共享电动汽车NFC认证装置的硬件设计

朱福根 熊树生 李伟 周彩玲

（1.浙江交通职业技术学院，杭州 311112；2.浙江大学，杭州 310027）

1 前言

当前，电动汽车行业已在尝试租赁的共享经济模式，大部分租车业务需要客户到门店办理，取钥匙后解锁用车[1]，这样势必造成运营成本居高不下，客户体验不佳。部分租赁公司在车辆上加装读卡器，对门锁线束进行改装实现刷卡取车，但线束改装带来了车辆使用的安全性和可靠性问题。此外，由于地下车库经常无法获得蜂窝信号的覆盖，手机远程控制无法满足这种使用场景下的车辆解锁。

基于此，本文结合电动汽车共享运营的实际需求，提出一种近场通信（Near Field Communication，NFC）认证装置的硬件设计架构，开展器件选型和电路设计，最后对硬件模块进行了测试。

2 需求分析

根据共享电动汽车的使用场景，在用车前需要解决车辆选择、身份认证、解锁等问题，用车后需要上锁。落实到硬件层面：在车辆选择环节，需要有LED指示灯告知用户该车当前的剩余电量和租赁状态；在身份认证环节，采用NFC或者传统的刷卡方式实现；在解锁和上锁环节，车身控制模块与CAN总线进行密钥认证后，由其控制相应的门锁动作。此外，作为车辆的CAN总线节点，还需实现休眠唤醒等功能[2]。

目前市面上已有的读卡器主要是基于楼宇门禁、电子政务、公共交通等应用而开发的，该类读卡器若应用于车辆电子系统中则会不同程度地存在工作温度范围小、静态功耗大、通信接口无法对接车辆等局限性，无法满足前装汽车电子零件的一般性能要求。综合分析得到表1所示的功能需求。

3 总体设计

由于硬件面向车辆应用，器件选型的原则是保证性能可靠、成本最优。设计主要围绕NFC通讯、LED显示和CAN接口展开。采用单颗内嵌CAN控制器的微控制单元（Micro Controller Unit，MCU）集中控制的方案。NFC功能由1颗系统级芯片（System on Chip，SoC）实现。电源和CAN接口的外围电路采用高集成度的集成电路（Integrated Circuit，IC）来设计，以简化硬件电路，保证可靠性。硬件系统的总体架构如图1所示。

表1 功能需求

图1 硬件系统总体架构

系统中同时存在数字电路和模拟电路。为了使两种电路相对隔离，同时考虑到电路板布置的灵活性和方便性，将主板和射频板分别印刷，并分别安装在底层和顶层，使射频板尽量靠近操作面。两块电路板之间用软排线进行连接，实现数据和电源信号的互联[3]。

4 详细设计

4.1 电源电路

认证装置由车辆蓄电池直接供电。同时，作为CAN总线节点，需满足整车CAN网络管理策略。认证装置的工作状态往往由与之配合工作的车载终端决定，因此在硬件上设计了PEN线与车载终端对接。当车载终端拉高PEN线，认证装置上电并进入工作状态；反之，认证装置断电并停止工作。

电源电路主要由2颗芯片搭建。一颗是型号为MPS2359的5 V输出开关电源芯片，具备1.2 A的峰值输出电流和1 μA的关断电流，满足电路的用电需求和车辆长期停放时的静态功耗要求。另一颗为常用的线性低压差3.3 V输出电源芯片，为射频芯片、MCU等电路供电[4]。

完整的电源电路如图2所示。为了提高认证装置电路模块沿电源线的瞬态抗扰性，在电源入口处设计了瞬态抑制二极管D9、差模和共模抑制电感L3和L4、压敏电阻KV1以及电容C17。其中D6为防反接二极管，F1为过流保护熔丝。

图2 电源电路

4.2 NFC芯片及外围电路

NFC技术工作于13.56 MHz频率下，作用距离约7 cm[5]，其在ISO 18092、ECMA340和ETSI TS 102 190框架下推动标准化，同时也兼容应用广泛的ISO 14443 Type-A、B以及Felica标准非接触式智能卡的基础架构。NFC的短距离交互大大简化了认证识别过程，使电子设备间互相访问更直接、更安全[6]。

PN512是飞利浦推出的一款低功耗NFC前端芯片，满足AEC-Q100认证，适用于汽车电子产品[7]，其天线部分电路如图3所示。

图3 PN512天线电路

4.3 天线及匹配电路

4.3.1 天线印制电路板设计

NFC天线由印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）中的铜箔组成，其形态如图4所示。设计时，首先使天线的长、宽尺寸尽量大，圈数在允许的范围内尽可能多，其次应使天线内部的PCB覆铜区域尽可能小，以减少金属平面对天线阻抗特性的影响。最终设计的天线基本参数如表2所示。

图4 天线PCB

表2 天线PCB设计参数

4.3.2 天线原理图设计

天线匹配电路如图3所示，由电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）滤波电路、阻抗匹配电路和天线电路组成[8]。EMC滤波电路用来减少调制阶段的幅值上升时间，增加接收带宽。在13.56 MHz的操作频率下，EMC滤波电路和阻抗匹配电路共同把天线电路的阻抗变换为TX引脚所需的阻抗。

图3中，L7、L8选为推荐值0.3～3 μH范围内的1 μH。C29、C34的电容值为：

式中，C为C29或C34电容值；f为共振频率；L为L7或L8电感值。

式（1）中，取L=1 μH，共振频率要求在工作频率的上限值附近，以获得频宽的最大化，此处取f=14.4 MHz[9]，计算得C=120 pF。电路中C30和C37、C35和C36并联使用，使电容器件选型更加灵活。

