CN108012256B - 一种虚拟通用用户识别模块的通信方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种虚拟通用用户识别模块(USIM)卡的通信方法,将USIM卡的操作系统作为虚拟USIM卡进程装载于微处理芯片中,并将所述微处理芯片通过通用输入输出(GPIO)接口与通信芯片建立连接;所述微处理芯片运行所述虚拟USIM卡进程,并通过GPIO接口与通信芯片传输通信消息;所述GPIO接口用于模拟USIM卡接口信号功能。本发明还同时公开了一种虚拟USIM卡的通信装置。

Description

一种虚拟通用用户识别模块的通信方法及装置
技术领域
本发明涉及虚拟通用用户识别模块(Universal Subscriber Identity Module,USIM)卡技术领域,尤其涉及一种虚拟USIM卡的通信方法及装置。
背景技术
目前,蜂窝网络通信需要通过USIM卡实现用户和网络的鉴权,USIM卡大多以实体卡的形式通过机械触点与通信芯片连接,USIM卡与通信芯片之间一般通过ISO7816-3协议进行通信。在嵌入式应用场景中,为了提高灵活性、降低开发难度,通常选用微处理芯片作为应用处理器,微处理芯片包括用户进程、操作系统和硬件接口,微处理芯片与通信芯片之间通过AT(Attention)指令接口交互,通信芯片与USIM卡之间通过ISO7816-3协议接口完成通信交互,如图1所示。
现有技术中也存在虚拟USIM卡,通常有两种方式:一种是将USIM卡直接集成在通信芯片中;另一种是将USIM卡的数据存储在服务器上,需要时再下载到本地。
然而,现有技术中的实体USIM卡和虚拟USIM卡存在着以下缺点:
1)实体USIM卡需要安装空间,占用了印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)的面积,增加了成本;并且,实体USIM卡的机械触点可能会因为震动、氧化等因素造成接触不良,在一定程度上降低了实体USIM卡的可靠性和使用寿命;
2)集成在通信芯片中的虚拟USIM卡需要对通信芯片进行改造,增强了对通信芯片的要求;
3)将数据存储在服务器中的虚拟USIM卡需要部署服务器,并配合专用的下载协议才能完成虚拟USIM卡进程的下载,操作过程繁琐复杂。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例期望提供一种虚拟USIM卡的通信方法及装置,在保证USIM卡功能正常实现的基础上,不仅能节省成本,而且实现简单灵活。
为达到上述目的,本发明实施例的技术方案是这样实现的:
本发明实施例提供一种虚拟USIM卡的通信方法,所述方法包括:
将USIM卡的操作系统作为虚拟USIM卡进程装载于微处理芯片中,并将所述微处理芯片通过通用输入输出(General Purpose Input Output,GPIO)接口与通信芯片建立连接;
所述微处理芯片运行所述虚拟USIM卡进程,并通过GPIO接口与通信芯片传输通信消息;所述GPIO接口用于模拟USIM卡接口信号功能。
优选地,所述微处理芯片运行所述虚拟USIM卡进程,并通过GPIO接口与通信芯片传输通信消息,包括:
微处理芯片初始化虚拟USIM卡进程并运行;
微处理芯片根据通信芯片提供的时钟信号测量时钟信号频率,检测通信芯片的复位信号并启动应答;
微处理芯片接收来自通信芯片的数据,根据接收的第一个字节确定进入应用协议数据单元(Application Protocol Data Unit,APDU)交互过程的方式。
优选地,所述根据接收的第一个字节确定进入APDU交互过程的方式,包括:根据接收的第一个字节判断是否为协议与参数选择(Protocol And Parameter Selection,PPS)请求,若是PPS请求,则根据请求参数调整微处理芯片数据接口的波特率,进入APDU交互过程;否则,直接进入APDU交互过程。
