c 目标设 备( 从设备) ，不产生射频域，而使用负载调$ ! j ( 1 0 a dm o d u l a t i o n ) 技术，以相同的速 度将数据传回发起设备。此通信机制与基于i s 0 1 4 4 4 3a b 、m i f a r e 和f e l i c a 的 非接触式智能卡兼容，因此，在被动模式下，n f c 发起设备可以用相同的连接 和初始化过程检测非接触式智能卡或n f c 目标设备，并与之建立联系i 删。 n f c 技术支持三种不同的操作模式：标签模式、阅读器模式和点对点模式。 目口 图2 1 标签模式通信结构图 在标签模式下，n f c 芯片作为被动设备使用，其作用相当于应答器。为了 保证数据的安全性，在更换手机后，不至于密钥信息的重新设置，在s i m 卡中 保存移动支付的密钥信息。如图2 1 所示，通信设备包括阅读器、n f c 芯片和 s i m 卡。此时，n f c 芯片提供射频接口，负责转发射频频数据给s i m 卡。对s i m 卡而言，不需要像双界面s i m 卡增加非接触接口，而使用s w p 接口实现与n f c 芯片的连接，通信结构图如图2 - 1 所示。在标签模式下，n f c 芯片相当于桥接器， 在阅读器和s i m 卡之间转发数据。 n f c 芯片是嵌入手机中的芯片，由手机的电源系统供电。手机没电时，为 了保证移动支付的正常进行，标签模式需要支持无源工作。其工作原理基于电磁 北京邮电人学硕j 二学位论义 感应。阅读器的天线线圈产生高频的强电磁场，这种磁场穿过线圈横截面和线圈 周围的空间。发射磁场的一部分磁力线穿过距阅读器线圈有一定距离的应答器的 天线线圈【1 1 1 。通过感应，在天线线圈上产生电压，将其整流后作为电源提供给 n f c 芯片和s i m 卡。 厂 、 n f c 手机 n f r ：专片 、l 图2 - 2 阅读器通信模式结构图 阅读器模式的通信结构图如图2 2 所示，n f c 芯片作为识读设备使用。手机 用户读取海报信息时，点击菜单，手机通过串口或者手机内部总线发送命令给 n f c 芯片，使其产生射频域发起通信。接收到的数据存储在手机还是s i m 卡可 以通过用户设置。 2 2 2 主动模式通信原理 在主动模式下，n f c 发起设备要发送数据给目标设备时，必须产生自己的 射频场，被读n f c 设备发送响应给发起设备时，也要产生自己的射频场。发起 设备和目标设备都要产生自己的射频场，以便进行通信。这是对等网络通信的标 准模式，可以获得非常快速的连接设置【1 0 1 。 移动设备主要工作在被动模式，可以大幅降低功耗，并延长电池寿命。主动 模式主要是针对点对点应用模式，用于笔记本、手机、数码相机之间交换数据。 2 3n f c 与其它无线通信的关系 近距离通信是在r f i d 和无线通信的基础上发展起来的一种短距离通信， 因此他们之间存在着密切的联系。 北京邮电大学硕士学位论文 2 3 1n f c 与r f i d 的关系 n f c 和r f i d 的关系非常密切，藕断丝连。n f c 是一种基于r f i d 的无线 通信技术，它和r f i d 在以下两点相同。第一，n f c 和r f i d 所采用的频率相 同，都是1 3 5 6 m h z 。第二，n f c 被动模式的通信原理和r f i d 的通信原理类似， 都是基于无线频率的电磁感应耦合原理。 虽然n f c 脱胎于射频识别与无线互联技术，但是n f c 技术毕竟是无线通 信的新技术，与r f i d 还是有区别的。他们的区别基于两点。首先，n f c 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无线通信n f c 设备彼此寻 找对方进而建立通信连接。在通信模式上，n f c 不同于r f i d 网络，后者是建立 于主从关系之下，并且芯片以被动的方式通过昂贵的、需要能源支持的“读取” 设备来读取。而n f c 设备却能被设置为被动和主动两种模式，即使在设备关机 的情况下( 被动模式) ，仍然可以发送识别数据，也正是这一特点使其成为智能 卡应用的理想选择。同时，它也可在主动模式下，与其他主动或被动的r f i d 设 备进行通信f 1 2 1 。其次，n f c 和r f i d 针对的应用不同，除了点对点通信的应用之 外，n f c 的主要应用是移动小额支付。n f c 的应用针对移动性的特点，用于识 别和数据交换，而r f i d 的主要用途是识别。 2 3 2n f c 与蓝牙的关系 n f c 的核心优势是其连通速度。与此相对，同样是为近距离设备之间交换 数据而设计的蓝牙技术则需要在通信设备间进行繁复的设置。正是基于这一瞬时 建立连接的能力，n f c 开始被定位为虚拟连接器，当利用其它更强大的无线技 术，比如蓝牙和w i f i 建立通信连接时，n f c 可于其间起到中介作用【1 2 1 。另外 近距离通信和蓝牙相比，距离更短，仅限于1 0 c m 之内，这么短的通信距离，数 据难以被窃取，保证了数据通信的安全性。 北京邮电人学硕上学位论文 2 4 本章小结 本章的主要目的是让读者在整体上了解近距离通信技术，所以本章阐述了近 距离通信的基本原理，技术特点，近距离通信和r f i d 以及和蓝牙的关系。n f c 这个融合了r f i d 技术和互联技术的新兴技术在国际上得到了广泛的认可和重 视，脱胎于r f i d 技术，又超越r f i d 技术，国际上在手机支付等方面已经得到 应用，在国内发展还只是处于起步阶段。 北京邮电人学硕士学位论文 第三章s w p 接口协议以及s w p 方案 3 1 s w p 接口协议简述 随着智能卡技术的不断发展，在智能卡上可承载的业务越来越多，智能卡容 量也在不断变化，从最初的8 k 到m 级乃至g 级大容量s i m 卡。在智能卡技术 的发展过程中，除了增加智能卡的容量之外，也增加了智能卡通信的接口。大容 量s i m 卡，在原来7 8 1 6 接口的基础上，增加了s w p 接口和i c u s b 接口。s w p 接口与手机中的n f c 芯片相连，用于实现近距离通信的数据交互；i c u s b 接口 可以和p c 相连，用于大数据量下载。 随着对近距离通信研究的不断深入，s w p 接口的标准也逐渐形成，并最终 由e t s i 正式发布。起初，在手机内部，针对n f c 芯片和智能卡芯片之间的接口， 不同厂商提出了不同的架构，飞利浦公司最早提出了s 2 c ( n f c - w i ) 接口，并且 该接口最终成为e c m a 的正式标准。另外一家公司g e m a l t o ，基于对运营商 需求的了解，提出了s w p 接口，并且和s i m 卡结合起来。后来，g e m a l t o 公 司与法国i n s i d e 公司合作，开发了支持s w p 产品的雏形。处于商业利益的考 虑，最终s w p 的架构获得运营商( g s m a ) 的一致支持，但是当初的s w p 标准 还很不成熟，需要进一步完善。此时飞利浦最终放弃了s 2 c 接口，宣布支持s w p 规范，并且和g e m a l t o 签署了战略合作协议，一起进行s w p 协议的改进，并 提交给e t s i ，后来该标准正式颁布，就是所谓的s w p 标准。 本论文是关于s w p ( 单线协议) 接口的设计与实现，对s w p 接口设计的 标准在底层基于s w p 协议，上层基于h c p 协议。s w p ( 单线协议) 标准由e t s i ( 欧洲电信标准协会) 制定，该标准规定手