CN101848559A

CN101848559A - 信息传输的实现系统和智能卡

Info

Publication number: CN101848559A
Application number: CN201010176222A
Authority: CN
Inventors: 梁国和
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2010-09-29

Abstract

本发明公开了一种信息传输的实现系统和智能卡，该实现系统包括：主控设备与智能卡，其中，智能卡设置有预留接口集合和包括第二时钟接口的第一接口集合，其中，智能卡基于第一协议与主控设备进行交互；智能卡通过第二时钟接口基于第二协议与主控设备进行交互；其中，主控设备通过第一时钟接口与智能卡的第二时钟接口进行时钟控制信号的传输，智能卡通过预留接口集合中的至少一个接口与主控设备进行数据的传输。借助于本发明，能够有效提升主控设备与智能卡之间信息传输的速率，并且降低主控设备的能耗，避免引入复杂的软件协议，降低信息传输的复杂度，改善智能卡与主控方的通信性能。

Description

信息传输的实现系统和智能卡

技术领域

本发明涉及数据网络通信领域，尤其涉及一种信息传输的实现系统和智能卡。

背景技术

用户识别模块卡(Subscriber Identity Module，简称为SIM卡)是一种特殊的智能卡，目前已经成为一种标准的接触式IC卡。SIM卡遵循接触式集成电路IC卡的规定(ISO7816标准)和欧洲电信标准委员会(ETSI)GSM11.11等标准的规范，能够实现存储数据(例如，在应用于中端时，能够存储电话本、短消息等信息)，并且，还能够在验证信息合法的条件下(即，在进行验证时待验证方的个人身份号码(PIN)和鉴权钥(Ki)均正确)完成客户身份鉴权、以及采用加密算法对客户信息进行加密等，另外，SIM卡还具有机卡分离工作、通信安全性高、成本低等特点。

目前，SIM卡芯片通过8个触点与移动终端相互接通，下面将对这8个触点进行简单说明：

(1)电源VCC(触点C1)：该触点用于与终端提供的电压源连接，通常，对SIM卡进行供电的方式包括5V、3V、以及1.8V，目前所采用的多数SIM卡能够支持3V/1.8V，所以在终端的稳压电路中通常会设置升压电路。

(2)复位RST(触点C2)：该触点用于传输SIM卡的工作复位信号，并且可用于对SIM卡的内部处理器进行复位操作。

(3)时钟CLK(触点C3)：该触点用于传输时钟信号，SIM卡通常可以采用两种频率的时钟信号，一种是频率为13M/4的3.25MHz的基准时钟信号，另外一种是频率为1.083MHz的基准时钟信号。

(4)USB+(触点C4)：该触点是为了实现SIM卡与USB接口之间的通信而预留的接口。

(5)接地端GND(触点C5)；该触点用于接地。

(6)编程电压VPP(触点C6)：该触点用于为SIM卡的编程供电，在目前采用SIM卡的终端中，该触点通常为空脚或者与VSIM供电线相连，该触点能够支持单线协议(Single Wire Protocol，简称为SWP)，为支持近距离通信(Near Field Communication，简称为NFC)功能预留。

(7)数据输入/输出(I/O)接口(触点C7)：该触点为SIM卡的数据接口，用于与移动终端进行SIM卡内部的信息传输通信。

(8)USB-(触点C8)：该触点是为了实现SIM卡与USB接口之间的通信而预留的接口。

目前，SIM卡一般采用USB接口作为高速接口，USB主要可分为USB2.0和USB1.1标准。其中，USB1.1标准的传输速率在理论上能够达到12Mbps，而USB2.0标准的传输速率则可以达到480Mbps，在实现基于这两种标准的通信时，均需要借助SIM卡上的触点C4和C8。