优选地,所述采集时钟信号频率的所需时间在微处理芯片与通信芯片的接口协议规定的时间周期区间内。
本发明实施例提供一种虚拟USIM卡的装置,所述装置包括:装载模块、连接模块和通信模块;其中,
所述装载模块,用于将USIM卡的操作系统作为虚拟USIM卡进程装载于微处理芯片中;
所述连接模块,用于将微处理芯片通过GPIO接口与通信芯片建立连接;
所述通信模块,用于在微处理芯片运行所述虚拟USIM卡进程,并通过GPIO接口与通信芯片传输通信消息;所述GPIO接口用于模拟USIM卡接口信号功能。
优选地,所述通信模块,具体用于:在微处理芯片初始化虚拟USIM卡进程并运行;根据通信芯片提供的时钟信号测量时钟信号频率,检测通信芯片的复位信号并启动应答;接收来自通信芯片的数据,根据接收的第一个字节确定进入APDU交互过程的方式。
优选地,其特征在于,所述通信模块,具体用于:根据接收的第一个字节判断是否为PPS请求,若是PPS请求,则根据请求参数调整微处理芯片数据接口的波特率,进入APDU交互过程;否则,直接进入APDU交互过程。
优选地,所述采集时钟信号频率的所需时间在微处理芯片与通信芯片的接口协议规定的时间周期区间内。
本发明实施例的虚拟USIM卡的通信方法及装置,将USIM卡的操作系统作为虚拟USIM卡进程装载于微处理芯片中,并将所述微处理芯片通过GPIO接口与通信芯片建立连接;所述微处理芯片运行所述虚拟USIM卡进程,并通过GPIO接口与通信芯片传输通信消息;所述GPIO接口用于模拟USIM卡接口信号功能。可见,本发明实施例选用微处理芯片装载USIM卡的操作系统作为处理进程,并利用微处理芯片的引脚模拟USIM卡的引脚功能,以通过执行进程完成USIM卡的各种正常通信功能,并实现虚拟USIM卡与通信芯片的通信;如此,由于没有硬件实体的USIM卡,不会占用PCB板面积,能节省PCB板的面积、降低成本,还能避免机械触点造成的可靠性差、寿命短的缺陷。并且,无需通过部署服务器或改造通信芯片来实现虚拟USIM卡的功能,所以,实现过程简单方便,且增加了灵活性。
附图说明
图1为现有USIM卡的通信系统组成结构示意图;
图2为本发明实施例虚拟USIM卡的通信方法实现流程示意图;
图3为本发明实施例虚拟USIM卡的通信系统组成结构示意图;
图4为本发明实施例虚拟USIM卡的工作流程示意图;
图5为本发明实施例通信芯片与微处理芯片连接接口示意图;
图6为本发明实施例虚拟USIM卡的通信装置组成结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例中,将USIM卡的操作系统作为虚拟USIM卡进程装载于微处理芯片中,并将所述微处理芯片通过GPIO接口与通信芯片建立连接;所述微处理芯片运行所述虚拟USIM卡进程,并通过GPIO接口与通信芯片传输通信消息;所述GPIO接口用于模拟USIM卡接口信号功能。
这里,所述微处理芯片运行所述虚拟USIM卡进程,并通过GPIO接口与通信芯片传输通信消息,包括:微处理芯片先初始化虚拟USIM卡进程并运行;微处理芯片根据通信芯片提供的时钟信号测量时钟信号频率,检测通信芯片的复位信号并启动应答;微处理芯片接收来自通信芯片的数据,根据接收的第一个字节确定进入APDU交互过程的方式。
其中,所述根据接收的第一个字节确定进入APDU交互过程的方式,包括:
根据接收的第一个字节判断是否为PPS请求,若是PPS请求,则根据请求参数调整微处理芯片数据接口的波特率,进入APDU交互过程;否则,直接进入APDU交互过程。
进一步地,所述采集时钟信号频率的所需时间在微处理芯片与通信芯片的接口协议规定的时间周期区间内。
