基于NFC功能的移動通信終端硬件電路設(shè)計研究

曹榮祥

（中科南京軟件技術(shù)研究院 江蘇省南京市 211135）

在信息時代背景下，電子商務(wù)發(fā)展迅速，電子支付也已被大多數(shù)人認(rèn)可與接受，使人們的生活方式發(fā)生巨大改變。為使移動支付給人們的生活帶來更多便利，需要通過移動通信終端在移動支付和傳統(tǒng)支付之間建立橋梁，并在相應(yīng)平臺支持下更高效的進行移動支付管理。NFC 屬于一種新型無線通訊技術(shù)，在移動通信終端設(shè)計中應(yīng)用該技術(shù)，能使支付系統(tǒng)突破傳統(tǒng)線路制約，構(gòu)建新的消費模式。而為在移動通信終端系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)NFC 功能，有必要基于NFC 展開移動通信終端硬件電路設(shè)計。

1 NFC工作原理

NFC 其工作原理主要包含被動通信模式和主動通信模式兩種。其中被動模式下的NFC 通信，其發(fā)起方會涉及到一個射頻場，由此對目標(biāo)設(shè)備給予激勵，而目標(biāo)設(shè)備在一定的感應(yīng)場強范圍之內(nèi)可以正常工作，如圖1[1]。主動通信模式下的目標(biāo)設(shè)備會和通信發(fā)起設(shè)備交替不斷產(chǎn)生射頻場，特定通信位置下射頻場保持一定范圍，發(fā)起設(shè)備發(fā)起命令之后，目標(biāo)設(shè)備由自產(chǎn)射頻場作出回應(yīng)，如圖2。

圖1：NFC 被動通信模式

圖2：NFC 主動通信模式

2 具有NFC功能的移動通信終端硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 架構(gòu)及方案

本文基于 NFC 功能對移動通信終端硬件系統(tǒng)展開設(shè)計，主要考慮將NFC 功能模塊增設(shè)于硬件架構(gòu)上，使NFC 功能芯片與外圍電路為一整體，這一設(shè)計實現(xiàn)了NFC 功能模塊與通信終端兩者同步設(shè)計。所設(shè)計NFC 功能模塊包含控制接口、通信接口，利用UART 口和基帶芯片保持?jǐn)?shù)據(jù)通信，同步利用GPIO 口啟動與控制NFC 功能模塊，利用終端PMU 和電池向數(shù)字內(nèi)核部分以及NFC內(nèi)部調(diào)壓器供電。經(jīng)SWP 接口使NFC 芯片UIM 卡彼此相連。對

于NFC 模塊通信來說，UIM 卡可當(dāng)做安全設(shè)備，并于UIM 卡當(dāng)中存儲用戶安全信息，NFC 芯片經(jīng)SWP 接口對安全信息進行讀取[2]。所設(shè)計NFC 手機硬件架構(gòu)當(dāng)中主要包含UIM 卡、NFC 模塊、手機終端硬件平臺（包含電源管理芯片、RF 控制芯片、基帶控制芯片），具體連接方式如圖3。

圖3：NFC 移動終端硬件架構(gòu)

其中，NFC 芯片、基帶芯片兩者通信主要基于通用異步收發(fā)協(xié)議而實現(xiàn)，手機電池為NFC 供電，手機電源管理芯片也可同步向NFC 供電（1.8V）。UIM 卡VCC 管腳和NFC 芯片彼此相連，基于此為UIM 卡輸送電源。UIM 卡、SWP 管腳和NFC 芯片相連，同步和非接觸射頻天線相連，保持13.56MHz 的工作頻率。若電池?zé)o電，NFC 芯片可在非接觸電線對外部磁場加以感應(yīng)過程中向UIM 卡提供電源。

NFC 手機工作模式有兩種：

（1）手機電池有電，手機可充當(dāng)讀卡器，并在卡模式下工作；

（2）手機電池?zé)o電，手機經(jīng)射頻場得到能量，并于卡模擬模式下工作。

2.2 芯片選型

設(shè)計中基帶芯片選擇VIA 單芯片CDMA 機帶處理器CBP7.1，儲存器電路選擇存儲芯片M36L0R8060T9ZAQ，電源管理芯片主要選擇G5812，音頻電路芯片主要選擇TPA2010D1，射頻控制芯片主要選擇FC7710，PA 模塊芯片主要選用WS1103，NFC 模塊芯片主要選擇PN65N[3]。

2.3 對接電路設(shè)計

在對接電路設(shè)計環(huán)節(jié)，首先要對NFC 模塊以及終端平臺兩者連接接口展開設(shè)計。一般情況下，要拓展終端外圍設(shè)備，關(guān)鍵是由基帶控制器對終端實現(xiàn)合理控制，通?？衫肬ART 口、GPIO 口或I2C 接口使外圍設(shè)備和基帶芯片實現(xiàn)通信[4]。經(jīng)對比，本設(shè)計為使基帶芯片和NFC 模塊有效通信，主要選擇UART 口，設(shè)計中只需利用兩根傳輸線就可實現(xiàn)收發(fā)。這一接口可相對便捷、靈活的進行設(shè)計，并可直接利用系統(tǒng)軟件定義傳輸速率。設(shè)計中使NFC 為一個單獨的功能模塊，利用 UART 接口實現(xiàn)和該模塊通信，并設(shè)計特定控制接口連接到NFC 模塊上，以更便捷的對NFC 模塊進行控制，同時也不會影響其他手機系統(tǒng)功能。

