基于收發(fā)一體芯片的NFC模塊設計

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )支持的上下行數據速率不斷提高。手機在數據業(yè)務(wù)方面的應用不斷涌現。越來(lái)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實(shí)。2006年6月，諾基亞和中國移動(dòng)、飛利浦、易通卡公司在廈門(mén)啟動(dòng)了中國首個(gè)NFC手機支付試驗。用戶(hù)使用內嵌NFC模塊的諾基亞3220手機，可在廈門(mén)市內任何一個(gè)易通卡覆蓋的營(yíng)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)(公交汽車(chē)、輪渡、電影院、快餐店)進(jìn)行手機支付。

　　不僅如此，在不久的將來(lái)，通過(guò)手機和NFC技術(shù)的結合，用戶(hù)通過(guò)手機就可以實(shí)現以下應用：在街邊海報上和雜志上下載演唱會(huì )時(shí)間、地點(diǎn)和節目表;在公園里玩互動(dòng)的定向越野游戲;在車(chē)站實(shí)時(shí)刷新公交車(chē)的到站時(shí)間;在辦公室發(fā)送短信控制家政服務(wù)員進(jìn)出住宅的時(shí)間;在學(xué)校全面代替現有學(xué)生證和學(xué)生卡：在遍布市區的智能公用電話(huà)亭查詢(xún)地圖、公交線(xiàn) 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的基礎上，設計了具有主動(dòng)模式和被動(dòng)模式的NFC模塊。

　　1 硬件設計

　　1.1 TRF7970A簡(jiǎn)介

　　TRF7970A是一款用于13.56 MHz RFID/近場(chǎng)通信系統的集成模擬前端和數據組幀器件。通過(guò)內置編程選項可使此器件適合于范圍寬廣的應用。它能夠執行以下3種模式中的任一模式：RFID/NFC讀取器、NFC對等點(diǎn)、卡仿真模式。引腳分布如圖1所示。

　　此芯片具有幾個(gè)工作模式，可以通過(guò)配置兩個(gè)輸入引腳(EN和EN2)以及芯片狀態(tài)控制寄存器(0X00)內的幾個(gè)位來(lái)進(jìn)行控制，如表1所示。

　　圖1 引腳分布

　　當EN被設定為高電平時(shí)(或者在EN2的上升沿，然后被EN=1確認)，電壓穩壓器被激活并且13.56 MHz振蕩器啟動(dòng)。當電源和振蕩器頻率已穩定時(shí)，SYS_CLK輸出從60 kHz的輔助頻率切換至來(lái)自晶體振蕩器的13.56 MHz頻率。此時(shí)，讀取器已為通信和執行所需任務(wù)做好準備。然后此MCU可對芯片狀態(tài)控制寄存器0x00進(jìn)行編程并通過(guò)編輯附加寄存器來(lái)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100s恢復到完全運行。

　　(2)模式1(RF輸出禁用，寄存器Ox00的位5=0并且位1=0的激活模式)是一個(gè)低功率模式，此模式使得讀取器能夠在25斗s內恢復到完全運行。

　　(3)如果讀取器到讀取器的防沖突被執行，模式2(只有RF接收器有效，寄存器ox00的位1=l的激活模式)可用于測量外部RF場(chǎng)(正如RSSI測量段落中描述的那樣)。

　　(4)模式3和4(整個(gè)RF部分有效。寄存器0x00的位5=l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(xiàn)、TRF7970A、微控制器(MCU)3部分組成的NFC電路。

　　系統上電以后，MCU首先配置TRF7970A芯片，可以通過(guò)配置引腳EN和EN2以及芯片狀態(tài)控制寄存器的幾個(gè)位來(lái)選擇工作模式(具體配置參數如表l所示)，MCU通過(guò)并13將配置數據傳人TRF7970A芯片。NFC模塊主要有主動(dòng)模式和被動(dòng)模式兩種模式。

　　圖2 NFC模塊電路圖

　　NFC模塊可以在主動(dòng)或被動(dòng)模式下交換數據。在被動(dòng)模式下，啟動(dòng)NFC通信的設備(也稱(chēng)為NFC發(fā)起設備，主模塊)，在整個(gè)通信過(guò)程中提供射頻場(chǎng)(RF-field)，其中傳輸速度是可選的，將數據發(fā)送到另一臺模塊。另一臺模塊稱(chēng)為NFC目標模塊(從模塊)，不必產(chǎn)生射頻場(chǎng)，而使用負載調制(Load Modulation)技術(shù)，即可以相同的速度將數據傳回發(fā)起設備。此通信機制與基于IS014443A、MIFARE和FeliCa的非接觸式智能卡兼容，因此，NFC發(fā)起模塊在主動(dòng)模式下，可以用相同的連接和初始化過(guò)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(dòng)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(xiě)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(shí)時(shí)任務(wù)。每臺NFC模塊要向另一臺NFC模塊發(fā)送數據時(shí)，都必須產(chǎn)生自己的射頻場(chǎng)。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(chǎng)，以便進(jìn)行通信。這是對等網(wǎng)絡(luò )通信的標準模式，可以獲得非?？焖俚倪B接設置。

　　圖3 NFC主動(dòng)通信模式

　　圖4 NFC被動(dòng)通信模式

　　如圖4所示，當NFC模塊工作在被動(dòng)模式下，此模塊通常處于斷電或者待機模式。如果EN2=H，此模塊將電源系統保持在開(kāi)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(dòng)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(bo-b2)中載入一個(gè)非0值，此操作將開(kāi)啟RF計量系統(由VEXT供電，所以此系統在完全斷電期間仍可運行并且其流耗只有3.5μA)。RF計量一直監控天線(xiàn)輸入上的RF信號。當天線(xiàn)輸入上的RF水平超過(guò)目標方檢測電平寄存器中定義的值時(shí)，NFC模塊被自動(dòng)激活(EN是內部強制高電平)。

