利用NFC技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)？

nfc簡(jiǎn)介：nfc即近距離無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)。這個(gè)技術(shù)由非接觸式射頻識(shí)別(RFID)演變而來(lái)，由飛利浦半導(dǎo)體(現(xiàn)恩智浦半導(dǎo)體公司)、諾基亞和索尼共同研制開(kāi)發(fā)，其基礎(chǔ)是RFID及互連技術(shù)。近場(chǎng)通信(NearFieldCommunicaTIon，NFC)是一種短距高頻的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，在13.56MHz頻率運(yùn)行于10厘米距離內(nèi)。其傳輸速度有106Kbit/秒、212Kbit/秒或者424Kbit/秒三種。目前近場(chǎng)通信已通過(guò)成為ISO/IECIS18092國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、ECMA-340標(biāo)準(zhǔn)與ETSITS102190標(biāo)準(zhǔn)。NFC采用主動(dòng)和被動(dòng)兩種讀取模式。

NFC近場(chǎng)通信技術(shù)是由非接觸式射頻識(shí)別(RFID)及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來(lái)，在單一芯片上結(jié)合感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的功能，能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。工作頻率為13.56MHz，但是使用這種手機(jī)支付方案的用戶(hù)必須更換特制的手機(jī)。目前這項(xiàng)技術(shù)在日韓被廣泛應(yīng)用，他們的手機(jī)可以用作機(jī)場(chǎng)登機(jī)驗(yàn)證、大廈的門(mén)禁鑰匙、交通一卡通、信用卡、支付卡等。

在很多場(chǎng)合有線(xiàn)通信技術(shù)并不能滿(mǎn)足實(shí)際需要， 比如在野外惡劣環(huán)境中作業(yè)。使用無(wú)線(xiàn)射頻通信芯片構(gòu)建的通信模塊， 用單片機(jī)作為控制部件， 配合一定的外圍電路就能很好地進(jìn)行兩地空間區(qū)域信號(hào)對(duì)接， 實(shí)現(xiàn)自由數(shù)據(jù)通信， 解決了無(wú)線(xiàn)通信的技術(shù)難題。并且其具有硬件構(gòu)造簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、通信速率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)， 能在電子通信業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

本文的控制部件選用AT 89C51 型單片機(jī)。由于這種芯片只有SPI 通信接口， 而目前常用的單片機(jī)都沒(méi)有這種接口， 因此需要對(duì)該芯片的通信時(shí)序進(jìn)行模擬，所以在控制器里編程時(shí)要嚴(yán)格按照芯片工作時(shí)序進(jìn)行。

NRF24L01 芯片構(gòu)成的通信模塊電路設(shè)計(jì)

NRF24L01 芯片通信模塊電路核心器件NRF24L01 配合網(wǎng)絡(luò)晶振、解耦電容、偏極電阻一起工作構(gòu)造穩(wěn)定射頻通信模塊。該芯片是貼片結(jié)構(gòu)， 模塊占用空間少， 如圖2 所示。

圖2由NRF24L01 芯片構(gòu)成的通信模塊電路圖。

電源電路設(shè)計(jì)

電源電路如圖3 所示， B1 是9 V 蓄電池或者鋰電池， 能夠反復(fù)充電。C1 ， C2 ， C3 ， C4 都是濾波電容， 起到一次與二次濾波作用。D1 ， D2 是穩(wěn)壓二極管， 使輸出端的電壓穩(wěn)定在理想的水平電壓。芯片7805 是三端穩(wěn)壓集成電路芯片， 具有正電壓輸出。其電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管等保護(hù)電路， 最終目的把9 V 電源轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定5 V 輸出， 為后續(xù)設(shè)備供電。

系統(tǒng)通信電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通信電路如圖4 所示。本電路中應(yīng)用單片機(jī)AT89C51作為控制芯片， 對(duì)NRF24L01 主通信模塊的接口時(shí)序模擬和對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收進(jìn)行處理。

圖3電源電路圖。

圖4系統(tǒng)通信電路圖。

與PC 機(jī)通訊電路設(shè)計(jì)

如果單片機(jī)通信電路與單片機(jī)通信電路通信， 則兩個(gè)硬件電路和圖4 相同， 只是在軟件設(shè)計(jì)時(shí)需在每個(gè)通信端設(shè)定不同的通信地址， 以辨認(rèn)每個(gè)通信端口。若是單片機(jī)通信電路與PC 機(jī)或者具有COM 口的設(shè)備電路通信， 則需要一個(gè)轉(zhuǎn)接電路， 其硬件電路如圖5 所示。