USB机卡接口(Inter Chip USB，简称为IC-USB)方案是ETSI确立的高速SIM卡标准，在ETSI TS 102.600中，定义了IC-USB的接口特性，而ISO7816-12定义了IC-USB电气接口和操作过程。目前，IC-USB速率支持12M bps，并且要求最大功耗小于80mA。虽然IC-USB是国际标准，但由于支持IC-USBHost及IC-USB驱动的通信平台或移动终端并未得到广泛应用，导致该标准相关的技术发展较慢。并且，该标准中定义的12M bps速率并不能够达到多媒体业务传输对带宽的要求，此外，该技术实现时会产生较高的功耗以及并且会增加软件协议的复杂度，由于移动终端本身的系统资源很有限，因此该技术不能够很好的适用于移动终端。除了USB接口与SIM卡的通信方式外，目前尚未提出能够使各种智能卡基于其他方式与作为主控设备的终端进行通信的合理方案。

发明内容

针对相关技术中智能卡与主控设备的信息传输效率低导致主控设备和智能卡的应用受限的问题，本发明提出信息传输的实现系统和智能卡，能够实现智能卡与主控设备之间的高速信息传输。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种信息传输的实现系统，包括主控设备与智能卡，其中，

所述智能卡设置有预留接口集合和包括第二时钟接口的第一接口集合，其中，所述智能卡基于第一协议与所述主控设备进行交互；

所述智能卡通过所述第二时钟接口基于第二协议与所述主控设备进行交互；

其中，所述主控设备通过第一时钟接口与所述智能卡的所述第二时钟接口进行时钟控制信号的传输，所述智能卡通过所述预留接口集合中的至少一个接口与所述主控设备进行数据的传输。

其中，所述第二协议为串行外围设备接口协议，则所述主控设备还包括第一输入接口、第一输出接口和第一片选信号接口，所述预留接口集合包括与所述第一输出接口连接的第二输入接口、与所述第一输入接口连接的第二输出接口、和与所述第一片选信号接口连接的第二片选信号接口。

优选地，所述智能卡通过所述预留接口集合中的至少一个接口与所述主控设备进行数据的传输的操作包括：

所述主控设备通过所述第一片选信号接口使能所述智能卡并与所述智能卡建立基于串行外围设备接口协议的通信；

所述主控设备在所述时钟控制信号的控制下基于串行外围设备接口协议通过所述第一输入接口接收所述智能卡经所述第二输出接口发送的信息，并在所述时钟控制信号的控制下基于串行外围设备接口协议通过所述第一输出接口向所述第二输入接口发送信息。

进一步地，上述实现系统还包括：

分频器，用于对所述时钟控制信号进行分频，得到频率满足所述智能卡要求的时钟控制信号，并且，所述智能卡用于在分频后得到的时钟控制信号的控制下接收由所述主控设备经所述第一输出接口发送的信息或经所述第二输出接口向所述主控设备发送信息。

其中，所述主控设备用于通过控制所述第一片选信号接口上片选信号的电平来使能所述智能卡。

其中，所述智能卡的数量为至少一个，所述第一片选信号接口的数量为至少一个，每个智能卡的第二片选信号接口均连接至一个第一片选信号接口，且每个第一片选信号接口仅连接一个智能卡的第二片选信号接口。

优选地，所述第二输入接口为C8接口，所述第二输出接口为C4接口，所述第二片选信号接口为单线协议接口，所述第二时钟接口为C3接口。

本发明还提供一种智能卡，该智能卡包括：

预留接口集合、和包括第二时钟接口的第一接口集合，其中，所述智能卡基于第一协议与主控设备进行交互；并且，所述智能卡通过所述第二时钟接口基于第二协议与所述主控设备进行交互；其中，所述智能卡通过所述第二时钟接口与所述主控设备的第一时钟接口进行时钟控制信号的传输，所述智能卡通过所述预留接口集合中的至少一个接口与所述主控设备进行数据的传输。

进一步地，上述智能卡还包括：

其中，所述第二协议为串行外围设备接口协议，所述预留接口集合包括与所述主控设备的第一输出接口连接的第二输入接口、与所述主控设备的第一输入接口连接的第二输出接口、和与所述主控设备的第一片选信号接口连接的第二片选信号接口，其中，