　　移動(dòng)模塊主要以被動(dòng)模式操作?？梢源蠓档凸?，并延長(cháng)電池壽命。在一個(gè)應用會(huì )話(huà)過(guò)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。電池電量較低的設備可以要求 以被動(dòng)模式充當目標設備，而不是發(fā)起設備。

　　1.3 TRF7970A通信接口設計

　　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(xiàn)并行接口(DO:D7)加上DATA_CLK，或者具有3線(xiàn)制或者4線(xiàn)制串行外設接口(SPI)。SPI接口使用傳統的主器件輸出/從器件輸入(MOSI)、主器件輸入/從器件輸出(MISO)、IRQ和DATA_CLK線(xiàn)路。SPI可在使用或者不使用從器件選擇線(xiàn)路的情況下運行。本文以并行接口的方式闡述。

　　通信由一個(gè)啟動(dòng)條件初始化，此啟動(dòng)條件之后通常跟隨一個(gè)地址/命令字(Adr/Cmd)。Adr/Cmd為8位長(cháng)，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(gè)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(xiě)入的是地址還是命令。一旦地址字被發(fā)出，就進(jìn)入數據接收等待狀態(tài)。在連續地址模式(連續模式=1)，地址之后的第一組數據被寫(xiě)入(或者讀取)到(自)指定的地址。對于每個(gè)附加數據，地址增量為1。持續模式可用于在不改變地址的前提下寫(xiě)入一個(gè)位于單一數據流中的控制寄存器的塊;在非連續地址模式下(簡(jiǎn)單尋址模式)，在地址以后只等待一個(gè)數據字。

　　地址模式用于寫(xiě)入或者讀取配置寄存器 或者FIFO。當把多于12 B的數據寫(xiě)人FIFO時(shí)，連續地址模式應設定為1。命令模式用于輸入一個(gè)導致讀取器動(dòng)作的命令。　　1.3.1 無(wú)線(xiàn)接口數據的接收

　　在接收操作啟動(dòng)時(shí)(成功偵測到SOF)，IRQ狀態(tài)寄存器的B6被設定。如果接收數攢if{少于或者等于8 B，在接收操作的末尾，一個(gè)中斷請求會(huì )被發(fā)送到MCU。MCU接收到這個(gè)中斷請求，然后它會(huì )通過(guò)讀取IRQ。狀態(tài)寄存器(OxOC)來(lái)檢查以確定中斷的原因，之后MCU從FIFO讀取數據。

　　如果接收到的數據包大于96 B，當第96個(gè)字節被載人到FIFO中(滿(mǎn)容量的75%)時(shí)，在接收操作終止前，中斷被發(fā)出。MCU應該重新讀取IRQ狀態(tài)寄存器的內容以確定中斷請求的原因。如果FIFO已經(jīng)達到滿(mǎn)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(guò)從FIFO中讀取數據作出的響應為新接收來(lái)的數據騰出空間。當接收操作完成時(shí)，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FIF0中。

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

　　1.3.2 到MCU的數據傳送

　　在開(kāi)始數據傳送前，FIFO應該一直被一個(gè)復位命令(0x0F)清除。數據傳送由一個(gè)選定的命令初始化。然后，MCU命令此讀取器從寄存器0xlD開(kāi)始執行一個(gè)持續寫(xiě)命令(Ox3D)。寫(xiě)入到寄存器OxlD的數據為T(mén)X。長(cháng)度字節l(上部和中部半字節)，而隨后寄存器0xlE中的字節為T(mén)X，長(cháng)度字節2(較低半字節和不完整字節長(cháng)度)。TX字節長(cháng)度確定讀取器何時(shí)發(fā)送幀結束(EOF)字節。在TX長(cháng)度字節被寫(xiě)入后，FIFO數據被載入到寄存器0xlF中。其字節存儲單元位于0至127。在第一個(gè)字節被寫(xiě)入到FIFO后，數據傳送自動(dòng)開(kāi)始。由于地址是按順序排列的，TX長(cháng)度字節和FIFO的載人可由一個(gè)持續寫(xiě)命令完成。

　　傳送開(kāi)始時(shí)，IRQ狀態(tài)寄存器的標志B7(IRQ TX)被設定，并且在傳送操作結束時(shí)發(fā)送一個(gè)中斷以通知MCU此任務(wù)已完成。

　　2 軟件設計

　　系統上電以后MCU首先配置TRF7970A芯片，先將由2個(gè)輸入引腳(EN和EN2)以及芯片狀態(tài)控制寄存器(0x00)內的幾個(gè)位配置芯片的工作模式，MCU通過(guò)并IZl將配置數據傳入TRF7970A芯片。在RX模式，接收操作結束，通過(guò)設定引腳13(IRQ)為高電平來(lái)通知外部MCU接收結束;在TX模式，一個(gè)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(gè)組幀邏輯部分，串行比特流數據在此部分被格式化成字節格式。特別信號， 諸如幀開(kāi)始(SOF)、幀結束(EOF)、通信開(kāi)始 、通信結束，被自動(dòng)去除;奇偶校驗位和CRC字節也被檢查并去除了。然后，這個(gè)“干凈”數據被發(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(zhù)降低MCU的存儲器需求也就是降低MCU成本。同時(shí)縮短軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。TRF7970A發(fā)