需要NFC/RFID嗎？未來(lái)不再遙遠(下)

摘要：本文給出了NFC技術(shù)給出常見(jiàn)的電路，展示OEM在便攜式電子產(chǎn)品中實(shí)現新型非接觸式NFC/RFID功能。利用電路，將NFC/RFID短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)增加到嵌入式電子平臺。

(接上期)

6 高速數據傳輸，無(wú)需外部微控制器

　　MAX66242無(wú)源標簽是I2C至NFC/RFID協(xié)議轉換器網(wǎng)關(guān)。標簽的I2C端口可作為主機端口或從機端口進(jìn)行數據交換。在圖3所示應用中，NFC/RFID讀卡器可訪(fǎng)問(wèn)基于I2C的電子元件，后者直接連接至MAX66242。所以不需要附加微控制器(例如安裝在傳感器卡上)即可訪(fǎng)問(wèn)數據。

　　如上所述，IC集成的32字節SRAM緩存器有助于加快I2C至HF數據傳輸。與必須通過(guò)其EEPROM單元傳輸數據的方案類(lèi)似，示例中的MAX66242利用其SRAM緩存器管理此類(lèi)傳輸。SRAM的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間比EEPROM快，這是相對于其它方案的一項優(yōu)勢，加速系統的總體事務(wù)處理。

　　IC也提供可編程輸入/輸出(PIO)引腳，實(shí)現多功能用途，包括在特定應用中中斷便攜設備的微控制器。該PIO引腳可配置作為RF Busy或RF-Access-In-Progress報警信號。報警信號的一項極好用途是在出現13.56MHz HF電磁場(chǎng)時(shí)喚醒正在休眠的嵌入式系統。簡(jiǎn)而言之，該多功能PIO引腳提供更好的控制系統數據流的途徑。

7 能量收集，提高靈活性和擴展性

　　能量收集非常有用，使MAX66242成為高度靈活、可擴展的方案，適用于寬范圍NFC/RFID應用。

　　IC作為通用無(wú)源標簽，不要求外部供電;僅消耗極低功率即可工作，大約50 μA，或根據支持的功能略有變化。標簽從讀卡器的13.56MHz HF電磁場(chǎng)收集能量。針對高效、優(yōu)化鏈路正確構造和調諧天線(xiàn)時(shí)，無(wú)源標簽獲得的能量遠高于本身所需的功率。剩余能量往往被分流至地。相反，在MAX66242中，整流器未使用的收集能量可通過(guò)IC的VOUT引腳輸出到IC的外部電路。即收集能量可用于IC外圍供電，如溫度傳感器，也用于從該傳感器中采集溫度轉換數據。IC的VOUT引腳可配置為提供1.8V或3.3V(典型值)電壓，磁場(chǎng)足夠強時(shí)，可配置電源輸出提供高達5mA電流。

8 優(yōu)化天線(xiàn)設計，最大程度提高功率和效率

　　只有實(shí)現最優(yōu)的RF電路設計，最大程度傳輸RF能量時(shí)，無(wú)源標簽的能量提取方法才更有效。讀卡器與標簽天線(xiàn)線(xiàn)圈之間的能量傳輸效率很大程度上取決于諧振電路的精度和/或天線(xiàn)調諧方式。天線(xiàn)線(xiàn)圈之間能量的有效吸收或傳遞是靠電諧振實(shí)現的。此時(shí)，使MAX66242標簽的天線(xiàn)線(xiàn)圈及其調諧電容在13.56 MHz工作頻率下產(chǎn)生諧振是關(guān)鍵。

　　天線(xiàn)設計原理相對簡(jiǎn)單、明確。必須在PCB(或內層基片)上構建標簽的天線(xiàn)電感(LINDUCTOR)，使其與片上調諧電容(CTUNING)相匹配，實(shí)現13.56MHz的IC諧振。所以，所有電容和電感電抗之和必須為零。當LCw² = LC (2πf)² = 1 (with f = f_RES)時(shí)，滿(mǎn)足該條件。這在理論上表示流入MAX66242標簽的能量流(IRF流)達到最大，或者說(shuō)阻抗達到最小。由此得到式1中的諧振頻率f_RES和L_INDUCTOR。

