CN102256341A - 一种降低高频无线智能卡功耗的方法 - Google Patents

Abstract

一种降低高频无线智能卡功耗的方法，包括以下步骤：高频无线智能卡的终端通信模块通过IO口连接上射频模块，并能通过这些IO口操纵射频模块在休眠模式与收发模式间切换；射频模块参数初始化；射频模块进入休眠模式，持续的时间为x；射频模块进入收发模式，持续的时间为y；在上述休眠模式和收发模式间循环的同时，检测射频模块是否收到读卡器的命令或数据：如果收到读卡器的命令和/或数据，则高频无线智能卡开始执行刷卡交易流程，执行时间z。本发明不仅具有低功耗的特点，刷卡速度快，而且方法简单，容易实施，成本低，有利于实现高频无线智能卡的产业化生产和大规模的推广应用。

Description

一种降低高频无线智能卡功耗的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地说是一种降低高频无线智能卡功耗的方法。

背景技术

随着移动通信终端，比如手机的应用普及，基于移动通信终端的电子钱包，手机门禁、手机支付等新的应用也越来越引起人们的广泛兴趣。

要满足这些应用，最好的方式是跟现有射频卡刷卡使用方式相同或者相近。这就要求移动通信终端能够像射频卡一样可以通过无线数据通信来跟消费终端、或者门禁控制器来交换数据。

通过手机实现移动支付等功能，需要在手机上实现近场通信功能，目前在手机上实现近场通信功能主要有以下几种模式，第一种模式是NFC手机，是在现有的手机上集成NFC通信模块(Near FieldCommunication)，采用的是13.56MHz的低频感应模式，属于被动式，需要用户更换手机；第二种模式是在手机SIM上加装13.56MHz的低频感应模块，需要改装SIM卡，并且在SIM上会带很大一个感应电路，这种模式无法大规模商业化；第三种模式是在手机上加装2.4G的有源高频感应模式，能有效的解决穿透问题，该种模式在日本得到发展，缺点是用户需要专用的手机，这一点不适合用户更换手机的使用习惯；第四种模式是在SIM卡上集成2.4G的有源高频感应模块(以下称RF-SIM卡)，该种模式非常符合用户的使用习惯。我国国内正在推广的是第四种模式，并作为移动支付的首要标准，但就目前的商用情况，主要存在以下缺点：第一是手机对RF-SIM的适应性问题，第二是RF-SIM卡和RF-SIM卡读卡装置之间的配合问题，主要表现在读卡速度慢，读卡距离不稳定，控制读卡距离难，对于同一个读卡装置，有的手机读卡距离很近，有的手机读卡距离很远，第三是读卡后手机屏幕显示结果慢。以上缺点，从产品上来说，主要归结于两个问题，一个问题是高频无线智能卡的技术不过关，功耗高、瞬间电流大，读卡速度慢，导致很多手机不能适用这种高频无线智能卡，或因读卡速度慢，用户体验效果很差，导致推广工作进展迟缓。另一个问题是读卡装置的问题，主要表现在对读卡距离缺少行之有效的控制方法。总之，现有的技术推出的产品不仅成本高，而且体验效果不好，从而影响了现有移动商务用户的体验及商业化进程，这也是目前推广该技术应用的障碍之一。

如何实现高频无线智能卡的低功耗，有效控制瞬间电流及实现高速刷卡，一直是该领域的一个技术难点，也是实现高频无线智能卡产业化的关键。有一些专利对相关技术进行了研究，例如，专利200410036263.4描述了高频无线智能卡的硬件基本组成，包含的要素，但并未阐述如何去实现低功耗及高速刷卡；另一项专利200710124354.7更细致的阐述了高频无线智能卡的几种物理结构及逻辑原理，但同样没有涉及到如何降低高频无线智能卡功耗和实现高速刷卡等非常重要的软件及硬件技术。

