基于TRF7970A的NFC模塊設(shè)計

杜 浩，趙振華

（武漢工程大學 電氣信息學院，湖北 武漢430073）

隨著無線網(wǎng)絡(luò)支持的上下行數(shù)據(jù)速率不斷提高，手機在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方面的應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，越來越多的人正在使用手機代替手表、記事本、MP3，手機已成為人們不可缺少的信息終端。

近距離通信NFC（Near Field Communication）技術(shù)將讓這一切變?yōu)楝F(xiàn)實。2006年6月，諾基亞和中國移動、飛利浦、易通卡公司在廈門啟動了中國首個NFC手機支付試驗[1]。用戶使用內(nèi)嵌NFC模塊的諾基亞3220手機，可在廈門市內(nèi)任何一個易通卡覆蓋的營業(yè)網(wǎng)點（公交汽車、輪渡、電影院、快餐店）進行手機支付。

不僅如此，在不久的將來，通過手機和NFC技術(shù)的結(jié)合，用戶通過手機就可以實現(xiàn)以下應(yīng)用：在街邊海報上和雜志上下載演唱會時間、地點和節(jié)目表；在公園里玩互動的定向越野游戲[2]；在車站實時刷新公交車的到站時間；在辦公室發(fā)送短信控制家政服務(wù)員進出住宅的時間[3]；在學校全面代替現(xiàn)有學生證和學生卡；在遍布市區(qū)的智能公用電話亭查詢地圖、公交線路、餐飲購物等信息；在加油站、超市、銀行等任何有POS機的地方支付款項并用手機收取電子發(fā)票。

本文在介紹TI公司最新推出的多協(xié)議完全集成13.56 MHz收發(fā)一體芯片TRF7970A的基礎(chǔ)上，設(shè)計了具有主動模式和被動模式的NFC模塊。

1 硬件設(shè)計

1.1 TRF7970A簡介

TRF7970A是一款用于13.56 MHz RFID/近場通信系統(tǒng)的集成模擬前端和數(shù)據(jù)組幀器件。通過內(nèi)置編程選項可使此器件適合于范圍寬廣的應(yīng)用。它能夠執(zhí)行以下3種模式中的任一模式：RFID/NFC讀取器、NFC對等點、卡仿真模式。引腳分布如圖1所示。

此芯片具有幾個工作模式，可以通過配置兩個輸入引腳（EN和EN2）以及芯片狀態(tài)控制寄存器（0x00）內(nèi)的幾個位來進行控制，如表1所示。

表1 TRF7970A芯片的不同工作模式（5 V）

圖1 引腳分布

當EN被設(shè)定為高電平時（或者在EN2的上升沿，然后被EN=1確認），電壓穩(wěn)壓器被激活并且13.56 MHz振蕩器啟動。當電源和振蕩器頻率已穩(wěn)定時，SYS_CLK輸出從60 kHz的輔助頻率切換至來自晶體振蕩器的13.56 MHz頻率。此時，讀取器已為通信和執(zhí)行所需任務(wù)做好準備。然后此MCU可對芯片狀態(tài)控制寄存器0x00進行編程并通過編輯附加寄存器來選擇運行模式。

（1）待機模式（寄存器0x00的位7=1），此讀取器能夠在100μs恢復到完全運行。

（2）模式1（RF輸出禁用，寄存器0x00的位5=0并且位1=0的激活模式）是一個低功率模式，此模式使得讀取器能夠在25μs內(nèi)恢復到完全運行。

（3）如果讀取器到讀取器的防沖突被執(zhí)行，模式2（只有RF接收器有效，寄存器0x00的位1=1的激活模式）可用于測量外部RF場(正如RSSI測量段落中描述的那樣)。

