NFC在手机中的应用

杨晓娟

1引言

当前手机应用广泛，功能日益强大，将逐渐取代现代人身上携带的一些卡片，比如信用卡、积分卡、交通卡等，助人们完成交通购票、支付账单、积分购物等服务：另外也可简化两部手机之间的同步处理通讯等功能。这些对消费者来说很有吸引力，将大大扩展手机的应用与销售市场。NFC——近场通信技术的诞生与应用，使这一切成为可能。

近距离通信是最近年来兴起的基于RFlD的无线通信技术，近距离通信(Near FieId C0mmunication，NFC)作为短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。NFC逐渐发展为移动支付最可行的解决方案之一。

2NFC的原理及应用模式

2.1NFC的技术简介

NFC是飞利浦公司发起，由诺基亚、索尼等厂商联合主推的一项无线技术。2002年，NFC被批准成为ISO／IEC IS 18092国际标准，此后还被批准为EMCA-340标准与ETSI TS 102 190标准。NFC标准与ISO／IEC 14443和ISO／IEC 15693非接触式IC卡兼容，即NFC标准兼容Philip的MIFARER和SONY的FeliCa标准。Philips在非接触IC卡方面是业界领头者，其Mifare芯片卡技术广泛使用于世界几个大型交通运输系统上，也使用在VlSA信用卡等金融服务上。而S0ny的FeliCa芯片卡技术在中国香港及深圳、新加坡、日本的市场占有率非常高，主要应用于交通及金融机构。两种技术的融合，将可以扩大非接触IC卡的应用范围。为了推动NFC的发展和普及，飞利浦、索尼和诺基亚创建了一个非赢利性行业协会NFC论坛，旨在促进NFC技术的实施和标准化，确保设备和服务之间协同合作。目前，论坛在全球拥有80多个成员，包括万事达国际、VISA、微软、摩托罗拉、NEC、松下电工、三星、德州仪器和VISA国际。

NFC由非接触式射频识别(RFID)及互联互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。这项技术最初只是RFID技术和网络技术的简单合并，现在演变成一种短距离无线通信技术，发展相当迅速。

2.2NFC的三种工作模式

(1)卡模式

是指用于非接触移动支付，在商场、交通等应用场景中，用户只需将手机靠近读卡器，然后输入密码确认交易或者直接接收交易即可，例如门禁管制，车票，门票等业务。此种方式下，卡片通过非接触读卡器的RF域来供电，即使是手机没电也可以工作。如图1所示。

(2)点对点通信模式

即实现无线数据交换，将两个具备NFC功能的设备链接，能实现数据点对点传输，如下载音乐、交换图片或者同步设备地址薄。因此个体设备如数字相机、PDA、计算机、手机之间，都可以通过NFC进行无线互通、交换资料或者服务。如图2所示。

(3)读卡器模式

即作为非接触读卡器使用，比如从海报或者展览信息电子标签上读取相关信息。如图3所示。

2.3NFC的主要应用

NFC技术主要基于13.56MHz频率运行，典型操作距离只有几厘米，运行距离范围在20厘米内，数据传输速度可以选择1 06kbit/s、212kbit／s或者424kbit／s，将来可提高至1 Mb左右。

与RFID一样，NFC信息也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递，但两者之间有很大区别。NFC传输范围比RFID小，RFID传输范围可达O～1米，但由于NFC采取独特的信号衰减技术，相对RFID来说具有成本低、带宽高、能耗低等特点。RFID更多被应用于生产、物流、跟踪、资产管理上，而NFC则在门禁、公交、手机支付等领域发挥巨大作用。

2006年6月，诺基亚和中国移动、飞利浦、易通卡公司在厦门启动中国首个NFC手机支付试验。用户使用内嵌NFC模块的诺基亚173220手机，可在任何一个易通卡覆盖的营业网点(公交、汽车、轮渡、电影院、快餐店)进行手机支付。在不久的将来，通过手机和NFC技术的结合，用户可以实现以下应用：在街边海报和杂志上下载演唱会时间地点和节目表：在公园里玩互动的定向越野游戏：在车站实时刷新公交车的到站时间：在办公室发送短信控制家政服务员进出住宅的时间：在学校全面代替现有学生证和学生卡；遍布市区智能公用电话亭查询地图、公交线路、餐饮购物等信息：在加油站、超市、银行任何有POS机的地方支付款项并用手机收取电子发票。

3NFC目前在手机中的应用

3.1手机内置NFC作为世博刷卡芯片

手机基于目前的平台增加复旦微电子的FM1920芯片作为NFC应用芯片。硬件原理框图如图4。

硬件设计为兼容“双界面卡”和“eNFC”两种方案：

(1)双界面卡是一种多功能的UIM卡，是集接触式与非接触式接口为一体的智能卡：接触界面通过接触方式的触点访问芯片，实现中国电信CDMA功能：非接触界面则通过射频方式访问芯片，实现诸如公交一卡通、电子钱包等应用：接触界面符合ISO／IEC 7816：非接触符合ISO／lEC 1 4443。