虽然现有技术中，已经有在手机SIM卡中增设射频芯片以扩展使用功能的技术方案，以便此类同时具备SIM卡功能和射频芯片的无线智能卡能够具备更广泛的应用前景。但是现有的技术方案在研究之初，都是只在手机SIM卡中增设低频射频芯片，均未涉及或考虑增加射频芯片后的功耗增加问题。

因为低频射频芯片的功耗较低，如果只是增加低频射频芯片，对无线智能卡的功耗影响不大，还处于可以接受的范围。但是，随着新技术的发展，新的应用更多的要求使用高频射频芯片，但高频射频芯片在工作状态的功耗极大，如果完全忽视其功耗问题，依旧按照在手机SIM卡中增设低频射频芯片的技术方案去增设高频射频芯片，则存在以下问题：

1、高频射频芯片功耗过大，造成手机待机时间过短，给客户带来极大的不便；普通SIM卡休眠状态时电流一般在500微安以下，工作时电流一般几个毫安。待机时间远高于工作时间，这样平均电流应该在1毫安以下。现有手机的待机时间是充分考虑了这个因素而设计，其根本原则是要求手机的平均工作电流越低越好。高频无线智能卡的高频模块在作无线传输时电流很大。无论高频部分工作在接收模式，还是发送模式，电流都至少达到7毫安以上，最高可以达到12毫安以上。连同原有手机IC卡功耗，平均电流将超过8毫安。对于一个电池600毫安小时，待机72小时的手机而言，长期工作在无线收发模式下待机时间将直接减少到原来的一半即36小时，甚至更低。

2、高频射频芯片功耗过大，要求的输入电压在1.9V～3.6V之间，而手机提供给SIM卡的工作电压大致有三种，即1.8V、3.0V、5.0V，高频射频芯片会因电压低而无法正常工作，或因电压过高而损坏，大大降低良品率及兼容性，不能很好的与现有的大多数手机配套使用；

3、高频无线智能卡在生产流程中有一个重要的操作流程，就是要对卡进行初始化操作，例如写入软件***、写入出厂参数、写入初始密钥等，现有惯用的初始化方法就是将高频无线智能卡***一接触式读卡器进行读写数据的操作，而现有接触式读卡器的工作电压都在5.0V，与高频射频芯片要求的输入电压1.9V～3.6V不配套，很容易造成高频无线智能卡在写卡时损害，影响出厂的良品率以及造成用户使用时的隐患。

对于移动通信终端，特别是手机来说，低功耗是一个重要技术要求，否则会导致手机待机时间过短、无法识别RF-SIM卡，甚至无法开机；高速刷卡也是移动支付要求的一个重要指标。因此，解决这两个问题是高频无线智能卡产业化的技术关键。

发明内容

本发明旨在给出一种降低高频无线智能卡功耗的方法，在用作移动通信工具的同时，高频无线智能卡可通过高频发射来作数据传输，能够方便的实现移动支付功能及物联网应用，使用该方法的高频无线智能卡，不仅具有低功耗的特点，刷卡速度快，而且方法简单，容易实施，成本低，有利于实现高频无线智能卡的产业化生产和大规模的推广应用。

本发明的技术方案如下，一种降低高频无线智能卡功耗的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)高频无线智能卡的终端通信模块通过IO口连接上射频模块，并能通过这些IO口操纵射频模块在休眠模式与收发模式间切换，

2)射频模块参数初始化，

3)射频模块进入休眠模式，休眠模式持续的时间为x，

4)然后射频模块进入收发模式，收发模式持续的时间为y，设定x＞y，

5)射频模块在上述休眠模式和收发模式间反复循环，

6)在上述休眠模式和收发模式间循环的同时，检测射频模块是否收到读卡器的命令或数据：

如果没有收到读卡器的命令或数据，返回步骤5；

如果收到读卡器的命令和/或数据，则高频无线智能卡开始执行刷卡交易流程，进入交易执行时间Z，所说的刷卡交易流程指的是读卡器与高频无线智能卡作一个完整的数据交换、安全验证和数据存储的过程，

