Lierda NB&Cat.1 SIM卡原理&问题排查应用指导

yutao

　　1 引言

　　NB&Cat.1模组需要使用SIM卡才可以连接网络进行数据通信，在实际客户产品应用中，有时会发生断网问题，其中一部分原因是产品无法识别SIM卡导致。本文给出SIM卡的基本原理和问题排查思路，便于出现SIM卡无法识别或网络连接异常时用户可以独立完成SIM卡部分的检测。

　　1.1 文档目的

　　本文描述了SIM卡的基本原理和常见问题排查步骤。

　　1.2  SIM卡简介

　　SIM(Subscriber Identity Module)卡叫“用户识别卡”，它是一张内含大规模集成电路的智能卡，用来登记用户的数据和信息，同时进行鉴权和加密。

　　SIM卡是手机连接到网络的钥匙，一旦SIM卡从手机中拔出，除了紧急呼叫外，手机将无法享受网络运营者提供的各种服务。SIM卡除了能作为钥匙外，还为用户提供很多方便，用户只需将SIM卡插入或嵌入任何一台LTE终端，即能实现蜂窝网络通信。

　　物联网(IoT)的发展及其独特的需求推动了物联网SIM卡的发展，IoT SIM卡是传统SIM卡的变体，旨在存储用户信息并将设备（NB、Cat.1等）连接到蜂窝网络。物联网卡简单来说就是纯流量卡，而它本身是可以拨打电话和收发短信的，但是由于其拨打电话和收发信息的资费并不划算，物联网应用基本将其作为纯流量卡使用，场景一般为Pos机、智能穿戴、车联网等。

　　NB卡是NB-IoT模组使用的物联网卡，NB模组不同于手机，需要各个国家规定的入网许可证。NB卡一般通过单位、学校或者个人向运营商的物联网部门购买，当然目前有很多卡代理公司，流程已经相对简单很多。

　　注：NB SIM卡使用时会与IMEI号码进行绑定，其他物联网卡是否绑定需要与开卡商确认。

图1.1 插拔卡示意图

图1.2 贴片卡示意图

　　2 SIM卡物理特性

　　无论是手机卡还是物联网卡，SIM卡的尺寸标准是统一的，本章节给出SIM卡的基本尺寸，同时对其内部结构、功能等进行说明。

　　2.1 SIM卡尺寸
　　●标准SIM卡：尺寸为25mm*15mm，通常称为大卡。
　　●Micro SIM卡：尺寸为12mm*15mm，老款手机使用的卡，也叫小卡。
　　●Nano SIM卡：尺寸为12mm*9mm，目前新款手机基本上都是这种小卡的机型，更小的尺寸目的是为手机某部件让空间，更助于手机向更轻薄方向发展。
　　●eSIM：贴片eSIM卡，功能上与插拔SIM卡无差异。

图2.1 插拔卡示意图

图2.2 贴片eSIM卡示意图

　　2.2 SIM结构

　　SIM卡是一个装有微处理器的芯片卡，它的内部有5个模块，并且每个模块都对应一个功能：
　　●微处理器CPU(8位)；
　　●程序存储器ROM(3～8kbit)；
　　●工作存储器RAM(6～16kbit)；
　　●数据存储器EEPROM(128～256kbit)；
　　●串行通信单元。

　　这5个模块与普通IC卡封装方式相同，被胶封在SIM卡铜制接口中。这5个模块必须集成在一块集成电路中，否则其安全性会受到威胁，因为芯片间的连线可能成为非法存取和盗用SIM卡的重要线索。

　　SIM卡的存储容量有3kB、8kB、16kB、32kB、64kB等。截止2022年最新的技术规范要求SIM卡容量需要至少128KB以上。SIM卡能够储存多少电话号码和短信取决于卡内数据存储器EEPROM的容量，假设一张EEPROM容量为8KB的SIM卡，可储存以下容量的数据：100组电话号码及其对应姓名、15组短信息、25组最近拨出的号码、4位SIM卡密码(PIN)。