（4）模式3和4（整個RF部分有效，寄存器0x00的位5=1的激活模式）是用于正常發(fā)射和接收操作的正常模式。

1.2 NFC模塊工作原理

圖2給出了由NFC天線、TRF7970A、微控制器（MCU）3部分組成的NFC電路。

系統(tǒng)上電以后，MCU首先配置TRF7970A芯片，可以通過配置引腳EN和EN2以及芯片狀態(tài)控制寄存器的幾個位來選擇工作模式 （具體配置參數(shù)如表1所示），MCU通過并口將配置數(shù)據(jù)傳入TRF7970A芯片。NFC模塊主要有主動模式和被動模式兩種模式。

NFC模塊可以在主動或被動模式下交換數(shù)據(jù)。在被動模式下，啟動NFC通信的設(shè)備（也稱為NFC發(fā)起設(shè)備，主模塊），在整個通信過程中提供射頻場（RF-field），其中傳輸速度是可選的，將數(shù)據(jù)發(fā)送到另一臺模塊。另一臺模塊稱為NFC目標模塊（從模塊），不必產(chǎn)生射頻場，而使用負載調(diào)制（Load Modulation）技術(shù)，即可以相同的速度將數(shù)據(jù)傳回發(fā)起設(shè)備。此通信機制與基于ISO14443A、MIFARE和FeliCa的非接觸式智能卡兼容，因此，NFC發(fā)起模塊在主動模式下，可以用相同的連接和初始化過程檢測非接觸式智能卡或NFC目標模塊，并與之建立聯(lián)系。

當NFC模塊工作在主動模式下，和RFID讀取器操作中一樣，此芯片完全由MCU控制。MCU激活此芯片并將模式選擇寫入ISO控制寄存器。MCU使用RF沖突避免命令，所以它不用承擔任何實時任務(wù)。每臺NFC模塊要向另一臺NFC模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時，都必須產(chǎn)生自己的射頻場。如圖3所示，發(fā)起模塊和目標模塊都要產(chǎn)生自己的射頻場，以便進行通信。這是對等網(wǎng)絡(luò)通信的標準模式，可以獲得非常快速的連接設(shè)置。

如圖4所示，當NFC模塊工作在被動模式下，此模塊通常處于斷電或者待機模式。如果EN2=H，此模塊將電源系統(tǒng)保持在開狀態(tài)。如果EN2=L并且EN=L，則此模塊處于完全斷電狀態(tài)。為了運行在被動模式或者標簽仿真器狀態(tài)下，MCU必須向模塊檢測電平寄存器（b0-b2）中載入一個非0值，此操作將開啟RF計量系統(tǒng)（由VEXT供電，所以此系統(tǒng)在完全斷電期間仍可運行并且其流耗只有3.5μA）。RF計量一直監(jiān)控天線輸入上的RF信號。當天線輸入上的RF水平超過目標方檢測電平寄存器中定義的值時，NFC模塊被自動激活（EN是內(nèi)部強制高電平）。

移動模塊主要以被動模式操作，可以大幅降低功耗，并延長電池壽命。在一個應(yīng)用會話過程中，NFC模塊可以在發(fā)起模塊和目標模塊之間切換自己的角色。利用這項功能，電池電量較低的設(shè)備可以要求以被動模式充當目標設(shè)備，而不是發(fā)起設(shè)備。

圖2 NFC模塊電路圖

圖3 NFC主動通信模式

圖4 NFC被動通信模式

1.3 TRF7970A通信接口設(shè)計

芯片TRF7970A到讀取器的通信接口可被配置為兩種方式：具有8線并行接口（D0：D7）加上DATA_CLK，或者具有3線制或者4線制串行外設(shè)接口（SPI）。SPI接口使用傳統(tǒng)的主器件輸出/從器件輸入（MOSI）、主器件輸入/從器件輸出（MISO）、IRQ和DATA_CLK線路。SPI可在使用或者不使用從器件選擇線路的情況下運行。本文以并行接口的方式闡述。