7)如果x+y的值越小，用户连续刷卡的速度越快，如果x除以y的值越大，平均工作电流越低，降低功耗的效果越好。

本发明在实际应用中，根据不同应用场景以及x时间的长短(由交易的复杂度决定)，x和y的值可做不同调整，但x必须大于y，y值只要确保足够收到最少一个有效的命令和数据就可，如果x+y的值越小，用户连续刷卡的速度越快，如果x除以y的值越大，平均工作电流越低，降低功耗的效果越好。

按照这个方式，高频无线智能卡在刷卡工作中，虽然瞬间有极高的工作电流，但是其占用的时间非常短暂，已经满足GSM11.11规范的要求，普通手机都能适用。

本发明不仅具有低功耗的特点，刷卡速度快，而且方法简单，容易实施，成本低，有利于实现高频无线智能卡的产业化生产和大规模的推广应用。

附图说明

本发明有如下附图：

图1  高频无线智能卡一种结构示意图

图2  本发明软件流程示意图

图3  高频无线智能卡另一种结构示意图

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明所述的高频是指很容易穿透移动通信终端的VHF频段和UHF频段以及SHF频段，同时避开跟移动通信所使用的频段，以防冲突。

所述的高频无线智能卡包含至少两部分，一部分是用于和移动通信终端(比如手机)通信的终端通信模块，该模块主要用于手机通信的鉴权、参数存储等，另一部分是用于高频刷卡的射频模块，用于移动通信终端的刷卡支付、门禁控制等功能。高频无线智能卡的结构参见图1、图3。

图1中，高频无线智能卡01上设有终端通信模块02和射频模块03，终端通信模块02与移动通信终端04(所述移动通信终端可以为手机)交换数据实现手机通信的相关功能，射频模块03与读卡器05交换数据实现射频刷卡相关功能。

图3中，高频无线智能卡01上设有终端通信模块02和射频模块03，终端通信模块02与移动通信终端04(所述移动通信终端可以为手机)交换数据实现手机通信的相关功能，射频模块03与读卡器05交换数据实现射频刷卡相关功能。终端通信模块02的主芯片可以选用EM公司的TG360，射频模块03可以选用NRF24L01作为主芯片，将TG360芯片的一个IO引脚06连接到NRF24L01的CE引脚07，以实现二者间的数据交互功能。

本发明采用一种多数时间射频模块休眠、短暂唤醒交替使用的模式来减小高频无线智能卡的平均电流，达到低功耗的目的。通过这个方式，瞬间电流也可控制在GSM11.11规范对手机智能卡的要求范围内。

普通SIM卡休眠状态时电流一般在500微安以下，工作时电流一般几个毫安。待机时间远高于工作时间，这样平均电流应该在1毫安以下。现有手机的待机时间是充分考虑了这个因素而设计，其根本原则是要求手机的平均工作电流越低越好。

按照现有技术水平，高频无线智能卡的射频模块在作无线传输时电流很大。无论射频部分工作在接收模式，还是发送模式，电流都至少达到7毫安以上，最高可以达到12毫安以上。连同原有手机SIM卡终端通信模块部分的功耗，平均电流将超过8毫安。对于一个电池600毫安小时，待机72小时的手机而言，长期工作在无线收发模式下待机时间将直接减少到原来的一半即36小时，甚至更低。但是为了刷卡应用的便捷性，高频无线智能卡不适合被人工设置为在射频休眠模式和射频工作模式间作手工切换。这种手工模式在实际应用中不可行。