圖5 SPI 接口與MAX232 通信硬件電路圖。

在圖5 所示的電路中， 單片機(jī)左側(cè)是一塊MAX232芯片， 其作用是將PC 機(jī)中的232 電平與單片機(jī)的T TL 電平匹配。最左側(cè)是9 芯母接頭， 在使用時(shí)可接在計(jì)算機(jī)COM 口上與計(jì)算機(jī)通信。單片機(jī)右側(cè)接一塊射頻通信模塊。由于此塊單片機(jī)同樣沒(méi)有SPI 接口， 所以需要用普通接口軟件模擬SPI 接口， 其編程要嚴(yán)格按SPI 端口的通信邏輯時(shí)序。

NFC(Near Field Communication)，即“近場(chǎng)通信”，也叫“近距離無(wú)線(xiàn)通信”，是一種短距離的高頻無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，是由非接觸式射頻識(shí)別(RFID)及互連互通技術(shù)整合演變而來(lái)的。使用了NFC技術(shù)的設(shè)備可以在彼此靠近的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，利用移動(dòng)終端(例如手機(jī))實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付、電子票務(wù)、門(mén)禁、移動(dòng)身份識(shí)別、防偽等應(yīng)用。

2NFC的數(shù)據(jù)交換

NFC的設(shè)備可以在主動(dòng)或被動(dòng)模式下交換數(shù)據(jù)。發(fā)起NFC通信的一方稱(chēng)為發(fā)起方，通信的接收方稱(chēng)為目標(biāo)方。主動(dòng)通信是指通信的發(fā)起方和目標(biāo)方在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，都需要產(chǎn)生自己的射頻場(chǎng)。當(dāng)發(fā)起方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它將產(chǎn)生自己的射頻場(chǎng)，而目標(biāo)方關(guān)閉射頻場(chǎng)，并以偵聽(tīng)模式接收發(fā)起方的數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)起方發(fā)送完數(shù)據(jù)后，將關(guān)閉自己的射頻場(chǎng)并處于偵聽(tīng)模式，等待目標(biāo)方發(fā)送數(shù)據(jù);目標(biāo)方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要產(chǎn)生自己的射頻場(chǎng)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。

而在被動(dòng)模式下，發(fā)起方在整個(gè)通信過(guò)程中提供射頻場(chǎng)。它可以選擇106kbps、212kbps或424kbps其中一種傳輸速度，將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)方。目標(biāo)方不必產(chǎn)生射頻場(chǎng)，而使用負(fù)載調(diào)制(load modulation)技術(shù)，即可以相同的速度將數(shù)據(jù)傳回發(fā)起方。

02 /NFC天線(xiàn)的ESD防護(hù)要求

NFC技術(shù)主要應(yīng)用于輕薄小巧的攜帶式產(chǎn)品上，如手機(jī)、平板、手環(huán)等。其天線(xiàn)通常置于電池中，通過(guò)很小的觸點(diǎn)連接到NFC芯片。NFC設(shè)備接口的ESD靜電放電防護(hù)十分重要，因?yàn)镋SD靜電放電會(huì)對(duì)NFC設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞設(shè)備。如電荷會(huì)在設(shè)備的金屬部件上積累，并在接口周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng)，容易引起靜電放電。采用TVS/ESD二極管可以用來(lái)保護(hù)NFC設(shè)備接口免受靜電放電的威脅。

1.應(yīng)用NFC技術(shù)的電子產(chǎn)品多為輕巧，易攜帶，所以ESD器件應(yīng)該盡可能小，大多采用DFN0603-2L封裝(即英制0201封裝)甚至是CSP0402-2L(即英制01005封裝)封裝，節(jié)省PCB空間。

2.考慮高頻天線(xiàn)上的信號(hào)完整性，寄生電容值應(yīng)盡可能小，一般小于0.5 pF，并且電容的線(xiàn)性度需保持良好。

3.NFC天線(xiàn)發(fā)射功率通常較大，這要求ESD防護(hù)器件的VRWM值要相對(duì)較高，通常電壓為18V/24V，且為雙向器件。

4.ESD器件的抗靜電能力要滿(mǎn)足IEC61000-4-2的8KV接觸測(cè)試要求。

5.防護(hù)器件要有足夠低的鉗位電壓，為后級(jí)電路提供有效保護(hù)。

03/晶揚(yáng)電子選型推薦TT1821SA-Fx/TT1821SA-Ft

為滿(mǎn)足這些需求，晶揚(yáng)電子特推出兩款型號(hào)TT1821SA-Fx/TT1821SA-Ft作為NFC的ESD防護(hù)器件，產(chǎn)品具備Snap-back結(jié)構(gòu)、低至0.16 pF(TT1821SA-Fx)和0.19pF(TT1821SA-Ft)的超低電容，6V@ 6A的鉗位電壓，IEC 61000-4-2 ±10kV(接觸)、±10kV(空氣)標(biāo)準(zhǔn)。