表2-1 SIM卡属性

　　2.3 SIM引脚说明

　　SIM卡在与设备连接时，最少需要5个连接线，SIM卡金手指向上，缺口朝右下方，对应管脚如下图所示：

图2.3 插拔SIM卡引脚图

表2-2 插拔卡引脚定义

图2.4 贴片eSIM卡引脚图

表2-3 贴片eSIM卡引脚定义

　　2.4 SIM卡分类

　　2.4.1 接口电平电压分类

　　SIM卡ISO-7816协议定义了A、B、C三种工作在不同电压等级下的UICC终端接口，其接口电平分别对应于5V±10%、3V±10%和1.8V±10%。目前应用于手机中的(U)SIM卡可工作在3V或1.8V，应用在物联网中的SIM卡通常为1.8V。

　　在执行复位操作后，ATR(Answer To Reset content)是UICC发送给终端的第一个字符串，(ISO/IEC 7816-3)。UICC给外界传递一个信息：怎样使用这个卡。当设备分析ATR，发现UICC电压级别后，可能要从1.8V跳到3V，或是从3V跳到5V，只需断开UICC的连接，在新的电压级别下重新建立连接即可。

　　UICC识别中会首先从最低电压等级开始激活操作。若收到的ATR经解析后指明(U)SIM工作在较高电压等级，接口会释放连接重新在新的电压等级下进行激活操作。若接口在初始等级下未收到ATR，将切换到高一等级的电压重新进行激活。在同一电压等级下接口至少会重复尝试2次激活操作，连续2次(或3次)ATR响应失败或无响应接口将不再继续尝试激活。

图2.5 设备上电后SIM卡识别过程

　　注意：
　　UICC是定义了物理特性的智能卡总称，UICC和终端的接口都是标准的。UICC包含多重逻辑应用，例如用户识别模块(SIM)、通用用户识别模块(USIM)、IP多媒体业务识别模块(ISIM)等。
　　SIM卡原为GSM时代的称呼，也可将UICC简单理解为功能升级版的SIM卡。
　　SIM卡收到设备的RST后回复一串字符串，称为ATR(answer to reset)，ATR里面包含了一些卡的信息，设备收到卡回复的ATR后就可以跟卡进行通信了(详细可以看规范ISO7816-3部分)。

　　2.4.2 物理特性分类

　　MP卡是M2M Plug-In卡的简称，指采用能够适应特殊环境要求的特殊芯片，以及特殊卡基材料（包括但不限于注塑、陶瓷等），但外观与普通SIM卡相同的卡，即插拔式物联网卡。 MP卡物理性能较高，因此可以满足更长使用寿命和更恶劣环境的要求。MP卡保持与普通SIM卡相同的外观及接口，所以终端无需修改，但无法满足防震动和防氧化的要求。采用MP卡形态，要求对芯片硬件、芯片封装工艺和卡基材料都做相应的改动，以达到对应标准所要求的性能指标。MP卡根据具体的行业应用，可以分为MP1、MP2、MP3三个不同等级的产品，消费级插拔卡即为MP1卡，下面列出了三种卡的物理特性及应用场景。

表2-4 MP1卡、MP2卡、MP3卡的物理特性

表2-5 各类SIM卡特点

　　2.5 SIM关键操作时序

　　只有当SIM卡和设备接口机械接触时，连接才激活。卡和设备接口之间的通信通过下面的步骤建立：
　　1、设备接口激活连接；
　　2、(U)SIM卡复位；
　　3、(U)SIM卡向接口发出复位响应(ATR：Answer To Reset)；
　　4、接口与(U)SIM卡进行信息交换；
　　5、完成信息交互或交互中断(卡无响应或卡被检测移出)，设备接口释放连接。

　　在初始激活连接阶段，设备接口上电后首先将RST信号置为低电平，然后在VCC信号线上提供电源信号，I/O信号线随即进入接收状态(高电平)，并在CLK信号线上输出稳定的时钟信号，当所有这些都满足后，(U)SIM卡冷复位准备就绪。

　　如果(U)SIM卡的类别与接口电压一致，那么卡将会对复位进行应答。复位应答完成后，设备将对卡进行热复位。热复位应答与前一个复位也许会不同。

　　2.6 SIM卡关键操作时序

图2.6 无卡识别波形(未识别到1V8卡和3V卡)

图2.7 1V8卡识别波形(识别到1V8卡)

图2.8 3V卡识别波形(先识别1V8卡不存在，然后识别到3V卡)