通信由一個啟動條件初始化，此啟動條件之后通常跟隨一個地址/命令字（Adr/Cmd）。Adr/Cmd為8位長，并且它的格式顯示如表2所示。

表2 地址/命令字位分配

MSB（位7）確定這個字用作命令還是地址。表2中的最后兩列顯示了獨立位的功能，即寫入的是地址還是命令。一旦地址字被發(fā)出，就進入數(shù)據(jù)接收等待狀態(tài)。在連續(xù)地址模式（連續(xù)模式=1），地址之后的第一組數(shù)據(jù)被寫入（或者讀取）到（自）指定的地址。對于每個附加數(shù)據(jù)，地址增量為1。持續(xù)模式可用于在不改變地址的前提下寫入一個位于單一數(shù)據(jù)流中的控制寄存器的塊；在非連續(xù)地址模式下（簡單尋址模式），在地址以后只等待一個數(shù)據(jù)字。

地址模式用于寫入或者讀取配置寄存器或者FIFO。當把多于12 B的數(shù)據(jù)寫入FIFO時，連續(xù)地址模式應(yīng)設(shè)定為1。命令模式用于輸入一個導致讀取器動作的命令。

1.3.1 無線接口數(shù)據(jù)的接收

在接收操作啟動時（成功偵測到SOF），IRQ狀態(tài)寄存器的B6被設(shè)定。如果接收數(shù)據(jù)串少于或者等于8 B，在接收操作的末尾，一個中斷請求會被發(fā)送到MCU。MCU接收到這個中斷請求，然后它會通過讀取IRQ狀態(tài)寄存器（0x0C）來檢查以確定中斷的原因，之后MCU從FIFO讀取數(shù)據(jù)。

如果接收到的數(shù)據(jù)包大于96 B，當?shù)?6個字節(jié)被載入到FIFO中（滿容量的75%）時，在接收操作終止前，中斷被發(fā)出。MCU應(yīng)該重新讀取IRQ狀態(tài)寄存器的內(nèi)容以確定中斷請求的原因。如果FIFO已經(jīng)達到滿容量的75%（由IRQ狀態(tài)寄存器的標志B5標出并讀取FIFO狀態(tài)寄存器），MCU通過從FIFO中讀取數(shù)據(jù)作出的響應(yīng)為新接收來的數(shù)據(jù)騰出空間。當接收操作完成時，中斷被發(fā)出并且在完成讀取操作前，MCU必須檢查還有多少字仍然在FIFO中。

如果讀取器偵測到一個接收錯誤，在IRQ狀態(tài)寄存器中相應(yīng)的錯誤標志（組幀錯誤，CRC錯誤）被設(shè)定，指示MCU接收沒有正確完成。

1.3.2 到MCU的數(shù)據(jù)傳送

在開始數(shù)據(jù)傳送前，F(xiàn)IFO應(yīng)該一直被一個復位命令（0x0F）清除。數(shù)據(jù)傳送由一個選定的命令初始化。然后，MCU命令此讀取器從寄存器0x1D開始執(zhí)行一個持續(xù)寫命令（0x3D）。寫入到寄存器0x1D的數(shù)據(jù)為TX，長度字節(jié)1（上部和中部半字節(jié)），而隨后寄存器0x1E中的字節(jié)為TX，長度字節(jié)2（較低半字節(jié)和不完整字節(jié)長度）。TX字節(jié)長度確定讀取器何時發(fā)送幀結(jié)束（EOF）字節(jié)。在TX長度字節(jié)被寫入后，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)被載入到寄存器0x1F中，其字節(jié)存儲單元位于0至127。在第一個字節(jié)被寫入到FIFO后，數(shù)據(jù)傳送自動開始。由于地址是按順序排列的，TX長度字節(jié)和FIFO的載入可由一個持續(xù)寫命令完成。

傳送開始時，IRQ狀態(tài)寄存器的標志B7（IRQ_TX）被設(shè)定，并且在傳送操作結(jié)束時發(fā)送一個中斷以通知MCU此任務(wù)已完成。

