智能卡去激活測試問題分析與解決方法

周代衛(wèi) 中國信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室工程師

張沛 中國信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室工程師

周宇 中國信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室高級工程師

孫向前 中國信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室國際認(rèn)證部主任，高級工程師

泰爾檢測

智能卡去激活測試問題分析與解決方法

周代衛(wèi) 中國信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室工程師

張沛 中國信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室工程師

周宇 中國信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室高級工程師

孫向前 中國信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室國際認(rèn)證部主任，高級工程師

針對移動通信終端設(shè)備檢測認(rèn)證中常見的一類智能卡去激活測試失敗問題，通過借助專用測試工具實(shí)際比對和驗(yàn)證，深入分析并定位了問題原因，進(jìn)一步提出了一種通過軟件控制的分段降壓法。該方法通過了實(shí)際驗(yàn)證，并且具有不改動硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)不影響其他一致性測項(xiàng)的優(yōu)點(diǎn)。

智能卡 機(jī)卡接口 去激活 邏輯電位

1 引言

智能卡SIM（SubscriberIdentityModule，用戶身份識別模塊）/UICC（Universal Integrated Circuit Card，通用集成電路卡）作為通信系統(tǒng)中用戶身份識別和安全加密的主要載體，被廣泛應(yīng)用于移動通信終端、銀行社保卡、交通充值卡、物聯(lián)網(wǎng)嵌入式SIM卡等業(yè)務(wù)領(lǐng)域。其去激活過程通常發(fā)生在終端設(shè)備關(guān)機(jī)、SIM卡冷重啟（Cold Reset）或機(jī)卡接口電壓切換（Voltage Switching）時(shí)。為防止對SIM/UICC電路芯片的損壞，機(jī)卡接口各管腳掉電次序和電氣特性需符合ISO/IEC/ETSI相關(guān)技術(shù)規(guī)范。

在ISO/IEC7816-3章節(jié)6.4中規(guī)定：當(dāng)信息交換完成或終止后，如SIM卡無響應(yīng)、SIM卡被移除，終端設(shè)備需按如下順序去激活機(jī)卡接口電路：

（1）RST管腳（C2）切換至邏輯低電位L。

（2）CLK管腳（C3）切換至邏輯低電位L，除非CLK已經(jīng)終止并處于低電位。

（3）I/O管腳（C7）切換至邏輯低電位L。

（4）VCC管腳（C1）去激活。

可見，終端在去激活時(shí)機(jī)卡接口電氣特性需滿足各管腳掉電次序和電壓特性兩方面的需求。

以上技術(shù)要點(diǎn)在移動終端設(shè)備機(jī)卡接口一致性測試標(biāo)準(zhǔn)中都有完整涵蓋，如ETSITS 102 230TC 5.1.3（UICC）和3GPP TS 51.010-1 TC 27.17.1.4（SIM）。并且，這些測試?yán)鶠橥ㄐ沤K端設(shè)備國內(nèi)進(jìn)網(wǎng)檢測CTA或歐美自愿性測試GCF/PTCRB中的A類測項(xiàng)，即所有認(rèn)證終端必須通過。

2 問題分析

SIM/UICC去激活機(jī)卡接口電氣特性測試步驟可概括為：

（1）被測終端設(shè)備連接上測試模擬卡。

（2）終端設(shè)備開機(jī)并正常關(guān)機(jī)或觸發(fā)電壓切換過程。

測試中，與模擬卡相連的探測儀（Probe）通過檢測關(guān)機(jī)或電壓切換時(shí)機(jī)卡接口各管腳的時(shí)域和電氣特性來判定終端是否符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，特別是“其他各管腳必須在VCC離開高電位之前到達(dá)低電位”的要求。實(shí)際測試系統(tǒng)通常選用德國COMPRIONIT3測試平臺，其連接圖如圖1所示。

然而，在測試中部分終端設(shè)備常無法通過該測試，主要原因?yàn)闄C(jī)卡接口各管腳去激活順序不符合上述要求。在測試系統(tǒng)中常出現(xiàn)如圖2的提示。

從系統(tǒng)提示可知，該類常見SIM/UICC去激活測試失敗的主要原因在于機(jī)卡接口各管腳去激活時(shí)的掉電順序，而與報(bào)錯提示相對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為I/O_LOG最后的電位切換時(shí)刻。從L1波形圖和各步驟時(shí)間偏移量可知：RST、CLK、I/O和VCC4個管腳的邏輯電位轉(zhuǎn)換時(shí)序（即RST→CLK→I/O→Vcc）是符合測試標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定的。圖2中VPP管腳（C6）用于為SIM運(yùn)行時(shí)提供額外電壓，相關(guān)技術(shù)規(guī)范中是可選支持的，且現(xiàn)行終端均將其直接連到VCC上，在本測試中不作為考察因素之一。