　　2.6.1 冷复位

　　冷复位：activation后发生的第一次复位。

　　时钟信号在Ta时刻出现，时钟出现的200个时钟周期(Ta)内，卡要将IO线置为高电平，保持接收状态；RST为低，且至少维持400个时钟周期（tb从时钟出现后算起），那么卡就复位。

　　在Tb时刻，RST置为高，从Tb处算起，400-40000个时钟周期内，要应答，在I/O线上向接口发出ATR相应。

　　如果在40000个时钟周期内没有应答，RST会重新置为低，断开连接。

图2.9 激活和冷复位

　　2.6.2 热复位

　　热复位：除冷复位外的所有复位。

　　先将RST置为低，并维持至少400个时钟周期，同时VCC和CLK持续稳定。Td时刻RST变为高，此后的400-40000个时钟周期内要应答，如果没有应答，那么RST再次置为低，电路切断。

图2.10 热复位

　　2.6.3 时钟暂停

　　对于支持时钟暂停的卡，当设备不期望卡发送数据，并且IO处于高电平至少1860个时钟周期(tg)，那么设备可以将CLK停止（Te时刻）。CLK停止时要维持在高电平或低电平，由参数X决定。在Tf时刻，重启时钟，至少等待700个时钟周期(th)，IO才可以继续与设备进行信息交互。

图2.11 时钟暂停

　　2.6.4 断开连接

　　将信息交互终止或中断（无应答的卡、检测到卡移除），接口通过以下步骤切断连接：
　　●RST置为低；
　　●CLK置为低；
　　●VPP断掉（忽略）；
　　●IO置为低电平；
　　●VCC切断。

图2.12 断开连接

　　3 SIM电路设计

　　以NT35E为示例，具体项目参考对应硬件手册。

图3.1 NT35E SIM卡推荐电路

　　在USIM卡接口的电路设计中，为了确保SIM卡良好的功能性能和不被损坏，在电路设计中建议遵循以下设计原则：
　　●USIM卡座与模块摆件距离不能太远，尽量保证SIM卡信号线布线不超过200mm。
　　●USIM卡信号线布线远离RF线和VBAT电源线。
　　●USIM_VDD与GND之间的旁路电容容值不大于1uF，且尽可能靠近USIM卡座放置。
　　●为了防止可能存在的USIM_CLK信号对USIM_DATA信号的串扰，两者布线不要太靠近，在两条走线之间增加地屏蔽。且对USIM_RST信号也需要地保护。
　　●为了保证良好的ESD保护，建议加TVS管，并靠近SIM卡座摆放。选择的ESD器件寄生电容不大于15pF。在模块和SIM卡之间也可以串联0欧姆的电阻用以调试。USIM_DATA、USIM_CLK和USIM_RST线上并联33pF电容用于滤除射频干扰。USIM卡座的外围器件应尽量靠近USIM卡座摆放。
　　●USIM_DATA的上拉电阻有利于增加USIM卡的抗干扰能力，如果模组内部已做上拉，客户无需在外部做上拉。当USIM卡走线过长，或者在离干扰源比较近的情况下，建议靠近USIM卡座位置增加上拉电阻。

　　4 SIM卡热插拔功能

　　对于不支持SIM卡热插拔的模组，只有在模组上电开机时才会启动读卡流程，如果开机时没有检测到卡，后续则不会再执行读卡流程。为了实现在开机后用户可以自由地进行插卡和拔卡的动作，而不需要关机->插卡->开机，SIM卡热插拔的功能应运而生。热插拔功能是通过中断来实现的，因此如果要支持SIM卡热插拔，SIM卡电路设计上需要特殊的SIM卡卡座，这种卡座会有一个Detect Pin(连接模组的USIM_DET引脚)。当用户插入或者拔出卡时，Detect Pin电平会发生高低变化，进而触发中断，软件会根据中断的状态来判定当前是有卡还是无卡，从而执行读卡或者停卡动作。

　　模组目前只支持一种热插拔类型的卡座：插卡是高(低)电平，拔卡是低(高)电平。带检测信号SIM卡卡座原理说明如下(原理设计时，需注意卡插入逻辑)。以型号为MUP-C792卡座连接器为例，规格书中Detect Switch描述如下。