所述第二片选信号接口，用于传输片选信号，其中，所述片选信号用于控制是否使能所述智能卡；

所述第二时钟接口，用于传输所述主控设备向所述智能卡发送的时钟控制信号；

所述第二输入接口，用于传输所述主控设备在所述时钟控制信号的控制下向所述智能卡发送的信息；

所述第二输出接口，用于传输所述从设备在所述时钟控制信号的控制下向所述主控设备发送的信息。

借助于本发明的上述技术方案，通过将智能卡的第一接口集合以及预留接口集合中的接口(也可称为管脚或触点)与主控设备的接口连接，使得智能卡能够与主控设备进行基于多接口总线(例如，SPI等(四接口总线))的通信，相比于基于USB协议进行通信，能够有效提升主控设备与智能卡之间信息传输的速率，并且降低主控设备的能耗，避免引入复杂的软件协议，降低信息传输的复杂度，不论是在终端作为主控设备的情况下、还是其他设备对智能卡进行控制的情况下，都能够改善主控方与智能卡的通信性能。

附图说明

图1是根据本发明实施例的信息传输的实现系统的框图；

图2是以SIM卡作为智能卡与主控设备连接的示意图；

图3是以SIM卡作为智能卡实现分频器设置的示意图；

图4是根据本发明实施例的信息传输的实现系统中主控设备与多个SIM卡连接的示意图。

具体实施方式

针对相关技术中智能卡与主控设备的信息传输效率低导致主控设备和智能卡的应用受限的问题，本发明提出通过占用智能卡上的多个触点，将这些触点与主控设备的触点连接，使得彼此连接的触点能够满足高速总线的要求，从而使智能卡能够与主控设备之间能够基于高速总线接口(例如，串行外围设备接口(Serial Peripheral Interface，简称为SPI))进行高速信息传输，从而有效改善了智能与外界的通信能力，有助于对主控设备上的各种应用提供支持，改善主控设备与智能的性能。

图1是根据本发明实施例的信息传输的实现系统的结构框图，如图1所示，该信息传输的实现系统包括主控设备(主控设备可以是终端设备，也可以是其他与智能连接并用于控制智能卡的各种控制设备，如带有智能卡插槽的笔记本电脑、带有智能卡插槽的PDA)1与智能卡(可以称为从控设备)2，其中，智能卡设置有预留接口集合和包括第二时钟接口的第一接口集合，其中，智能卡基于第一协议与主控设备进行交互；智能卡通过第二时钟接口基于第二协议与主控设备进行交互；其中，主控设备通过第一时钟接口与智能卡的第二时钟接口进行时钟控制信号的传输，智能卡通过预留接口集合中的至少一个接口与主控设备进行数据的传输。该智能卡可以为SIM卡、UIM卡等，此时，第一协议可以为ISO 7816协议，第一接口集合可以包括：电源VCC(触点C1)、复位RST(触点C2)、时钟CLK(触点C3)、接地端GND(触点C5)和数据输入/输出(I/O)接口(触点C7)，预留接口集合可以包括：USB+(触点C4)、编程电压VPP(触点C6)、USB-(触点C8)。

如果第二协议为SPI协议，则主控设备11可以包括第一输入接口、第一输出接口、第一时钟接口、和第一片选信号接口，智能卡12包括与第一输出接口连接的第二输入接口、与第一输入接口连接的第二输出接口、与第一时钟接口连接的第二时钟接口、和与第一片选信号接口连接的第二片选信号接口；主控设备11通过第一片选信号接口使能智能卡12并与智能卡12建立基于SPI的通信；主控设备11通过第一时钟接口将时钟控制信号发送给第二时钟接口；主控设备11在时钟控制信号的控制下基于SPI通过第一输入接口接收智能卡12经第二输出接口发送的信息，并在时钟控制信号的控制下基于SPI通过第一输出接口向第二输入接口发送信息。

借助于本发明的上述技术方案，通过将智能卡的第一接口集合以及预留接口集合中的接口与主控设备的接口连接，从而使主控设备与智能卡实现基于高速总线接口的通信，例如，由于SPI接口需要将智能卡的四个接口与主控设备的四个接口分别相连接，在上述系统中，可以通过将智能卡的四个接口(也可称为管脚或触点)与主控设备的四个接口连接，使得智能卡能够与主控设备进行SPI接口的通信，相比于基于USB协议进行通信，能够有效提升主控设备与智能卡之间信息传输的速率，并且降低主控设备的能耗，避免引入复杂的软件协议，降低信息传输的复杂度，不论是在终端作为主控设备的情况下、还是其他设备对智能卡进行控制的情况下，都能够改善主控方与智能卡的通信性能。