圖1 測試系統(tǒng)連接圖

圖2 測試?yán)∠到y(tǒng)結(jié)果

為進(jìn)一步分析各管腳實(shí)際電壓信號，借助安捷倫混合信號示波器測得的模擬信號波形如圖3所示。

圖3中VSIM為VCC，DATA為I/O，CLOCK為CLK（下同）。從圖中來看，各管腳掉電順序也滿足RST→CLK→I/O→Vcc的要求，和圖2中邏輯波形圖相一致。然而，仔細(xì)對比發(fā)現(xiàn)I/O管腳波形在VCC掉電時(shí)刻出現(xiàn)瞬時(shí)脈沖，其峰值達(dá)到輸入邏輯高電位，導(dǎo)致其邏輯狀態(tài)在處于低電位L后重新被判定為高電位H，并維持了約20ns，即圖2中I/O_LOG管腳上標(biāo)記的瞬時(shí)脈沖。然而，從其持續(xù)時(shí)間和占空比來看，該脈沖并非由基帶芯片觸發(fā)的數(shù)據(jù)收發(fā)所致，因此不需對I/O做軟件鎖死處理。

在局部放大該波形圖后進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其下降沿與VCC同步，且信號幅度和下降趨勢完全一致，具體對比結(jié)果如圖4所示。

造成上述I/O管腳信號毛刺出現(xiàn)的原因主要為電源管理芯片PMIC或SIM控制器的輸出控制導(dǎo)致電壓瞬時(shí)被拉起。而此信號毛刺在終端設(shè)備中普遍存在，通過該測試的終端依然存在。而這主要和SIM/UICC部分的電路邏輯設(shè)計(jì)有關(guān)，通常其原理圖如圖5所示。

在測量系統(tǒng)的配置中，I/O管腳邏輯電位IO_LOG對應(yīng)了如下4個門限：

（1）I/O-HIGH-Max。

（2）I/O-HIGH-Min。

（3）I/O-LOW-Max。

（4）I/O-LOW-Min。

其中邏輯電位從H切換至L時(shí)的門限為I/OHIGH-Min，對于ClassB(3 V)SIM卡取值為2.25V，對于ClassC(1.8V)SIM卡為1.35V。

類似地，VCC管腳邏輯電位同樣對應(yīng)了4個門限：

（1）VCC-High-Max。

（2）VCC-High-Min。

（3）VCC-Low-Max。

（4）VCC-Low-Min。

圖3 去激活時(shí)各管腳電壓波形圖

圖4 VCC和I/O波形局部放大圖

其中，VCC-High-Min和I/O-High-Min的取值一致。不同的是，VCC_LOG對應(yīng)單獨(dú)的最低電壓門限，取值為0.5V。其模擬信號和邏輯信號對應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

圖5 SIM/UICC邏輯電路圖

圖6 VCC管腳模擬和邏輯信號圖

因此，對于時(shí)間上對齊且幅度和下降速率一致的I/O和VCC管腳信號，因I/O_LOG和VCC_VHMIN的門限值一致，其邏輯信號切換時(shí)間點(diǎn)也一致，而VCC_VHMIN從H變成L為本測試中VCC離開高電位的參考時(shí)間點(diǎn)，所以I/O管腳不滿足“必須在VCC離開高電位之前到達(dá)低電位”的要求，最終導(dǎo)致測試?yán)　?/p>

在邏輯波形圖上，VCC_LOG由于門限相比于I/O_LOG較低，其狀態(tài)切換時(shí)間點(diǎn)要晚于I/O_LOG，但是由于VCC_LOG僅是VCC管腳的邏輯參考狀態(tài)之一，不是測試時(shí)參考的主要依據(jù)。具體可從圖7中新引入VCC_VHMIN邏輯信號后的波形圖中清晰地看到測試?yán)〉脑驗(yàn)椋篒/O_LOG和VCC_VHMIN同步回落低電位。

圖7 引入VCC_VHMIN后的邏輯波形圖

3 解決方法

從以上分析可知，該測試?yán)〉闹饕蛟谟贗/O管腳最后的突發(fā)脈沖信號，而該信號毛刺是由PMIC或SIM控制器在控制VCC掉電時(shí)觸發(fā)的。通過修改濾波電容或者設(shè)置VCC去激活延遲等方式并不能完全消除此信號，也不能克服I/O_LOG和VCC_ VHMIN同步下降的問題。