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電以后MCU首先配置TRF7970A芯片，先將由2個輸入引腳（EN和EN2）以及芯片狀態(tài)控制寄存器（0x00）內(nèi)的幾個位配置芯片的工作模式，MCU通過并口將配置數(shù)據(jù)傳入TRF7970A芯片。在RX模式，接收操作結(jié)束，通過設(shè)定引腳13（IRQ）為高電平來通知外部MCU接收結(jié)束；在TX模式，一個標示TX已經(jīng)完成的中斷申請（IRQ）通知外部MCU。

在TRF7970A芯片中有一個組幀邏輯部分，串行比特流數(shù)據(jù)在此部分被格式化成字節(jié)格式。特別信號，諸如幀開始（SOF）、幀結(jié)束（EOF）、通信開始、通信結(jié)束，被自動去除；奇偶校驗位和CRC字節(jié)也被檢查并去除了。然后，這個“干凈”數(shù)據(jù)被發(fā)送到128 B的FIFO寄存器，此寄存器可由外部微控制器讀取。這意味著降低MCU的存儲器需求也就是降低MCU成本，同時縮短軟件開發(fā)時間。TRF7970A發(fā)射模式如圖5所示，TRF7970A接收模式如圖6所示。

圖5 TRF7970A發(fā)射模式

圖6 TRF7970A接收模式

2.1 發(fā)射模式

（1）通過引腳EN和EN2以及芯片狀態(tài)控制器（0x00）內(nèi)的幾個位選擇功率模式使模塊工作在主動模式；

（2）在將即將發(fā)送的數(shù)據(jù)載入FIFO后，發(fā)送一個發(fā)射命令；

（3）TRF7970A芯片自動添加特別信號：通信開始、通信結(jié)束、SOF、EOF、奇偶校驗位和CRC字節(jié)，形成數(shù)據(jù)包；

（4）在檢測中斷信號（IRQ）之前，一直發(fā)送數(shù)據(jù)包；

（5）在發(fā)射操作的末尾，一個標示TX已經(jīng)完成的中斷請求（IRQ）通知外部MCU。

2.2 接收模式

（1）通過引腳EN和EN2以及芯片狀態(tài)控制器（0x00）內(nèi)的幾個位選擇功率模式使模塊工作在被動模式，即待機狀態(tài)；

（2）開啟RF計量系統(tǒng)，監(jiān)控天線上輸入的RF信號，檢測有效電平，TRF7970A芯片被自動激活；

（3）TRF7970A芯片為接收到的信號自動去除特別信號：通信開始、通信結(jié)束、SOF、EOF、奇偶校驗位和CRC字節(jié)，形成“干凈”數(shù)據(jù)；

（4）當FIFO中接收到數(shù)據(jù)，一個中斷被發(fā)送至MCU以表示有數(shù)據(jù)要從FIFO中讀取，接收操作開始；

（5）在接收數(shù)據(jù)期間，檢測到任何數(shù)據(jù)格式、奇偶校驗或者CRC中的錯誤，可以通過一個中斷請求通知外部MCU，放棄該數(shù)據(jù)；

（6）接收操作的末尾通過設(shè)定引腳13（IRQ）為高電平來傳送至外部系統(tǒng)MCU。

上面的兩種模式只是簡單地敘述了NFC模塊在主動模式下發(fā)送數(shù)據(jù)和在被動模式下接收數(shù)據(jù)，在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)后，可根據(jù)存儲MCU的數(shù)據(jù)再完成相應(yīng)的工作。

在并口模式下讀寫數(shù)據(jù)到寄存器的參考程序如下：

本文介紹了TRF7970A芯片接口，其具有資源豐富、擴展性強、集成度高、簡化電路設(shè)計等特點。用此芯片設(shè)計的NFC模塊具有功耗低及可休眠、高可靠性、體積小、重量輕和穩(wěn)定性高等優(yōu)點。實驗證明，該NFC模塊可應(yīng)用于移動支付、公共交通票務(wù)、門禁、電子海報等不同的領(lǐng)域。

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