图4.1 SIM卡连接器Detect Switch操作框图

　　因此，
　　●SIM卡插入时，USIM_DET为高电平
　　●SIM卡拔出时，USIM_DET为低电平

　　注：插卡和拔卡的时间间隔需大于2s，低于2s的快速SIM卡插拔动作可能会导致模组热插拔功能异常。

　　4.1 NB-IoT模组

　　目前NB-IoT模组不支持SIM卡热插拔功能，仅移芯系列NB-IoT模组支持软件SIM卡检测。

　　软件SIM卡检测功能不同于SIM卡热插拔功能，为热插拔的简化版。移芯系列NB-IoT模组可通过AT指令AT+ECSIMPD=1开启软件SIM卡检测功能。当模组完成开机读卡的流程后，SIM卡信息会记录至模组内部，因此若出现掉卡的情况，模组仍能正常驻网并读取卡号。而开启软件SIM卡检测功能后，当出现掉卡时，模组会在15s左右检测到掉卡的情况，此时通过AT指令AT+CPIN?去查询会提示SIM卡不存在。

　　AT+ECSIMPD=1　　　　//开关软件SIM卡检测功能(0:关闭/1:开启)
　　OK

　　注：移芯系列NB-IoT模组打开软件SIM卡检测功能(AT+ECSIMPD=1)，并不能使模组主动上报告知SIM卡不存在，但是模组会因为掉卡而出现断网，无法读取IMSI号等情况，且该功能非休眠模式生效。

　　4.2 Cat.1模组

　　目前Cat.1模组除NT26U外全系列支持SIM卡热插拔功能。

　　对于支持热插拔功能的Cat.1模组，用户可通过AT指令AT+LSIMDET设置是否启动SIM卡热插拔功能，也可以设置SIM卡插入时的电平，该指令的详细说明见表4-1。同时配合AT指令AT+LSIMSTAT可查询SIM卡插入状态，以及控制是否在SIM卡插入或拔出时上报URC。

表4-1 AT+LSIMDET指令说明

　　//移芯系列Cat.1模组(NT35E)热插拔URC示例
　　+LSIMSTAT: 1,0　　　　//SIM卡拔出
　　+CPIN: NOT READY

　　+LSIMSTAT: 1,1　　　　//SIM卡插入
　　+CPIN: READY

　　//展锐系列Cat.1模组(NT35)热插拔URC示例
　　+SIMSTAT: 1,0　　　　//SIM卡拔出
　　+SIMSTAT: 1,1　　　　//SIM卡插入

　　4.3 5G模组

　　目前5G模组均支持SIM卡热插拔功能。用户可通过AT指令AT+LSIMDET或AT+QSIMDET设置是否启动SIM卡热插拔功能，也可以设置SIM卡插入时的电平，该指令的详细说明见表4-1。同时配合AT指令AT+LSIMSTAT可查询SIM卡插入状态，以及控制是否在SIM卡插入或拔出时上报URC。

　　//NE16U-CN热插拔URC示例
　　+LSIMSTAT: 1,0　　　　//SIM卡拔出
　　+SIM REMOVE: 1

　　+LSIMSTAT: 1,1　　　　//SIM卡插入
　　+SIM INSERT: 2

　　注意：
　　●NE16U-CN模组SIM卡热插拔功能默认打开，且AT+QSIMDET=1,1。
　　●AT指令AT+LSIMDET或AT+QSIMDET需在模组未读到卡时发送才能正常执行，否则会报错。
　　●5G模组具有双卡单待的功能，SIM卡热插拔功能仅对当前操作的SIM卡卡槽生效。

　　5 常见不识卡故障分析

　　很多用户在开发过程中，可能会遇到各种各样的问题。但是不论任何问题，都可以通过远程升级的方式解决。不过如果是SIM卡问题造成的设备离线，远程升级也没有了用武之地。鉴于用户经常会遇到SIM卡导致的各类问题，这里给出造成这些异常状况的常见原因和解决方法。