虽然高频无线智能卡的射频模块在作无线传输时电流很大，但是因为刷卡交易时间短、次数少，消耗的电能不会给手机待机带来实质影响。高频通信的速度特别快，工作在2.4G频段的芯片基本都可达到每秒1Mbit以上的速率。这样刷卡交易工作时间会很短，比如一般的刷卡交易一次数据交易量不会超过8000bit，加上运算流程开销，时间是不会超过100ms的。假设一个用户一天刷50次卡，24小时内的全部交易时间5秒钟。按照平均电流8毫安来算，刷卡交易所产生的功耗相当于让一个可待机72小时的手机减少待机15秒钟，这点损耗是用户完全能接受的。因此，我们只需把重点放在降低高频无线智能卡的射频模块的工作模式上，即要尽可能让射频模块处于休眠模式，而不是处于收发模式。并且能根据一定的条件在射频休眠模式与射频收发模式间迅速切换。

射频休眠期间射频模块的电流非常微弱，一般是以微安来计量，如果高频无线智能卡能做到在等待与读卡器通信握手时多数时间射频休眠、短暂唤醒收发模式交替使用的方式，将大大减小高频无线智能卡的平均电流。

通常射频卡的等待刷卡时间一般在100ms～300ms之间，如果超过300ms，用户的刷卡体验会非常不好，属于不被接受的指标。手机门禁、手机支付等应用需求同样也有这个限制。所说的刷卡交易流程指的是为了完成一个特定的应用，读卡器与高频无线智能卡作一个完整的数据交换、安全验证和数据存储的过程。

本发明使用软件设置，将射频模块的工作流程从时间上分成x、y、z三部分，其中x代表射频休眠模式时间，y代表短暂唤醒收发模式时间，z代表唤醒握手成功后的完成工作交易时间，x时间要大于y时间，y时间要尽量小，但要保证能完整接收到一个读卡器发过来的数据包，最低要求的可靠时间就是2个数据包的传输时间。按照高频通信每秒1Mbit的速率和每个数据包500bit来算，y时间最低可设为1ms。高频通信速率越高，y时间越低。如射频模块工作流程图2，首先，将读卡器这一端设置成全天候收发模式，多次重复发送有效的命令和数据信息，以高频无线智能卡作为SIM的手机开机，高频无线智能卡初始化，包括射频模块的射频参数初始化，射频模块初始化完成之后，射频模块进入休眠模式，该模式时长为x，x时长结束，射频模块进入射频模块收发模式，该模式时长为y，由于读卡器是一直处于收发模式，此时，高频无线智能卡射频收发模块检测是否有读卡器的命令或数据，由于高频通信的速度极快，以2.4G的射频通信为例，只要y的时长大于1ms，就可确保高频无线智能卡在短暂唤醒收发模式的时间片y上能可靠收到读卡器的数据和命令。如果没有刷卡，没收到读卡器发出的命令或数据，高频无线智能卡射频模块转入射频休眠模式，即再次进入x时长；如果有刷卡，即在y时长内会收到读卡器发出的命令或数据，此时，高频无线智能卡的射频模块和读卡器握手成功，进入刷卡交易时长z，根据交易的复杂度，z时长长短不一，交易越复杂，z时长越长。由于高频通信速度特别快，交易完成时间(z时长)一般也会在100ms内完成。当交易完成，即z时长结束，再次转入射频休眠模式，即x时长。就这样，高频无线智能卡将射频模块设置成在x时长和y时长区域间轮流切换，当高频无线智能卡有刷卡任务时，在y时长射频模块可以探测到是否收到了读卡器的有效命令或数据。如果没有收到重新进入x时长。如果收到，则进入z时长，根据交易的复杂度，z时长的长短不一。当交易完成后，又进入x时长。一旦握手成功后，双方也可在极短时间内完成全部数据流程的交易。实际应用中，根据不同应用场景以及x时间的长短(由交易的复杂度决定)，x和y的值可做不同调整，但x必须大于y，y值只要确保足够收到最少一个有效的命令和数据就可，如果x+y的值越小，用户连续刷卡的速度越快，如果x除以y的值越大，平均工作电流越低，降低功耗的效果越好。软件的具体设计参见图2