优选地，第一输入接口(用于数据输入)可以为主控设备的主控输出/从控输入(MOSI)接口，第一输出接口可以为主控输入/从控输出(MISO)接口，第一片选信号接口可以为SS接口；对于智能卡侧，第二输入接口可以为C8接口，第二输出接口可以为C4接口，第二片选信号接口可以为SWP接口。

下面将以SIM卡与主控设备的通信为例进行描述，但是本领域技术人员应当理解，诸如UIM和UICC等的其他智能卡同样可以采用类似的方式与主控设备进行信息传输，本文不再一一列举。

如图2所示，主控设备的MISO接口与从控设备的C4接口连接；主控设备的MOSI接口与从控设备的C8接口连接；主控设备的串行时钟接口(SCK)与从设备的CLK(C3)接口连接(即，通过SIM卡的CLK接口进行SPI数据总线与SIM卡的时钟线复用)；主控设备包括多个第一片选信号接口(SS0接口、SS1接口、SS2接口和SS3接口)，每个第一片选信号接口均可以连接至一个SIM卡的SWP接口(C6接口)，在图2所示的系统中，主控设备的SS0接口连接至从控设备的SWP(C6)接口。

优选地，主控设备可用于通过控制第一片选信号接口上片选信号的电平来使能SIM卡，也就是说，在主控设备的多个SS接口均连接有不同SIM卡的情况下，主控设备可以通过改变多个SS接口的电平来使能相连接的一个SIM。

对于主控设备的片选信号接口与从控设备的片选信号接口，其上的高层协议完全可以通过高速接口来实现。

这样，SPI接口通过C4接口、C8接口、C6接口、和复用的CLK接口实现，其在功能上可以完全超越目前的ISO7816接口及USB接口，原有7816接口为实现兼容功能保留。

SPI是一种4线同步串行接口，主要使用4个信号：主控输出/从控输入(MOSI)、主控输入/主控输出(MISO)、串行SCLK或SCK和外设芯片(CS)，并且还可以包括SPI接口专用的芯片选择功能，称为从机选择(SS)。MOSI能够实现主器件数据输出，从器件数据输入；MISO能够实现主器件数据输入，从器件数据输出；SCLK能够实现时钟信号，由主器件产生；SS能够实现从器件使能信号，由主器件控制。在通信过程中，数据通信在从器件选择(SS)或片选信号(CS)为低时有效，则可以通过主控输出(MOSI)、串行输入(MISO)、串行时钟(SCK)来完成数据传输。

基于SPI的上述特性，通过上述方式将主控设备与SIM卡连接，就能够实现主控设备与SIM卡之间基于SPI高速接口的信息传输。

基于点对点通信的方式，主控设备(可以是工作在主控模式下的移动终端)就能够发出串行时钟(SCK)，通过CS低时有效使能(选择)作为从控设备的SIM卡，并且SPI接口不需要进行寻址操作，能够降低信息传输的复杂度。

此外，SPI是一个环形总线结构，内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器，其时序较为简单，主要是在SCK的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换，传输的数据可以是8位，在移动终端上产生的SIM卡使能信号(SS)和移位脉冲(SCK)下，按位传输，高位在前，低位在后；并且，可以在上升沿发送、下降沿接收、高位先发送，具体地，当上升沿到来时，串行输出上的电平将被发送到SIM寄存器中；当下降沿到来时，串行输入上的电平将被接收到移动终端的寄存器中，这样，主控设备和SIM卡的移位寄存器中的内容就完成交换，从而能够在主控设备与SIM卡之间实现高效的全双工通信方式，有效提高通信效率。

在实际应用中，CLK(C3)用于接收主控设备提供的读/写SIM卡的参考时钟，并且SIM卡的时钟频率通常均由外部提供，协议规定的外接最大时钟频率为20Mhz，但SPI接口的串行时钟(SCK)要求比较高，例如，可以达到26Mhz或更高，为了实现时钟频率的匹配，本发明的信息传输的实现系统中可以进一步包括分频器(图1和图2中未示出)，该分频器可设置于主控设备侧、或主控设备与SIM卡外部、或SIM卡侧，该分频器可用于对来自主控设备的时钟控制信号进行分频，得到频率满足SIM卡要求的时钟控制信号，这样，SIM卡就能够在分频后得到的时钟控制信号的控制下接收由主控设备经第一输出接口发送的信息或经第二输出接口向主控设备发送信息。

