基于NI 5641R的NFC—F閱讀器物理層研究

滕飛

摘 要：本文對NFC-F技術的物理層協議（JIS X 6319-4）進行詳細解析。在理解協議的基礎上，采用美國國家儀器公司的中頻收發儀5641R板卡構建NFC-F讀卡器的發射機與接收機模塊并完成相應mac層命令的編寫，完成相應的labview FPGA模塊編寫；再利用虛擬儀器的思想完成上層測試界面的設計和編寫，并通過與NFC-F產品進行通信來驗證本文的正確性。

關鍵詞：NFC；物理層；研究；通訊

NFC是Near Field Communication縮寫，即近距離無線通訊技術。由飛利浦公司和索尼公司共同開發的NFC是一種非接觸式識別和互聯技術，可以在移動設備、消費類電子產品、PC 和智能控件工具間進行近距離無線通信。NFC 提供了一種簡單、觸控式的解決方案，可以讓消費者簡單直觀地交換信息、訪問內容與服務。

NFC近場通信技術是由非接觸式射頻識別（RFID）及互聯互通技術整合演變而來，在單一芯片上結合感應式讀卡器、感應式卡片和點對點的功能，能在短距離內與兼容設備進行識別和數據交換，工作頻率為13.56MHz。

手機用戶憑著配置了支付功能的手機就可以行遍全國：他們的手機可以用作機場登機驗證、大廈的門禁鑰匙、交通一卡通、信用卡、支付卡等等。

1 協議解析

NFC-F的物理層協議JIS X 6319-4協議主要應用于索尼公司推出的FeliCa型IC卡，其中規定了NFC-F發射機幀格式、編碼方式、調制方式以及發射波形的包絡信息。

JIS X 6319-4協議中規定了閱讀器和應答器之間的通信頻率和工作場強。協議要求交互系統的工作頻率為13.56MHz，并且閱讀器需要產生的靜態磁場強度應為640kA/m，傳輸速率為212kbps。讀卡器到標簽的前向鏈路就是指命令從讀卡器發出到標簽應答器接收所建立的鏈路。

協議規定前向鏈路閱讀器向應答器傳送的射頻信號應采用ASK調制，調制深度為10%，調制指數應設置在8%至14%之間，調制波形應滿足圖1所示條件。調制波形的上升和下降沿應該是單調的。

其中的參數規定：tr（max）= 2.0us，tf（max）= 2.0us，調制深度（max）

=10%，y=0.1（a-b），hf，hr=0.1（a-b）max。

前向鏈路的信息傳送應采用曼徹斯特編碼方式進行編碼。采用曼徹斯特位編碼方式，波形如圖2所示。

比特編碼格式是曼徹斯特，邏輯電平定義如下：

邏輯“0”：一個比特的前半部分是載波低場幅度，后半部分是高場振幅（無調制使用）；

邏輯“1”：一個比特的前半部分是載波高場幅度（無調制使用），后半部分是低場振幅；幅度中反向極性應被允許，并且應該從同步開始進行極性檢測。

JIS X 6319-4定義了NFC-F下的幀格式，整個幀由前導、同步碼、長度、數據部分和EDC校驗組成。前導序列將由最少48比特的全0組成；同步碼為2字節，第一個字節應為B2，第二個字節應為4D；長度應為8比特的字段，其值為在有效載荷域傳輸的節數并加1，長度的范圍應為2至255，其它設置為未來使用保留；有效載荷將由n個8比特字節的數據組成，其中n由數據字節數給出，具體幀格式如圖3所示。

標簽到讀卡器的后向鏈路即為從標簽應答器返回的命令到讀卡器接收該命令所建立的鏈路，當應答器被閱讀器發送的載波信號激活后，通過切換應答器負載狀態產生副載波與讀寫器通信。

讀卡器發送的載波信號由于電感耦合的原理將標簽進行激活后，標簽便通過自主選擇“ON”或“OFF”來切換負載狀態，通過負載調制產生的副載波與閱讀器進行通信。反向鏈路仍然采用曼徹斯特位編碼方式，并同樣允許極性反向。

本文設計的基于JIS X 6319-4協議的RFID模擬器軟件運行平臺是LabVIEW，在LabVIEW FPGA環境中搭建JIS X 6319-4協議的RFID模擬器，使得閱讀器能夠與應答器交互，獲取應答器數據；并將閱讀器要發送的命令傳給接收機部分進行編碼、組幀和調制等工作。

模擬器通過FPGA to Host FIFO將獲取的基帶IQ數據傳給上位機進行測試測量；上位機通過全局變量將要發送的命令傳給模擬器進行編碼、組幀和調制等工作。通過FIFO和全局變量將原型機和上位機兩個部分有機地聯系到一起。

軟件總體架構如圖4所示。

2 NFC-F系統硬件實現

發射機在labview FPGA中編寫，分為編碼和IQ信號交織發射兩部分。編碼部分包含組幀的各種狀態，命令通過編碼部分組合起來，再利用IQ路信號交織，通過ASK調制后利用儀器發射出去。發射機編碼部分的具體程序如圖5所示。

接收機完成的是將信號接收回來，解調并將有用信息通過FIFO傳遞至數據鏈路層進行解碼，當檢測到門限電平時便認為開始有信號返回并開始工作。整個過程依然采用狀態機實現。接收機具體程序見圖6。

數據鏈路層的主要作用就是根據上層傳來的用戶指令完成具體命令的組成傳遞給發射機，并且利用接收機傳回來的數據進行譯碼工作，同樣利用狀態機完成數據鏈路層個狀態的跳轉，具體程序見圖7所示。

3 測試結果

在本系統中，采用符合JIS X 6319-4協議的Sony公司的FeiliCa IC卡作為應答器，發送天線采用符合ISO/IEC 10373-6測試標準規定的三層板天線，當發送REQC命令（即激活卡的第一條命令）時，host主程序測得的發送和返回信號的整體時域波形如下圖8所示。

除了對整體時域波形進行測試之外，本系統還實現了信號幅度、功率、電平狀態、調制深度、信號周期、信號上升沿和下降沿、頻譜、信號帶寬、頻譜模板以及聯合時頻分析等指標的測試，還包括應答器與閱讀器的命令一致性以及標簽狀態跳轉測試等內容。

本文按照JIS X 6319-4的協議規定，解析了協議物理層中通信速率為212Kbps的幀格式，并設計了物理層的發射機和接收機模塊。

最后，本文選用NI 5641R板卡實現了市面常用的NFC-F讀卡器發射機和接收機，并通過與真實FeiliCa標簽進行通信，完成了標簽信號的頻譜分析測試，從而驗證了本文設計方案的正確性。

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