嵌入式DMI操作屏NFC技術原理與硬件設計

錢委

摘 要：本文從NFC 的含義和通信模式出發，進一步分析了嵌入式DMI操作屏NFC技術的應用原理，并提出相應的設計方案，希望為相關領域的研究提供現實性參考意見。

關鍵詞：嵌入式DMI操作屏；NFC技術；原理；設計

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

1. NFC簡介

NFC近場通信（Near Field Communication）是一種短距離的高頻無線通信技術，允許電子設備之間進行非接觸式點對點數據傳輸（在10cm內）交換數據。該技術由免接觸式射頻識別（RFID）演變而來，向下兼容RFID，最早由Sony和Philips各自開發成功，主要用于手機等手持設備中提供M2M的通信。

2. NFC通信模式

NFC有3種工作模式：被動模式、主動模式和雙向模式。

2.1被動模式

在被動模式下，啟動NFC通信的設備，也稱為NFC發起設備，在整個通信過程中提供射頻場。在被動模式下，NFC終端可以被模擬成一個卡被讀或者寫，它可以選擇一種傳輸速度，將數據發送到NFC目標設備。從設備只在其他設備發出的射頻場中被動響應，不必產生射頻場，利用感應出來的電動勢提供工作所需的電源，并使用負載調制技術進行數據收發。

2.2主動模式

在主動模式下，每臺設備要向另一臺設備發送數據時，都必須產生自己的射頻場。為方便通信，發起設備和目標設備都要產生自己的射頻場，這是對等網絡通信的標準模式，該模式下，可以獲得非常快速的連接設置。移動設備通常以被動模式操作，從而大幅降低功耗，延長電池壽命。

2.3雙向模式

在該模式下，NFC手機之間可以進行數據的交換，實現點對點通信，關聯應用可以是本地應用也可以是網絡應用。該模式的典型應用有建立藍牙連接、交換手機名片等。

3.目前設計需求

（1）支持讀取4類基本NFC標簽；

（2）符合標準：ISO/IEC14443 A和B、ISO/IEC15693以及Felicia標準完全支持MIFARE技術；

（3）支持讀取單標簽的容量不小于48字節；

（4）讀取速度不低于100kbit/s。

4.硬件設計方案

方案主控芯片采用飛思卡爾i.MX6芯片。根據恩智浦和TI的方案不同，主控MCU和NFC芯片之間的通信方式有所不同。恩智浦支持SPI總線通信，TI支持并口或者SPI通信。恩智浦現有的成熟方案是飛思卡爾的KL81+PN5180，恩智浦FAE評估i.MX6芯片硬件和軟件并不存在問題。TI的NFC芯片是TRF7970A，支持SPI和并口通信，該芯片在支持MIFARE卡時候需要特殊直接模式（Special direct mode）才可以實現。根據恩智浦和TI的方案不同，主控MCU和NFC芯片之間的通信方式有所不同。恩智浦支持SPI總線通信，TI支持并口或者SPI通信。

（1）基于恩智浦（NXP）的NFC方案

PN5180是恩智浦主推芯片，也是目前恩智浦市場上最好的完全支持NFC的前端。作為高度集成的完全符合NFC Forum的前端IC，此前端IC可在13.56 MHz時進行免接觸式通信，利用完全集成的出色調制和解調概念，以符合各種免接觸式通信方式和協議PN5180，確保與新一代支持NFC的手機實現最大的互操作。PN5180適用于POS終端應用，具有大功率NFC前端功能，能夠達到射頻級的EMV標準，且無需增加外部有源組件。PN5180前端IC支持的操作模式：

？ 讀/寫器模式，支持ISO/IEC 14443-A，速率高達848 kBit/s，MIFARE

？ 讀/寫器模式，讀/寫器模式，支持JIS X 6319-4 （與FeliCa兼容）

？ 讀/寫器模式，支持ISO/IEC 15693

？ 讀/寫器模式，支持ISO/IEC 18000-3模式3

？ ISO14443 A型卡仿真速率高達848 kBit/s

采用基于SPI的主機控制器接口可實現：

？ 串行外設接口（SPI），數據傳輸速率高達7 Mbit/s，提供MOSI、MISO、NSS和SCK信號

？ 中斷請求線路，發生事件時可通知主機控制器

？ SPI MISO線路上的EEPROM可配置的上拉電阻器

？ 占線，用來指示可讀取的主機可用性數據

（2）基于德州儀器 （TI）的NFC 方案。

TRF7970A芯片是一款用于 13.56MHz RFID/近場通信系統的集成模擬前端和數據組幀器件，內置編程選項使得此器件適合于廣泛的相鄰或者附近識別系統的應用，能夠執行RFID/NFC讀取器、NFC對等點、或者卡仿真3種模式中的任一模式。通過在控制寄存器中選擇所需的協議可對TRF7970A到所有控制寄存器直接存取，可根據需要對不同的讀取器參數進行微調。

TRF7970A芯片特性：

？ 支持近場通信 （NFC） 標準 NFCIP-1 （ISO/IEC 18092） 和 NFCIP-2 （ISO/IEC 21481）

？ 針對 ISO15693，ISO18000-3，ISO14443A/B，和 Felica 的完全集成協議處理

？ 針對所有三位速率 （106kbps，212kbps，424kbps） 和卡仿真的集成編碼器、解碼器、和數據組幀 NFC 發送方、有源和無源目標方操作

？ 可編程輸出功率：+20dBm （100mW），+23dBm （200mW）

？ 來自 13.56MHz 或者 27.12MHz 晶振振蕩器的可編程系統時鐘頻率輸出 （RF，RF/2，RF/4）

5. 需要關注的技術點

（1）TI的芯片兼容MIFARE卡問題

發送信號的時候MIFARE需要特殊直接模式（Special direct mode）才可以實現，進入特殊直接模式時需要用到硬件上的3個I/O口，硬件設計時和控制芯片之間除了SPI通信外需要額外增加三路I/O通信。

（2）天線在NFC通信中應用

常見的天線有3款，分別是雙面矩形天線、雙面螺旋天線、單面圓角矩形天線。天線的基本參數決定了兩者之間的通信效果和通信距離，受到顯示屏的結構限制，結構給出的天線位置寬度不到25mm，周邊至少5mm以內不允許有金屬存在，如果想要支持所有4個標簽平臺，便意味著我們可以碰到任何大小或形狀的標簽存在。如果想要用戶有好的體驗，TI的FAE建議使天線線圈更大。選擇合適的天線模型和匹配參數，是滿足當前需求的關鍵。

結語

NFC技術的使用和普及極大的方便了人們的生活，促進了人與人之間的交際與溝通。該技術的研究和發展將對我國電子科技領域的進步產生重大影響。

參考文獻

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