　　式1. PCB上集成的外部天線(xiàn)電感(L_INDUCTOR)必須與標簽的內部調諧電容(C_TUNING)相匹配，使電路諧振點(diǎn)為13.56MHz。

　　滿(mǎn)足上式，意味著(zhù)調諧電路發(fā)生諧振。式1也可以作為已知C_TUNING值時(shí)計算實(shí)際L_INDUCTOR的例子。計算得到L值后，設計者將構建外部天線(xiàn)，得到L值。實(shí)現以上條件后，說(shuō)明天線(xiàn)設計已經(jīng)使LC環(huán)路接收到的電流最大化。

　　值得注意的是，實(shí)際應用中，設計工程師總是通過(guò)設計NFC/RFID天線(xiàn)線(xiàn)圈，使真實(shí)系統的功率最大化。由于將標簽安裝在HF場(chǎng)中，往往存在標簽“加載效應”。為考慮該加載效應，天線(xiàn)線(xiàn)圈設計師可能不得不將其設計在超調或欠調，即略微低于或高于13.56MHz的頻率，使電路效率較高。關(guān)于如何構建天線(xiàn)，超出了本文的討論范圍。

9 在便攜設備中嵌入NFC/RFID

　　客觀(guān)地說(shuō)，NFC/RFID正在開(kāi)啟可穿戴技術(shù)的市場(chǎng)大門(mén)。在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)大潮下，將涌現出越來(lái)越多支持傳感器的嵌入式系統，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上的各種系統收集用戶(hù)的生物及其它數據;將會(huì )有非常多支持NFC/RFID的醫療和工業(yè)應用涌現出來(lái)，我們對其規模尚不得而知。

　　在討論特定應用之前，首先了解一下嵌入式設計中支持NFC/RFID的基本電路結構(圖4)。注意，系統需要具備與外部世界通信的途徑。

　　圖4中，I²C接口(SDL和SDA)和PIO信號(RF-AIP和RF-BUSY功能的多路復用線(xiàn))是連接主機微控制器所必須的，RFID_VCC_ANABLE和SYS_ALERT_INT#信號可選。MOSFET Q1用于隔離。由于可通過(guò)RF和I2C接口訪(fǎng)問(wèn)標簽內部的EEPROM，當主機微控制器必須在存在HF場(chǎng)的情況下進(jìn)行連接時(shí)，Q1為標簽供電。然而，可選的Q2利用電路板上的穩壓VCC切換開(kāi)漏(open-drain)SYS_ALERT_INT#(這種情況下不安裝R4)。

　　在設備原理圖中利用該電路(圖4)的各種變型，OEM產(chǎn)品可與任何NFC/RFID讀卡器或發(fā)起方系統進(jìn)行通信。一旦電路板進(jìn)入HF場(chǎng)，VOUT升高并導通Q2。開(kāi)漏信號SYS_ALERT_INT#變?yōu)榈碗娖?，中斷或喚醒主機微控制器，由此表示系統處于HF場(chǎng)中。然后主機微控制器將RFID_VCC_ANABLE驅動(dòng)為邏輯高狀態(tài)，將MOSFET Q1導通。此時(shí)，主機微控制器即可與產(chǎn)生HF場(chǎng)的NFC/RFID讀卡器交換數據。同樣，MAX66242的VCC引腳不需要連接電源，因為IC的內部電路由從HF場(chǎng)收集的能量供電。然而，VCC引腳如圖4所示連接，所以主機微控制器能夠在沒(méi)有HF場(chǎng)的情況下訪(fǎng)問(wèn)IC。就像有線(xiàn)至無(wú)線(xiàn)轉換器一樣，I²C信號將數據傳輸至外部。數據流由RF-AIP (RF-Access-In-Progress)引腳控制，也與RF-BUSY引腳多路復用。