在本发明实施例中,所述微处理芯片可以包括但不限于微控制单元(Microcontroller Unit,MCU)、数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)、嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit,EMPU)等微处理器。
本发明实施例中,虚拟USIM卡的通信方法的实现流程如图2所示,包括以下步骤:
步骤201:将USIM卡的操作系统作为虚拟USIM卡进程装载于微处理芯片中,并将所述微处理芯片通过GPIO接口与通信芯片建立连接;
本发明实施例中,借助微处理芯片模拟实现虚拟USIM卡的功能,具体是将USIM卡的文件系统、鉴权算法、逻辑状态控制等软件部分,以代码或者数据的形式存储在微处理芯片中,实现智能卡操作系统(Card Operating System,COS)功能,并将COS作为一个进程独立运行在微处理芯片的操作系统之上;并且,本发明实施例还使用微处理芯片的引脚模拟USIM卡的引脚功能与通信芯片连接,实现虚拟USIM卡与通信芯片之间的通信功能;如图3所示。
参见图3所示,虚拟USIM卡与通信芯片之间仍采用ISO7816-3协议接口完成通信交互;微处理芯片本身与通信芯片之间仍采用AT指令接口进行通信。
步骤202:所述微处理芯片运行所述虚拟USIM卡进程,并通过GPIO接口与通信芯片传输通信消息;所述GPIO接口用于模拟USIM卡接口信号功能。
这里,虚拟USIM卡的工作状态包括:冷复位、热复位、复位与应答(Answer ToReset,ATR)过程、PPS过程和APDU交互过程;其中,冷复位和热复位状态下,微处理芯片要将所有USIM卡相关的数据初始化;复位信号的上升沿到达以后,在400至40000个时钟周期内,微处理芯片会向通信芯片发送ATR,并根据接收到的第一个字节确定进入APDU交互过程的方式。
本发明实施例中,虚拟USIM卡的具体工作流程如图4所示,包括以下步骤:
步骤41:初始化虚拟USIM卡进程并运行;
步骤42:根据电源引脚的状态进行相应操作;
这里,若检测到电源电平引脚为低电平,则虚拟USIM卡处于掉电状态,对复位引脚、时钟引脚及数据接口不作响应,结束本次处理流程;若电源引脚为高电平,则执行步骤43,开始检测复位引脚的状态。
步骤43:根据复位引脚的状态进行相应操作;
这里,若检测到复位引脚处于下降沿,则虚拟USIM卡处于复位状态,将初始化所有USIM卡相关的数据和状态,对时钟引脚和数据接口不作响应,结束本次处理流程应;若检测到复位引脚处于上升沿,则执行步骤44,开始进入时钟信号频率测量阶段。
步骤44:准确获得时钟信号频率;
本步骤具体包括:
首先启动计数器,等待溢出中断;
这里,测量时钟信号频率要用到一个计数器和操作系统的定时器,将时钟信号的372分频作为计数器的记数源,并在8个计数后产生中断。
之后,溢出中断中读取定时器的值,等待第二次溢出中断;
这里,在中断中读取当前定时器的值,然后等待下一次中断再次读取定时器的值,两次定时器值的差即为8*372个时钟周期的时间,由此,即可计算出时钟信号频率。
最后,在获得时钟信号频率后,计算波特率,并关闭计数器。
步骤45:初始化数据端口,发送ATR;
本步骤中,在虚拟USIM卡获得准确的时钟信号频率之后,根据时钟信号频率配置GPIO接口的波特率,指示通信芯片复位并启动应答。
步骤46:接收两个字节的数据,确定进入APDU交互过程的方式;
这里,在发送ATR之后,虚拟USIM卡接收来自通信芯片的数据,根据第一个字节判断是否为PPS请求,若是PPS请求,则根据请求参数调整微处理芯片数据接口的波特率,进入APDU交互过程;否则,直接进入APDU交互过程。