原理框图如图4所示，SIM卡座的数据线、时钟线、电源连接在FMl920和Baseband的SIM接口。增加C6pin的连接作为安全模块协议，符合SWP(SingIe WireProtocol)协议。8触点的SIM卡座中有两个触点C4、C8是目前没有用到的管脚，国际组织定义这两个接口是用于高速数据下载的，双界面卡方案使用C4，C8触点连接到卡内的RF模块，外接NFC天线，形成闭合回路，实现射频通讯功能，如SIM卡上部的虚线所示。UIM的CLK，RST，10引线的连接可以通过FMl920与Baseband芯片相连，若通过外部连接的方式(虚线)，仅支持SWPSIM卡。

(2)eNFC方案是基于卡和手机结合方式实现的RFID非接触应用方案，“e”代表“enhanced”即增强的意思。Inside公司将其手机非接触式IC技术更名为增强性NFC技术，并且在NFC对ISO标准的支持列表中增加了ISO14443 TypeB和ISO15693。安全芯片集成在UIM卡上，使用NFC控制器FM1920桥接UIM卡和手机的baseband，通过FMl920芯片的连接方式(实线)，可以同时支持SWP、SSP(Sim card CL interfaceSwitch Protoc01)、DWP(Sim card Dual Date WiresProtocoI)三种规格的SIM卡；NFC天线连接到FM1920芯片上。

上述两种方案共用NFC天线，区别在于NFC天线的连接方式，双界面卡用SIM卡的C4，C8 pin，且可能终

端软件会产生接触和非接触通讯冲突问题：且对于不同的运营商需要调试不同的天线匹配。而eNFC的方案天线连接于FM1920。两者都支持关机刷卡，仅通过外接线圈完成非接支付。世博门票刷卡方案最终采用eNFC方案量产。

手机的充值余额在FMl 920内置的数据EEPROM中，可以支持10万次的擦写，10年的数据保存。最终此方案成功应用于世博刷卡手机中。

3.2NFC应用于蓝牙等无线设备的识别及通信

NFC三大应用之一一点对点通信模式近年来被广泛关注。近日谷歌宣布新版Android系统不用配对即可连接蓝牙。普通装置蓝牙之间需要通讯时，一般需要先搜索蓝牙设备，根据对方地址选定后再进行配对，密码输入验证双方身份，验证正确后才能进行蓝牙之间的文件传输。加入NFC模块后，手机可实现近场无需验证，直接配对，加快了实现通信的时间。本方案主要依据近场通信协议，描述软硬件的大体实现方式。

(1)硬件系统搭建

NFC装置具有两大单元模块：NFC单元和协议匹配单元。芯片通过UART接口和主芯片通信；外有射频收发器件连接到近场通信所需专用天线，NFC的识别距离为20cm以内。

如图5所示，NFC单元通过S2C协议的信号与外部安全模块进行通信。协议匹配单元确定所插入安全模块中的芯片类型，根据识别的结果产生芯片识别信号，并根据该芯片识别信号使输入到NFC单元和从NFC单元输出的基于S2C协议的信号的协议，与输入到所述安全模块和从所述安全模块输出的信号协议相匹配。目前外部安全模块有以下三种方式：NFC+SIM(用户标识模块)安全模式，NFC手机将采用单线协议SWP标准和SIM连接，SIM将托管移动商务应用程序和安全密钥：第二种为NFC+SD／TF卡的连接方式，将安全模块嵌入到SD／TF卡中；第三种为NFC+智能IC卡，将支付票证应用程序和相关密钥储存在智能IC卡中，将NFC和智能IC卡组合在同一封装和芯片中，其单位成本最具吸引力，也可作候选方案。目前NXP公司推出的PN65N就是内部集成了SE芯片的。

手机上的软件通过UART串口使NFC芯片和Baseband进行通信，BB端和NFC之间需要有HCI协议层通信，用于BB端上层MMI应用层调用。

如图6所示，为具有近场通信的蓝牙通信框图。设备必须同时有蓝牙模块及NFC近场通信模块。进行通信时，两个设备相互靠近，在10cm左右的NFC通信范围内，系统产生一个UUID设备号，然后将手机蓝牙的12位MAC地址编入到一个NDEF信息中并启动UUID的监听服务，这样就能使用NFC的近场通信特点完成快速蓝牙连接。传输数据还是通过蓝牙硬件自身的OBEX协议来进行传输，蓝牙硬件本身不需要做改动。

(2)软件流程

图7为软件流程示意图。当两个设备相互靠近，NFC通信模块检测到通信消息，触发NFC通信。通信建立后，通过NFC通信接口取到对方蓝牙MAC地址，从本地蓝牙模块取得本地蓝牙MAC地址，根据两者生成唯一的UUID，通过该UUID来创建蓝牙RFCOMM通信通道，从而快速实现高速蓝牙通信。

4结语

本文通过介绍NFC的原理及应用模式，提出在手机上集成NFC芯片进行功能扩展的方案，世博刷卡手机经过实践验证后量产，有关NFC功能协助蓝牙快速配对和通信还在开发研究中。本方案应用于一些智能手机产品中，相对于卡模式，只要运营商支持就可以满足手机作为智能卡的需求。手机将逐渐取代信用卡、积分卡、交通卡完成交通购票、小额支付账单、积分购物等服务，点对点的通信应用研究，还有很多领域有待开发，相信在不久的将来可以看到NFC带给生活更多便捷。