通过采用分频器，使SIM卡能够兼容高频率的时钟控制信号，并且能够同时兼容SIM卡上原来的时钟设置(低频时钟设置)，分频器可以设置可以多路输出，一路输出作为SPI的SCK线，另一路用于提供SIM卡的通信时钟控制，其他路的输出时钟可以根据需要来设定为其他频率。

这里，通信时钟控制一般包括：数据位宽度、字符/帧长度、发向字符时间间隔、返回INS与后续字节间隔时间等通信时钟相关控制，具体地，该时钟可以遵循ISO7816标准和ETSI GSM11.11。

为了与现有SIM卡的完全兼容，可以通过更改相关协议进行CLK速率协商。

图3示出了将分频器设置在SIM卡内部的情况，其中，分频器输出的一路时钟(协议所要求的时钟)用于SIM卡的通信时钟控制，另一路可以输出其他频率的时钟。

此外，对于SIM卡的SWP(C6)接口，在进行复用时，其上的应用协议完全可以通过高速接口(SPI)来实现，也可进行简单的触点复用，如片选信号。

在采用片选信号复用的情况下，可以设定CS协议低电平有效，在不基于SPI工作时CS为高电平时，按原有协议进行通信；当SPI接口工作时，即CS为低时，说明在主控该设备与SIM卡已经直接建立高速通信，此时NFC相关的应用转到SPI接口上，通过SPI高速接口进行通信。

图4示出了用SPI接口实现双/多SIM卡高速通信的实例。

SPI是一个同步协议接口，所有的传输都参照一个共同的时钟，这个同步时钟信号由主控设备(终端)产生，SIM卡使用时钟来对串行比特流的接收进行同步化，因此，可能将多个SIM卡连到移动终端的同一个SPI接口上。由于目前很多终端上同时有多张SIM卡，而SPI接口支持一个主控控制多个从控设备，因此，可以方便的实现多SIM卡高速通信，即，主控设备的MISO接口连接至SIM1、SIM2、SIM3以及SIM4中每个SIM卡的C4接口，MOSI接口连接至每个SIM卡的C8接口，SCK接口连接至每个SIM卡的C3接口，SS0连接至SIM1的C6，SS1连接至SIM2的C6，SS2连接至SIM3的C6，SS3连接至SIM4的C6。这时，主控设备通过触发从设备(SIM卡)的片选输入引脚来选择接收数据的SIM卡，没有被选中SIM卡将不会参与SPI传输。

尽管图4中仅示出了4个SIM卡，在实际应用中，主控设备可以与少于4个或更多的智能卡进行连接，且智能卡的类型并不局限于SIM卡、UIM、卡UICC。

应当注意，在以上方案中，以SPI总线为例进行了描述，但是本发明并不限于此，通过本发明的上述技术方案，凡是采用输入/输出口、时钟口、片选口的形式的接口总线均能够用于实现智能卡与主控设备之间的信息传输，其具体过程与上述过程类似，本文不再一一列举和详述。

本发明还提供一种智能卡，该智能卡包括预留接口集合、和包括第二时钟接口的第一接口集合，其中，智能卡基于第一协议与主控设备进行交互；并且，智能卡通过第二时钟接口基于第二协议与主控设备进行交互；其中，智能卡通过第二时钟接口与主控设备的第一时钟接口进行时钟控制信号的传输(该时钟控制信号由主控设备提供)，智能卡通过预留接口集合中的至少一个接口与主控设备进行数据的传输。

该智能卡还包括分频器，用于对时钟控制信号进行分频，得到频率满足智能卡要求的时钟控制信号，并且，智能卡用于在分频后得到的时钟控制信号的控制下接收由主控设备经第一输出接口发送的信息或经第二输出接口向主控设备发送信息。