为了支持本发明实施例虚拟USIM卡的功能,需要占用微处理芯片的GPIO接口来模拟USIM卡接口信号功能,实现虚拟USIM卡与通信芯片的通信交互。本发明实施例中占用微处理芯片的四个GPIO接口,分别作为负责获取电源状态的引脚、查询复位状态的引脚、配合定时器或计数器获得时钟信号频率的引脚、以及传输数据的引脚,实现与通信芯片之间的数据交互,所用协议仍为ISO7816-3,如图5所示。
本发明实施例中,通过轮询方式或者中断方式查询电源引脚和复位引脚的引脚状态,并根据查询到的引脚状态切换虚拟UISM卡的工作模式。
具体的,当电源引脚为低电平时,虚拟USIM卡处于掉电状态,需要清除所有数据和状态标识,对时钟引脚和数据接口不做响应;当电源引脚为高电平、且复位引脚为低电平时,虚拟USIM卡处于复位状态,需要初始化所有相关的数据和状态;当电源引脚为高电平、且复位引脚上升沿到达时,需要进入时钟信号频率的测量阶段,然后根据测得的时钟频率初始化使用ISO7816-3协议的通信接口,并开始运行ATR过程。
这里,根据ISO7816-3协议,上述电源引脚和复位引脚有四种可选电平状态:零电压代表低电平,1.8V、3.0V和5.0V分别对应C类、B类和A类卡的高电平。通信芯片根据自己支持的卡类别,从低到高向USIM卡提供不同类别的操作条件。因此,微处理芯片需要配合外部电路,对不同类别的操作条件进行识别。例如,若微处理芯片能够正确识别C类1.8V为高电平,则在通信芯片提供该工作条件时就给出响应,随后的交互过程均为C类工作条件下进行;若微处理芯片无法正确识别C类工作条件,但是能够正确识别B类3.0V为高电平,则需要通过外部电路来将C类工作条件电压调整为微处理芯片可以识别的低电平,并保证B类工作条件为微处理芯片可以识别的高电平。若微处理芯片无法正确识别C类和B类工作条件,但是能够正确识别A类5.0V为高电平,则需要通过外部电路来保证A类工作条件为微处理芯片可以识别的高电平。其中,外部电路的调整方法包括但不限于使用比较器、使用电阻分压、使用二极管进行电平移位等。
进一步地,根据ISO7816-3协议,通信芯片会给虚拟USIM卡提供时钟信号,虚拟USIM卡响应ATR过程的波特率为该时钟信号频率的1/372。为了正确发送ATR,本发明实施例要能够准确判断通信芯片提供的时钟信号频率,测量时钟信号频率要用到一个计数器和操作系统的定时器,将时钟信号的372分频作为计数器的记数源,并在8个计数后产生中断;在中断中读取当前定时器的值,然后等待下一次中断再次读取定时器的值,两次定时器值的差即为8*372个时钟周期的时间,由此,即可计算出时钟信号频率。
此外,在检测到复位信号上升沿时,开始进入本发明实施例中的时钟频率测量阶段,其中,检测时钟信号频率所需的时间在8*372至16*372个时钟周期的区间,这个区间刚好在ISO7816-3规定的400至40000个时钟周期区间内。
进一步地,在正确检测到时钟信号频率以后,根据检测到的时钟信号频率配置ISO7816-3数据接口的波特率,并发送ATR。
进一步地,在发送ATR以后,虚拟USIM卡开始接收数据,并根据第一个字节判断是否为PPS请求,如果是PPS请求,则对PPS请求进行响应,并根据PPS请求数据重新调整ISO7816-3数据接口的波特率,然后进入APDU交互过程;如果不是PPS请求,则直接进入APDU交互过程。
这里,虚拟USIM卡通过中断、轮询或者直接内存存取(Direct Memory Access,DMA)方式接收APDU指令,并在COS进程获取中央处理器(Central Processing Unit,CPU)控制权时,对APDU指令进行响应。
为实现上述虚拟USIM卡的通信方法,本发明实施例还提供了一种装置,所述装置的组成结构示意图如图6所示,包括:装载模块61、连接模块62和通信模块63;其中,
