嵌入式DMI操作屏NFC技术原理与硬件设计

钱委

摘 要：本文从NFC 的含义和通信模式出发，进一步分析了嵌入式DMI操作屏NFC技术的应用原理，并提出相应的设计方案，希望为相关领域的研究提供现实性参考意见。

关键词：嵌入式DMI操作屏；NFC技术；原理；设计

中图分类号：TP311 文献标识码：A

1. NFC简介

NFC近场通信（Near Field Communication）是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（在10cm内）交换数据。该技术由免接触式射频识别（RFID）演变而来，向下兼容RFID，最早由Sony和Philips各自开发成功，主要用于手机等手持设备中提供M2M的通信。

2. NFC通信模式

NFC有3种工作模式：被动模式、主动模式和双向模式。

2.1被动模式

在被动模式下，启动NFC通信的设备，也称为NFC发起设备，在整个通信过程中提供射频场。在被动模式下，NFC终端可以被模拟成一个卡被读或者写，它可以选择一种传输速度，将数据发送到NFC目标设备。从设备只在其他设备发出的射频场中被动响应，不必产生射频场，利用感应出来的电动势提供工作所需的电源，并使用负载调制技术进行数据收发。

2.2主动模式

在主动模式下，每台设备要向另一台设备发送数据时，都必须产生自己的射频场。为方便通信，发起设备和目标设备都要产生自己的射频场，这是对等网络通信的标准模式，该模式下，可以获得非常快速的连接设置。移动设备通常以被动模式操作，从而大幅降低功耗，延長电池寿命。

2.3双向模式

在该模式下，NFC手机之间可以进行数据的交换，实现点对点通信，关联应用可以是本地应用也可以是网络应用。该模式的典型应用有建立蓝牙连接、交换手机名片等。

3.目前设计需求

（1）支持读取4类基本NFC标签；

（2）符合标准：ISO/IEC14443 A和B、ISO/IEC15693以及Felicia标准完全支持MIFARE技术；

（3）支持读取单标签的容量不小于48字节；

（4）读取速度不低于100kbit/s。

4.硬件设计方案

方案主控芯片采用飞思卡尔i.MX6芯片。根据恩智浦和TI的方案不同，主控MCU和NFC芯片之间的通信方式有所不同。恩智浦支持SPI总线通信，TI支持并口或者SPI通信。恩智浦现有的成熟方案是飞思卡尔的KL81+PN5180，恩智浦FAE评估i.MX6芯片硬件和软件并不存在问题。TI的NFC芯片是TRF7970A，支持SPI和并口通信，该芯片在支持MIFARE卡时候需要特殊直接模式（Special direct mode）才可以实现。根据恩智浦和TI的方案不同，主控MCU和NFC芯片之间的通信方式有所不同。恩智浦支持SPI总线通信，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，也是目前恩智浦市场上最好的完全支持NFC的前端。作为高度集成的完全符合NFC Forum的前端IC，此前端IC可在13.56 MHz时进行免接触式通信，利用完全集成的出色调制和解调概念，以符合各种免接触式通信方式和协议PN5180，确保与新一代支持NFC的手机实现最大的互操作。PN5180适用于POS终端应用，具有大功率NFC前端功能，能够达到射频级的EMV标准，且无需增加外部有源组件。PN5180前端IC支持的操作模式：

？ 读/写器模式，支持ISO/IEC 14443-A，速率高达848 kBit/s，MIFARE

？ 读/写器模式，读/写器模式，支持JIS X 6319-4 （与FeliCa兼容）

？ 读/写器模式，支持ISO/IEC 15693

？ 读/写器模式，支持ISO/IEC 18000-3模式3

？ ISO14443 A型卡仿真速率高达848 kBit/s

采用基于SPI的主机控制器接口可实现：

？ 串行外设接口（SPI），数据传输速率高达7 Mbit/s，提供MOSI、MISO、NSS和SCK信号

？ 中断请求线路，发生事件时可通知主机控制器

？ SPI MISO线路上的EEPROM可配置的上拉电阻器

？ 占线，用来指示可读取的主机可用性数据

（2）基于德州仪器 （TI）的NFC 方案。

TRF7970A芯片是一款用于 13.56MHz RFID/近场通信系统的集成模拟前端和数据组帧器件，内置编程选项使得此器件适合于广泛的相邻或者附近识别系统的应用，能够执行RFID/NFC读取器、NFC对等点、或者卡仿真3种模式中的任一模式。通过在控制寄存器中选择所需的协议可对TRF7970A到所有控制寄存器直接存取，可根据需要对不同的读取器参数进行微调。

TRF7970A芯片特性：

？ 支持近场通信 （NFC） 标准 NFCIP-1 （ISO/IEC 18092） 和 NFCIP-2 （ISO/IEC 21481）

？ 针对 ISO15693，ISO18000-3，ISO14443A/B，和 Felica 的完全集成协议处理

？ 针对所有三位速率 （106kbps，212kbps，424kbps） 和卡仿真的集成编码器、解码器、和数据组帧 NFC 发送方、有源和无源目标方操作

？ 可编程输出功率：+20dBm （100mW），+23dBm （200mW）

？ 来自 13.56MHz 或者 27.12MHz 晶振振荡器的可编程系统时钟频率输出 （RF，RF/2，RF/4）

5. 需要关注的技术点

（1）TI的芯片兼容MIFARE卡问题

发送信号的时候MIFARE需要特殊直接模式（Special direct mode）才可以实现，进入特殊直接模式时需要用到硬件上的3个I/O口，硬件设计时和控制芯片之间除了SPI通信外需要额外增加三路I/O通信。

（2）天线在NFC通信中应用

常见的天线有3款，分别是双面矩形天线、双面螺旋天线、单面圆角矩形天线。天线的基本参数决定了两者之间的通信效果和通信距离，受到显示屏的结构限制，结构给出的天线位置宽度不到25mm，周边至少5mm以内不允许有金属存在，如果想要支持所有4个标签平台，便意味着我们可以碰到任何大小或形状的标签存在。如果想要用户有好的体验，TI的FAE建议使天线线圈更大。选择合适的天线模型和匹配参数，是满足当前需求的关键。

结语

NFC技术的使用和普及极大的方便了人们的生活，促进了人与人之间的交际与沟通。该技术的研究和发展将对我国电子科技领域的进步产生重大影响。

参考文献

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[2]孙恒.基于NFC技术和云服务的新型门禁系统设计与实现[J].实验室研究与探索，2016，35（1）：114-120.

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