需要NFC/RFID嗎？未來(lái)不再遙遠(yuǎn)(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(xiàn)新型非接觸式NFC/RFID功能。利用電路，將NFC/RFID短距離無(wú)線技術(shù)增加到嵌入式電子平臺(tái)。

(接上期)

6 高速數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)需外部微控制器

　　MAX66242無(wú)源標(biāo)簽是I2C至NFC/RFID協(xié)議轉(zhuǎn)換器網(wǎng)關(guān)。標(biāo)簽的I2C端口可作為主機(jī)端口或從機(jī)端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在圖3所示應(yīng)用中，NFC/RFID讀卡器可訪問(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)即可訪問(wèn)數(shù)據(jù)。

　　如上所述，IC集成的32字節(jié)SRAM緩存器有助于加快I2C至HF數(shù)據(jù)傳輸。與必須通過(guò)其EEPROM單元傳輸數(shù)據(jù)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的訪問(wèn)時(shí)間比EEPROM快，這是相對(duì)于其它方案的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，加速系統(tǒng)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(xiàn)多功能用途，包括在特定應(yīng)用中中斷便攜設(shè)備的微控制器。該P(yáng)IO引腳可配置作為RF Busy或RF-Access-In-Progress報(bào)警信號(hào)。報(bào)警信號(hào)的一項(xiàng)極好用途是在出現(xiàn)13.56MHz HF電磁場(chǎng)時(shí)喚醒正在休眠的嵌入式系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之，該多功能PIO引腳提供更好的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的途徑。

7 能量收集，提高靈活性和擴(kuò)展性

　　能量收集非常有用，使MAX66242成為高度靈活、可擴(kuò)展的方案，適用于寬范圍NFC/RFID應(yīng)用。

　　IC作為通用無(wú)源標(biāo)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(jù)支持的功能略有變化。標(biāo)簽從讀卡器的13.56MHz HF電磁場(chǎng)收集能量。針對(duì)高效、優(yōu)化鏈路正確構(gòu)造和調(diào)諧天線時(shí)，無(wú)源標(biāo)簽獲得的能量遠(yuǎn)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(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。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(qiáng)時(shí)，可配置電源輸出提供高達(dá)5mA電流。

8 優(yōu)化天線設(shè)計(jì)，最大程度提高功率和效率

　　只有實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的RF電路設(shè)計(jì)，最大程度傳輸RF能量時(shí)，無(wú)源標(biāo)簽的能量提取方法才更有效。讀卡器與標(biāo)簽天線線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/或天線調(diào)諧方式。天線線圈之間能量的有效吸收或傳遞是靠電諧振實(shí)現(xiàn)的。此時(shí)，使MAX66242標(biāo)簽的天線線圈及其調(diào)諧電容在13.56 MHz工作頻率下產(chǎn)生諧振是關(guān)鍵。

　　天線設(shè)計(jì)原理相對(duì)簡(jiǎn)單、明確。必須在PCB(或內(nèi)層基片)上構(gòu)建標(biāo)簽的天線電感(LINDUCTOR)，使其與片上調(diào)諧電容(CTUNING)相匹配，實(shí)現(xiàn)13.56MHz的IC諧振。所以，所有電容和電感電抗之和必須為零。當(dāng)LCw² = LC (2πf)² = 1 (with f = f_RES)時(shí)，滿足該條件。這在理論上表示流入MAX66242標(biāo)簽的能量流(IRF流)達(dá)到最大，或者說(shuō)阻抗達(dá)到最小。由此得到式1中的諧振頻率f_RES和L_INDUCTOR。

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

　　滿足上式，意味著調(diào)諧電路發(fā)生諧振。式1也可以作為已知C_TUNING值時(shí)計(jì)算實(shí)際L_INDUCTOR的例子。計(jì)算得到L值后，設(shè)計(jì)者將構(gòu)建外部天線，得到L值。實(shí)現(xiàn)以上條件后，說(shuō)明天線設(shè)計(jì)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(yīng)用中，設(shè)計(jì)工程師總是通過(guò)設(shè)計(jì)NFC/RFID天線線圈，使真實(shí)系統(tǒng)的功率最大化。由于將標(biāo)簽安裝在HF場(chǎng)中，往往存在標(biāo)簽“加載效應(yīng)”。為考慮該加載效應(yīng)，天線線圈設(shè)計(jì)師可能不得不將其設(shè)計(jì)在超調(diào)或欠調(diào)，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(gòu)建天線，超出了本文的討論范圍。

9 在便攜設(shè)備中嵌入NFC/RFID

　　客觀地說(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(xiàn)出越來(lái)越多支持傳感器的嵌入式系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上的各種系統(tǒng)收集用戶的生物及其它數(shù)據(jù);將會(huì)有非常多支持NFC/RFID的醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用涌現(xiàn)出來(lái)，我們對(duì)其規(guī)模尚不得而知。

　　在討論特定應(yīng)用之前，首先了解一下嵌入式設(shè)計(jì)中支持NFC/RFID的基本電路結(jié)構(gòu)(圖4)。注意，系統(tǒng)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(hào)(RF-AIP和RF-BUSY功能的多路復(fù)用線)是連接主機(jī)微控制器所必須的，RFID_VCC_ANABLE和SYS_ALERT_INT#信號(hào)可選。MOSFET Q1用于隔離。由于可通過(guò)RF和I2C接口訪問(wèn)標(biāo)簽內(nèi)部的EEPROM，當(dāng)主機(jī)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(biāo)簽供電。然而，可選的Q2利用電路板上的穩(wěn)壓VCC切換開(kāi)漏(open-drain)SYS_ALERT_INT#(這種情況下不安裝R4)。

　　在設(shè)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(tǒng)進(jìn)行通信。一旦電路板進(jìn)入HF場(chǎng)，VOUT升高并導(dǎo)通Q2。開(kāi)漏信號(hào)SYS_ALERT_INT#變?yōu)榈碗娖?，中斷或喚醒主機(jī)微控制器，由此表示系統(tǒng)處于HF場(chǎng)中。然后主機(jī)微控制器將RFID_VCC_ANABLE驅(qū)動(dòng)為邏輯高狀態(tài)，將MOSFET Q1導(dǎo)通。此時(shí)，主機(jī)微控制器即可與產(chǎn)生HF場(chǎng)的NFC/RFID讀卡器交換數(shù)據(jù)。同樣，MAX66242的VCC引腳不需要連接電源，因?yàn)镮C的內(nèi)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(jī)微控制器能夠在沒(méi)有HF場(chǎng)的情況下訪問(wèn)IC。就像有線至無(wú)線轉(zhuǎn)換器一樣，I²C信號(hào)將數(shù)據(jù)傳輸至外部。數(shù)據(jù)流由RF-AIP (RF-Access-In-Progress)引腳控制，也與RF-BUSY引腳多路復(fù)用。