磁控RF-SIM卡的设计与实现

梁融凌

（福建师范大学福清分校 数学与计算机科学系，福建 福清 350300）

随着科技的进步，手机已成为现代人生活中不可或缺的工具.在智能手机快速普及的今天，人们早已不满足于手机仅提供通信服务的功能，人们需要手机具备更多的深层次功能，例如金融服务功能.正是由于这样的需求，手机逐渐向金融服务领域渗透.手机移动支付，这个用手机替代银行卡的技术，顺应了这一趋势.其实，早在2003年移动支付概念就已经萌芽，同期出现了以13.56MHz为通信频率的NFC近场技术和以2.45 GHz为通信频率的RF-SIM技术.这2种技术都可应用于移动支付领域，后者是中国自己提出的移动支付标准.相对前者，RF-SIM技术具有不换手机的优势，更易于大规模推广.目前RF-SIM技术已在开闭环支付等领域获得了广泛应用，例如深圳的手机深圳通应用、各大高校的校园手机移动支付应用.中国的三大通信运营商：中国移动、中国电信、中国联通，都以RF-SIM技术作为各自企业移动支付业务的基础，并制定了各自的企业标准.得益于RF-SIM技术的发展和广泛应用，目前市场上已形成了RF-SIM卡和RF-POS读写器2类产品.RF-SIM卡作为智能卡电信应用和移动支付业务的载体，它是RF-SIM技术的核心产品，在RF-SIM技术体系中占据非常重要的地位.本文将着重介绍磁控RF-SIM卡的设计和实现.

1 RF-SIM卡概述

RF-SIM卡是可实现中近距离无线通信的手机智能卡，是一个可代替钱包、钥匙和身份证的全方位服务平台.它的最大特点是不需要更换手机，现有手机换一张智能卡后就成了类NFC手机，而它的非接触式部分的工作频率为2.45 GHz.

从外形上看，RF-SIM卡是一张标准的普通SIM卡；从功能上看，它既要承载普通SIM卡的电信业务功能（如网络鉴权）,又要承载移动支付、门禁、考勤等业务功能.磁控RF-SIM卡，是利用磁特性实现可靠距离控制的最新一代RF-SIM卡，它具有功耗低、安全可靠、交易时间短等特点，是开闭环应用环境下的典范[1].

2 软硬件架构设计

磁控RF-SIM卡产品由硬件和软件2部分组成.由于磁控RF-SIM卡的外形如同普通SIM卡，因此，它必须符合ISO/IEC 7816-1、7816-2、7816-3标准[2]；又由于磁控RF-SIM卡需要承载多个不同应用，卡操作系统(COS)将是一个多任务、多应用的软件系统.为了符合硬件标准并同时满足业务要求，硬件系统采用了多颗芯片作为智能卡COS和距离控制的基础，软件系统则采用了高效、灵活的SimuJava COS架构[3].

具体架构设计：硬件部分采用以ARM SC100为核心的安全芯片作为主控MCU，采用2 kHz磁芯片实现距离控制，采用2.45 GHz射频芯片完成高速数据交换.软件部分，提供了一个硬件管理和多应用环境以及一个可供卡商二次开发的机制.可以通过图1、图2概览硬件、软件架构全貌.

2.1 硬件架构

磁控RF-SIM卡片的硬件连接见图1.磁控RF-SIM卡的硬件由电路基板以及主控芯片、2 kHz磁芯片、2.45 GHz射频芯片等组成.主控芯片通过SPI硬件接口实现了对2 kHz磁芯片和2.45 GHz射频芯片的控制，同时主控芯片通过自身的7816硬件接口实现了与手机的通信.2 kHz磁芯片通过线圈接受读卡器发送的磁信号，根据磁场强度识别刷卡距离，从而达到距离控制的目的[4].2.45 GHz射频芯片用来进行数据交换，快速完成电子钱包等交易指令的交互.