所述装载模块61:用于将USIM卡的操作系统作为虚拟USIM卡进程装载于微处理芯片中;
所述连接模块62:用于将微处理芯片通过通用GPIO接口与通信芯片建立连接;
所述通信模块63:用于在微处理芯片运行所述虚拟USIM卡进程,并通过GPIO接口与通信芯片传输通信消息;所述GPIO接口用于模拟USIM卡接口信号功能。
所述通信模块63,具体用于:在微处理芯片初始化虚拟USIM卡进程并运行;根据通信芯片提供的时钟信号测量时钟信号频率,指示通信芯片复位并启动应答;接收来自通信芯片的数据,根据接收的第一个字节确定进入APDU交互过程的方式。
进一步地,所述通信模块63,还用于:
根据接收的第一个字节判断是否为PPS请求,若是PPS请求,则根据请求参数调整微处理芯片数据接口的波特率,进入APDU交互过程;否则,直接进入APDU交互过程。
这里,所述采集时钟信号频率的所需时间在微处理芯片与通信芯片的接口协议规定的时间周期区间内。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种虚拟通用用户识别模块USIM卡的通信方法,其特征在于,所述方法包括:
将USIM卡的操作系统作为虚拟USIM卡进程装载于微处理芯片中,并将所述微处理芯片通过通用输入输出GPIO接口与通信芯片建立连接;
所述微处理芯片运行所述虚拟USIM卡进程,并通过所述GPIO接口与所述通信芯片传输通信消息,包括:所述微处理芯片初始化所述虚拟USIM卡进程并运行;所述微处理芯片根据所述通信芯片提供的时钟信号测量时钟信号频率,根据所述时钟信号频率配置所述GPIO接口的波特率,检测所述通信芯片的复位信号并启动应答;所述微处理芯片接收来自所述通信芯片的数据,根据接收的第一个字节判断是否为协议与参数选择PPS请求,若是所述PPS请求,则根据请求参数调整微处理芯片数据接口的波特率,进入应用协议数据单元APDU交互过程;否则,直接进入所述APDU交互过程;所述GPIO接口用于模拟USIM卡接口信号功能,具体用于获取电源状态、查询复位状态、获取所述时钟信号频率以及传输数据。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,采集所述时钟信号频率的所需时间在所述微处理芯片与所述通信芯片的接口协议规定的时间周期区间内。
3.一种虚拟USIM卡的装置,其特征在于,所述装置包括:装载模块、连接模块和通信模块;其中,
所述装载模块,用于将USIM卡的操作系统作为虚拟USIM卡进程装载于微处理芯片中;
所述连接模块,用于将所述微处理芯片通过GPIO接口与通信芯片建立连接;
所述通信模块,用于在所述微处理芯片运行所述虚拟USIM卡进程,并通过所述GPIO接口与所述通信芯片传输通信消息,包括:所述微处理芯片初始化所述虚拟USIM卡进程并运行;所述微处理芯片根据所述通信芯片提供的时钟信号测量时钟信号频率,根据所述时钟信号频率配置所述GPIO接口的波特率,检测所述通信芯片的复位信号并启动应答;所述微处理芯片接收来自所述通信芯片的数据,根据接收的第一个字节判断是否为协议与参数选择PPS请求,若是所述PPS请求,则根据请求参数调整微处理芯片数据接口的波特率,进入应用协议数据单元APDU交互过程;否则,直接进入所述APDU交互过程;所述GPIO接口用于模拟USIM卡接口信号功能,具体用于获取电源状态、查询复位状态、获取所述时钟信号频率以及传输数据。
4.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,采集所述时钟信号频率的所需时间在所述微处理芯片与所述通信芯片的接口协议规定的时间周期区间内。
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