通过参考NXP的官方设计案例，初步确定C30、C35的电容值为100 pF。R38、R39的阻值为1 Ω，C37、C36的电容值为47 μF[10]。

4.4 MCU及外围电路

根据本硬件系统的功能需求，MCU需要实现CAN数据解析、NFC芯片的读写控制以及LED灯组的显示控制，不需处理大数据，逻辑相对简单。因此选定8位MCU作为主控芯片。同时考虑到成本和汽车级应用，最终确定使用ST公司的STM8AF52。其具备24 MHz主频，高达128 KB Flash，内置2 KB的EEPROM和1个CAN控制器。工作温度为-40～125℃，符合AEC-Q100认证标准，非常适合车载电子应用[11]。

4.5 CAN接口

选择汽车电子行业广泛采用的恩智浦公司的高速CAN收发器TJA1042T/3，与MCU内部的CAN控制器共同构成CAN总线物理层结构。

如图5所示，CAN接口的保护电路主要由3部分组成：双向瞬态抑制二极管D4和D7用于消除瞬态干扰，电阻R19和R23用于总线的阻抗匹配，共模抑制器L2用于消除CAN通讯中的共模干扰。保护电路可有效滤除总线上的电磁辐射和高频干扰，保证CAN信号传输的可靠性。

图5 CAN接口电路

4.6 指示及蜂鸣器

指示器用于显示当前电动汽车的剩余电池电量以及租赁状态，全部采用高亮LED，以保证室外阳光下的可见性。电池电量指示器用十段电量显示专用数模管实现，租赁状态指示用三色LED实现。LED的驱动由三极管DTC143组成。蜂鸣器的作用是在NFC或者卡片数据交换成功时发出声音提醒。STM8AF52带有1个专用的蜂鸣器输出接口（BEEP口），可以方便地调制为1 kHz、2 kHz或者4 kHz的输出频率。电路设计如图6所示。

图6 指示及蜂鸣器电路

5 测试验证

5.1 人机交互测试

试验所用的电路板如图7所示，将电路模块安装到实际采用的外壳中进行各项测试。

图7 硬件实物

首先对LED亮度和蜂鸣器开展主观评测。试验在户外阳光照射下，由程序控制所有的LED逐个点亮，同时驱动蜂鸣器短响一声。要求测试员在150°的视场范围内，距离认证装置50 cm进行观察。结果3组测试人员均可轻松辨识出LED灯的颜色和数量。

5.2 读写距离调试及优化

实测过程中，使用ISO 14443 Type A类型的卡片进行仿真刷卡，将认证装置的CAN口通过Value CAN设备连接至电脑，对CAN报文的监测判断是否读到正确的卡片数据。测试目的是寻找到一组满足设计要求的天线匹配电路元件的参数值。如表3所示，在初步选定的参数附近，设计了5组参数值，进行识别距离和波形的判定。

表3 识别距离及波形和天线匹配电路参数的关系

为在稳定的射频场载波包络波形下获得尽可能大的识别距离，选定第4组参数。用示波器测试天线射频场，通过波形的震荡程度可以区分所设计的天线的品质因素是否合适。如图8所示，包络线从幅值接近0开始到幅值最大的上升时间小于1 μs，上升后无明显的波形震荡。并且，NFC识别距离达到7.5 cm，说明该组参数设计是合理的。

图8 NFC射频天线载波包络实测波形

5.3 功耗测试

用电流表对电路模块进行功耗测量，每隔10 min记录一次数据，共测量50次，取平均值。结果表明，掉电工况功耗1 μA，待机工况功耗52 mA，读写工况功耗85 mA。

5.4 CAN通信可靠性测试

用CAN总线测试工具Value CAN连接认证装置的CAN接口，在PC机上对其发送的周期报文进行连续50天的观察，未发现任何CAN总线错误。

6 结束语

采用8位STM8AF52 MCU配合NFC前端芯片PN512等元件构成的车载认证装置硬件方案能够实现NFC认证、CAN总线通信以及指示灯等功能。满足电动汽车共享租赁对认证装置的硬件需求。NFC天线的物理尺寸设计和匹配电路设计也能够实现正常的射频通信。射频电路板和主板隔离式的设计思路可行。同时，本文采用比较简易的方法确定了天线匹配电路元件的参数。可以借助阻抗分析仪对天线阻抗值进行精确测量，以进一步优化这些参数。

[1]李明.分时租赁：汽车租赁的发展方向[J].上海汽车,2015（3）：51-53+56.

[2]于伟,何晟,周彤.基于NFC技术的汽车门禁系统设计[J].信息技术,2016（6）：115-120.

[3]陈向阳.车载NFC标签近场通信应用[J].嘉应学院学报（自然科学）,2015,33（5）：24-31.

[4]王立峰,陈旭东,陶乐文,等.基于RF微功率芯片的智能汽车遥控系统[J].自动化技术与应用,2011,30（6）：46-50.

[5]包先雨,徐胜林,郭云,等.基于NFC的智能防伪电子铅封系统研究[J].现代电子技术,2014，37（11）：107-110.

[6]朱正伟,钱露,张南,等.一种利用NFC技术实现蓝牙快速连接的研究[J].自动化仪表,2016,37（4）：68-77.

[7]NXP Semiconductors.PN512 Full NFC Forum-Compliant Frontend[EB/OL].http://www.nxp.com,2016.

[8]Ecma International.Near Field Communication Interface and Protocol-2(NFCIP-2):ECMA-352[S],2003.

[9]NXP Semiconductors.AN1445 Antenna Design Guide for PN51x[EB/OL].http://www.nxp.com,2010.

[10]NXP Semiconductors.MifareContactlessSmartCard Reader Reference Design[EB/OL].http://www.nxp.com,2007.

[11]STMicroelectronics.STM8AF526x/8x/AxDatasheet[EB/OL].www.st.com,2015.