2.2 软件架构

如图2，软件总体框架分为内核层和应用层.

图1 磁控RF-SIM卡片的硬件连接图

3 Si mu Java COS软件的功能实现

图2 SimuJava COS架构图

SimuJava COS是一个功效类似Java及GP的智能卡多应用开发平台，它先将信息下载到安全芯片里，然后构造出多个虚拟的CPU环境(VPU)供后续的应用程序独立分割运行，从而实现多个应用相互独立的安全产品.如图2，SimuJava COS平台分为3个层次：硬件层、COS内核层、应用层.

3.1 COS内核层

COS内核层分别实现了底层硬件驱动、非接协议栈（contactless protocol stack,CPS）、任务调度及应用安全管理（general manager,GM），同时向应用层提供了丰富的API.

3.1.1 底层驱动（Driver）

底层驱动层实现了主控芯片所有外设接口的驱动，总体上实现了平台对硬件的管理.具体包括：1）7816硬件接口驱动；2）Flash存储器驱动；3）SPI通信驱动；4）底层掉电保护；5）MPU内存保护单元驱动；6）RSA算法；7）DES/3-DES加解密；8）Timer等其他外设驱动.

3.1.2 非接协议栈

非接协议栈层在驱动层的基础上，实现了不同版本的2.45 GHz近场通信协议.非接协议栈总体根据OSI参考模型的原理压条法设计，分为4层，定义如下：1）物理层.负责比特信号处理，具体包括：比特信号调制、射频信号解调、工作模式切换.2）链路层.负责帧处理，具体包括：控制帧的发送、控制帧的接受、组帧、拆帧.3）传输层.负责包的处理，具体包括：将消息拆分包，将帧组成包.4）会话层.负责应用与业务接口处理、会话层内部控制处理.

3.1.3 任务调度、应用安全管理

该层是COS的核心层，实现了任务调度、应用管理等基本功能.基于硬件的MPU设施，GM层实现了应用访问权限的控制，任何的违规访问都将被拒绝.

3.1.4 API接口

基于这种模式提供的API接口，应用开发方可以在卡片上进行独立的开发.开发后的应用无需和内核COS统一编译，可独立编译下载到卡片上.API的形式简单，易于开发，只需要用4个API函数即可使卡商完成接触式和非接触式应用的开发：U8 Cos_InProcess(void);void Cos_GetHead(U8*pHead);U32 Cos_In-Comming(U8*pData,U32 nLen);U32 Cos_OutGoing(U8*pData,U32 nLen).

3.2 应用层

基于核心层提供的API，应用开发方可以开发自己的应用.得益于GM层提供的MPU保护功能，应用与应用之间不能相互访问数据和代码.除此之外，应用也不能随意访问硬件层寄存器和内核层的数据.这些措施极大地保障了数据的安全性.

4 结语

移动互联网时代，手机支付必将越来越普及.SIM智能卡作为电信应用和手机功能扩展的专用集成电路卡片，是手机支付业务的重要载体.磁控RF-SIM卡将磁控技术、2.45 GHz射频技术与SIM卡巧妙结合，既保留了传统SIM卡的所有业务功能，还额外提供了安全的射频通道和金融级别的支付业务功能；而且不用更改移动终端就能实现手机支付，非常适合我国国情，能快速普及和快速产业化[5].

[1]国民技术股份有限公司.一种带低频磁通信的射频SIM卡冲突检测方法[P].中国：201010138492.2，2011-10-12.

[2]王爱英.智能卡技术[M].北京：清华大学出版社,2000.

[3]于宏军,赵东艳.智能（IC）卡技术全书[M].北京：电子工业出版社,1996.

[4]CARL JW.射频和无线技术入门[M].北京：清华大学出版社,2005.

[5]盛泉,李林森,汤惠莉.应用于手机支付的2.4GRF-SIM卡[J].电信快报,2010(1):36-42.