以下用实例说明在高频无线智能卡上通过软件和硬件配合，实现高频无线智能卡射频刷卡的低功耗。如图3所示，终端通信模块部分选用瑞士EM公司的TG360芯片，射频通信模块采用NRF24L01芯片作为主要芯片。将TG360芯片的一个IO引脚连接上NRF24L01芯片的CE引脚。安全芯片通过软件编程，根据不同比例时间连续交替输出高电平和低电平，高电平时间短、低电平时间长，就可将射频模块设置成多数时间射频休眠、短暂唤醒收发模式交替使用的方式。

实践中，假如高频无线智能卡使用由NRF24L01芯片所组成的射频模块，射频休眠时电流约320微安，处于收发模式时平均电流8毫安。在等待与读卡器通信握手时我们将其设置成每60毫秒内，4毫秒处于收发模式，即y的值是4，56毫秒处于休眠模式，即x的时间是56。这样，整个射频部分平均待机电流为(8毫安×4毫秒+320微安×56毫秒)÷60毫秒＝0.832毫安。估算起来，相当于一个待机72小时的手机少待机7小时左右。对手机待机时间没有太大影响，基本达到低功耗的目标。高频发射的速度非常快，对于2.4G频段上通信的芯片，一般都可达到每秒1Mb以上的吞吐率。由于读卡器采用了连续发射模式，因此，在这4毫秒的收发模式时间片上(y)，以2.4G的高频速率为例，可以发送至少8个数据包，因此高频无线智能卡的射频模块部分足够收到最少一个有效的命令和数据，一旦收到一个有效的命令和数据，高频无线智能卡和读卡器就握手成功，后再进入通常的射频工作模式(z)，因为高频数据的速度非常快，工作模式时间(z)也只持续非常短的时间，一般在100ms以内。加上之前最多60毫秒的等待时间，那么对于用户体验来说，完成一次刷卡总共的时间为x+y+z，即160ms以内，用户感觉会非常好，充分利用了高频通信的高速特性，实现了高速刷卡。为了节省射频工作的功耗所采用的方法，只是增加了60ms的刷卡等待开销。而这个开销并不会影响用户刷卡的感觉。

实际应用中，根据不同应用场景以及x时间的长短(由交易的复杂度决定)，x和y的值可做不同调整，但x必须大于y，y值只要确保足够收到最少一个有效的命令和数据就可，如果x+y的值越小，用户连续刷卡的速度越快，如果x除以y的值越大，平均工作电流越低，降低功耗的效果越好。

按照这个方式，高频无线智能卡在刷卡工作中，虽然瞬间有极高的工作电流，但是其占用的时间非常短暂，已经满足GSM11.11规范的要求，普通手机都能适用。

Claims (1)

1.一种降低高频无线智能卡功耗的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)高频无线智能卡的终端通信模块通过IO口连接上射频模块，并能通过这些IO口操纵射频模块在休眠模式与收发模式间切换，

2)射频模块参数初始化，

3)射频模块进入休眠模式，休眠模式持续的时间为x，

4)然后射频模块进入收发模式，收发模式持续的时间为y，设定x＞y，

5)射频模块在上述休眠模式和收发模式间反复循环，

6)在上述休眠模式和收发模式间循环的同时，检测射频模块是否收到读卡器的命令或数据：

如果没有收到读卡器的命令或数据，返回步骤5；

如果收到读卡器的命令和/或数据，则高频无线智能卡开始执行刷卡交易流程，进入交易执行时间Z，所说的刷卡交易流程指的是读卡器与高频无线智能卡作一个完整的数据交换、安全验证和数据存储的过程，

7)如果x+y的值越小，用户连续刷卡的速度越快，如果x除以y的值越大，平均工作电流越低，降低功耗的效果越好。

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