　　5.1 插卡但检测不到卡

　　插入USIM卡并开机后模块返回+CPIN：NOT READY或者NOT INSERTED，说明模块未找到USIM卡。请从以下方面分析解决：
　　●USIM卡插反。根据硬件使用手册相关说明正确插卡。
　　●USIM卡与卡座接触不良。可以尝试在USIM卡上增加垫片。
　　●USIM卡面污损。用橡皮擦除污痕。
　　●USIM卡变形。卡背贴几层胶带，使之可以和弹针接触。
　　●SMT焊接不良。可以通过万用表测试模块与USIM卡焊盘之间的连通性。
　　●USIM卡已损坏。可以将USIM卡放在EVB上测试，或换卡测试，确认是否正常。
　　●VBAT电源走线或RF射频线过于靠近USIM信号线。如果VBAT电源走线或RF射频线过于靠近USIM信号线，可能会由于VBAT电源线或RF射频线上的纹波太大，干扰到USIM卡各个信号线，导致USIM卡无法识别，可尝试切断附近的VBAT线或RF线，通过其他途径单独给模块供电，看问题是否解决。
　　●USIM卡座和模块距离较远，走线过长，或信号线未作GND屏蔽处理。如果USIM卡座和模块距离较远，走线过长，各个信号线未作GND屏蔽处理，很有可能导致USIM卡无法识别，可以尝试使用较短的飞线直接连接到卡座。
　　●USIM卡信号线上并联的ESD保护器件寄生电容过大。USIM卡信号线上并联的ESD保护器件的寄生电容需要≤15pF，电容过大，充电时间长，可能会导致电平跌落产生波形变形，从而造成USIM卡无法识别，可尝试直接去掉该ESD保护器件查看问题是否消失。
　　●周边环境有干扰。确认测试现场周围是否有超强电/磁场存在，比如高压输电线、大功率无线设备等，可以尝试使用一个屏蔽罩盖住USIM卡以及USIM卡各个信号线的走线，或者使用GND屏蔽线处理USIM卡信号线，检查问题是否消失。
　　●USIM卡电路USIM_DATA引脚未加上拉电阻。插拔式USIM卡目前分为普通级MP1卡和工业级MP2卡，某些生产厂家的MP2卡相比于其他USIM卡需要更大的驱动电流，这种时候如果不添加上拉电阻，就会出现读卡失败的情况，建议在做USIM卡电路设计时，都按照参考设计将USIM_DATA引脚通过10k电阻上拉到USIM_VDD，从而预防此类问题出现(部分模组已内置上拉电阻到USIM_VDD，阻值10k，如果走线过长，建议外部增加10k电阻靠近卡槽放置)。

　　注：模组无法读卡时，给USIM卡供电的USIM_VDD为0V是模组的正常机制。在逻辑上是模组开机上电后，USIM_VDD先输出1.8V的电平尝试读USIM卡，无法读取时USIM_VDD会切换到3.3V再次尝试读卡，还是无法读卡时USIM_VDD会变为0V。因为此过程在上电瞬间完成，所以如果使用万用表测量是看不到此过程的，附录中有模组未检测到USIM卡时USIM_VDD的电平变化情况。因此USIM_VDD变为0V的原因是无法读到卡，而不是因为模组的USIM_VDD输出0V导致的无法读卡。

　　5.2 检测到卡但附着失败
　　●卡流量用光、欠费。与运营商客户经理沟通进行卡充值。
　　●卡有限制，如机卡绑定、区域限制等。与运营商客户经理沟通修改卡状态。
　　●配置了错误的APN。填写错误APN将无法正常通信。
　　●信号差。调整天线，同时与当地运营商沟通改善基站环境。
　　●基站故障。报修。
　　●供电问题。供电较差导致电压跌落，模块自动重启。
　　●USIM卡对模组IMEI号进行区间限制。运营商后台对USIM卡设置规则绑定某一个号段的IMEI号，此类USIM卡需要与对应IMEI号的模组配合才能正常使用。

　　6 问题排查流程

　　7 附录

　　黄色：SIM_VDD
　　绿色：SIM_RST
　　蓝色：SIM_CLK
　　粉色：SIM_DATA

图6.1 NB860无卡读卡时序

图6.2 NB860插卡读卡时序

图6.3 MB261无卡读卡时序

图6.4 MB261插卡读卡时序

图6.5 MB26-S Y0C无卡读卡时序

图6.6 MB26-S Y0C插卡读卡时序

图6.7 NT35E无卡读卡时序

图6.8 NT35E插卡读卡时序

图6.9 NT26U无卡读卡时序

图6.10 NT26U插卡读卡时序

　　8 相关文档及术语缩写

　　以下相关文档提供了文档的名称，版本请以最新发布的为准。