如果第二协议为串行外围设备接口协议，则预留接口集合包括与主控设备的第一输出接口连接的第二输入接口、与主控设备的第一输入接口连接的第二输出接口、和与主控设备的第一片选信号接口连接的第二片选信号接口，其中，第二片选信号接口，用于传输片选信号，其中，片选信号用于控制是否使能智能卡；第二时钟接口，用于传输主控设备向智能卡发送的时钟控制信号；第二输入接口，用于传输主控设备在时钟控制信号的控制下向智能卡发送的信息；第二输出接口，用于传输从设备在时钟控制信号的控制下向主控设备发送的信息。如果智能卡为SIM卡，则第二输入接口为C8接口，第二输出接口为C4接口，第二片选信号接口为单线协议接口。

综上所述，借助于本发明的上述方案，通过使用/复用智能卡接口(触点)的方式来完成高速接口或总线的扩展，并完全兼容目前智能卡基于IOS7816的信息传输方式，能够使诸如SIM卡的智能卡与主控设备实现基于高速总线接口(例如，SPI)的高速通信，相比于相关技术中基于USB接口进行通信的方式，本发明实施例的上述方案具有功耗低、反应周期短、传送速率快的优点，而SPI接口/总线同样是一种通用技术，因此，上述方案具有广泛的应用范围；基于上述方案，智能卡不仅能够保留原有的安全特性和存储功能，而且能够有效提高智能卡的通信效率，改善主控设备与智能卡之间协作的性能，使得智能卡的性能能够满足各种新兴业务(例如，电子支付、多媒体业务)的要求；并且，通过CLK、SWP等接口的复用，能够节省智能卡的可用接口，有助于为未来进行更多的扩展提供帮助。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种信息传输的实现系统，其特征在于，包括主控设备与智能卡，其中，

其中，所述主控设备通过第一时钟接口与所述智能卡的第二时钟接口进行时钟控制信号的传输，所述主控设备通过所述预留接口集合中的至少一个接口与所述智能卡进行数据的传输。

2.根据权利要求1所述的实现系统，其特征在于，所述第二协议为串行外围设备接口协议，则所述主控设备还包括第一输入接口、第一输出接口和第一片选信号接口，所述预留接口集合包括与所述第一输出接口连接的第二输入接口、与所述第一输入接口连接的第二输出接口、和与所述第一片选信号接口连接的第二片选信号接口。

3.根据权利要求2所述的实现系统，其特征在于，所述智能卡通过所述预留接口集合中的至少一个接口与所述主控设备进行数据的传输的操作包括：

4.根据权利要求2所述的实现系统，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求2所述的实现系统，其特征在于，所述主控设备用于通过控制所述第一片选信号接口上片选信号的电平来使能所述智能卡。

6.根据权利要求2所述的实现系统，其特征在于，所述智能卡的数量为至少一个，所述第一片选信号接口的数量为至少一个，每个智能卡的第二片选信号接口均连接至一个第一片选信号接口，且每个第一片选信号接口仅连接一个智能卡的第二片选信号接口。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的实现系统，其特征在于，所述第二输入接口为C8接口，所述第二输出接口为C4接口，所述第二片选信号接口为单线协议接口，所述第二时钟接口为C3接口。

8.一种智能卡，其特征在于，所述智能卡包括预留接口集合、和包括第二时钟接口的第一接口集合，其中，所述智能卡基于第一协议与主控设备进行交互；并且，所述智能卡通过所述第二时钟接口基于第二协议与所述主控设备进行交互；其中，所述智能卡通过所述第二时钟接口与所述主控设备的第一时钟接口进行时钟控制信号的传输，所述智能卡通过所述预留接口集合中的至少一个接口与所述主控设备进行数据的传输。

9.根据权利要求8所述的智能卡，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求8所述的智能卡，其特征在于，所述第二协议为串行外围设备接口协议，所述预留接口集合包括与所述主控设备的第一输出接口连接的第二输入接口、与所述主控设备的第一输入接口连接的第二输出接口、和与所述主控设备的第一片选信号接口连接的第二片选信号接口，其中，

11.根据权利要求10所述的智能卡，其特征在于，所述第二输入接口为C8接口，所述第二输出接口为C4接口，所述第二片选信号接口为单线协议接口，所述第二时钟接口为C3接口。