鑒于VCC掉電時(shí)I/O和VCC管腳都有此信號毛刺，且I/O_LOG狀態(tài)轉(zhuǎn)換門限由I/O-High-Min決定，VCC由VCC_VHMIN決定，因此可采取由PMIC或SIM控制器觸發(fā)的分段降壓法克服此問題，其思路為：

（1）VCC電壓逐步降到I/O-High-Min以下（如ClassC1.2V）并維持一段時(shí)間（如10ms）。

（2）通過VSIM_EN停用VCC。

此方法的優(yōu)點(diǎn)在于：雖然I/O管腳最后時(shí)刻仍存在和VCC一致的信號毛刺，但其峰值已低于I/O-High-Min這一門限，所以I/O_LOG可在數(shù)據(jù)傳輸終止后仍保持邏輯低電位而不被暫時(shí)拉起，而VCC_VHMIN和VCC_LOG按原門限正常切換至低電位。

此外，該方法無需對現(xiàn)有硬件設(shè)計(jì)做修改，只需要在SIM軟件控制部分稍作修改即可。采用此方法后終端關(guān)機(jī)時(shí)實(shí)際測量的I/O和VCC波形圖如圖8所示。

圖8中上面的波形為VCC管腳，下面的波形為IO管腳。從圖中可知，雖然I/O管腳最后仍存在和VCC一致的信號毛刺，但其電壓水平始終處于I/O-High-Min門限以下，故不會再次回到邏輯高電位，也就不存在和VCC_VHMIN同時(shí)回落到邏輯低電位的問題。該方案可解決SIM/UICC去激活測試失敗的問題，經(jīng)過實(shí)際測試驗(yàn)證能正常通過相關(guān)測試?yán)瑫r(shí)也不會對其他測項(xiàng)帶來負(fù)面影響。

4 結(jié)束語

綜上所述，SIM/UICC去激活測試?yán)械年P(guān)鍵時(shí)序參考點(diǎn)為VCC管腳邏輯電位切換點(diǎn)，其高電位門限值VCC_VHMIN和I/O管腳邏輯門限I/O_LOG保持一致，通常由于I/O管腳在VCC掉電時(shí)也出現(xiàn)瞬時(shí)脈沖波形，I/O_LOG和VCC_VHMIN將同步回落至低電位導(dǎo)致測試?yán)　６鴾y試系統(tǒng)中指示的VCC邏輯信號VCC_LOG并非實(shí)際衡量的指標(biāo)，也對失敗測例的分析帶來了一定的干擾。

去激活過程中VCC掉電信號毛刺會同步傳導(dǎo)到I/O管腳而難以避免，也難以通過常規(guī)的改變?yōu)V波電容值或增加VCC掉電延時(shí)的方法來處理，且伴隨的硬件設(shè)計(jì)變更將導(dǎo)致大批量樣機(jī)處理成本的劇增，并會對其他正常信號產(chǎn)生影響。而本文中提出的通過軟件控制的分段降壓法則從根本上避免了此信號毛刺對I/O管腳邏輯電位的影響，從而可確保各管腳去激活的時(shí)序和電氣特性完全符合SIM/UICC技術(shù)規(guī)范的要求，同時(shí)更低的峰值電壓也降低了SIM/UICC電路芯片被損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 改進(jìn)后實(shí)測波形圖

1 ETSI TS 102 230 V10.1.1.Smart Cards;UICC-Terminal Interface;Physical,Electrical and Logical Test Specification. 4,2014

2 ETSI TS 102 221 V11.1.0.Smart Cards;UICC-Terminal Interface;Physical and Logical Characteristics.11,2013

3 3GPP TS 51.010-1 V12.0.0.Digital Cellular Telecommunications System(Phase 2+);Mobile Station(MS)Conformance Specification;Part 1:Conformance Specification.3,2014

4 3GPP TS 11.11 V8.14.0.Terminals Specification of the Subscriber Identity Module-Mobile Equipment(SIM-ME) Interface.6,2007

5 ISO/IEC 7816 Series(2006).Identification Cards-Integrated Circuit Cards-Part 3:Cards with Contacts-Electrical Interface and Transmission Protocols.11,2006

6 COMPRION IT3 Test Platform User Manual Version.2013

Analysis and Solution of Smart Card Deactivation Test Failure

Based on a class of common failure issue during SIM/UICC deactivation testing of mobile terminals,a dedicate testing tool and measurement method are used to analyze the fail logs and to compare the possible factors.This paper locates the root cause of the problem through in-depth analysis,and further proposes a software-controlled powerdrop method by two stages.With actual verification result,this method does not impact the hardware design and achives the advantage of consistent conformance testing.

smart card,Cu interface,deactivation,logical power level

2015-02-26）