設(shè)計中還利用SWP 接口使UIM 卡和NFC 模塊彼此相連，在SWP 接口利用下，使NFC 芯片可對UIM 卡內(nèi)安全信息進行讀取。在沒有手機供電情況下，NFC 利用射頻場得到能量，并經(jīng)VCC 實現(xiàn)UIM 卡工作，這其中供地接口為GND。

2.4 控制模塊電路設(shè)計

設(shè)計中主要由基帶芯片（CBP7.1）完全控制NFC 模塊，NFC模塊和CBP7.1 之間經(jīng)UART 口進行數(shù)據(jù)通信，同時經(jīng)CPIO 口對NFC 實現(xiàn)復(fù)位重置。電源設(shè)計中，NFC 內(nèi)調(diào)壓器主要通過電池電壓VB 實現(xiàn)供電。NFC 數(shù)字核心部位主要由電源管理芯片實現(xiàn)供電，若沒有手機供電，NFC 可經(jīng)射頻場得到能量，此時NFC 模塊在卡模擬模式下工作。

2.5 射頻前端電路設(shè)計

在發(fā)射電路設(shè)計中，主要設(shè)計為差分輸出，差分信號主要是TX1、TX2。在PN65N 當(dāng)中，各輸出引腳保持25Ω 的阻抗，同時差分電路均勻?qū)ΨQ。具體的說，差分信號為兩個位置相反但振幅一致的信號，差分信號各端所受到的外部電磁干擾是相同的。相比于單端信號，差分信號兩端保持固定的差異，這使抗電磁波干擾能力明顯增強[5]。發(fā)射電路組成部分有天線、天線匹配電路、EMC 濾波電路、TX 保護電路以及RF 前端電路。TX 保護電路以及RF 前端電路兩者在PN65N 芯片內(nèi)部集成，天線主要選擇外接線圈天線。

在TX1、TX2 兩管腳間設(shè)置TX 過壓保護電路，該電路主要由在PN65N 芯片內(nèi)部集成的兩個互補穩(wěn)壓二極管所構(gòu)成。由于Vprotection為3.6V，所以TX1、TX2 兩管腳間電壓最大值為3.6V。

EMC 電路有兩大功能：

（1）此模塊工作頻率主要源自晶體震蕩器，所以會有高次諧波產(chǎn)生，根據(jù)有關(guān)要求，相關(guān)電路需要有效抑制超過13.56MHz 二次的諧波，為達到這一要求，此次設(shè)計中將LC 低通濾波電路添加在電路當(dāng)中。針對13.56MHz 頻率，由EMC 當(dāng)中的C0、L0共同形成低通濾波器，對二次以上諧波實現(xiàn)有效濾除。因為所承受RF 電流以及電壓相對較高，所以要求C0能夠耐壓50V，L0所需承受電流為100 mA；

（2）可對變換電路發(fā)揮阻抗作用，本文的設(shè)計可使幅度上升時間明顯減少，而接收帶寬明顯增加。設(shè)計中，天線匹配電路主要功能是在源阻抗50Ω 阻抗內(nèi)匹配天線輸入阻抗，以達到傳輸效率最優(yōu)目的。

通過實時熒光定量PCR法分析26例TSCC患者癌與癌旁正常組織中的PRKCI表達水平，我們發(fā)現(xiàn)，TSCC組織中PRKCI的表達水平顯著增加(P<0.01)(圖3A)。利用Spearman相關(guān)系數(shù)分析來觀察TSCC細胞中PRKCI和miR-219的關(guān)系。隨著miR-219表達升高，PRKCI的表達相應(yīng)下調(diào)，PRKCI的表達量與miR-219的表達量呈負相關(guān)(r=-0.984，P<0.01)(圖3B)。

針對接收電路，內(nèi)部有關(guān)器件所產(chǎn)Vmid電勢是RX 管腳具體輸入電勢，Vmid管腳和電容C3相連，可以有效濾除直流，削弱干擾。此次設(shè)計中Vmid=15pF。由R1、R2共同組成分壓電路，結(jié)合輸入電壓情況合理調(diào)整分壓電路值，保證接收電路供電正常。Vmid去偶電容即為C4，設(shè)計中C4=100 nF。PN65N 其收發(fā)模式聯(lián)合使用同一根天線，設(shè)備在13.56MHz 電磁場內(nèi)部， PN65N 芯片能夠部分或完全經(jīng)電磁場得到能量。若芯片斷開功能，2-pin PbtF 模式可經(jīng)天線感應(yīng)電磁場能量實現(xiàn)供電，并發(fā)揮卡模擬功能。

2.6 天線電路設(shè)計

在收發(fā)系統(tǒng)當(dāng)中，天線屬于關(guān)鍵組成部分，會對系統(tǒng)整體性能產(chǎn)生影響，而NFC 系統(tǒng)屬于電感耦合系統(tǒng)，相應(yīng)天線主要是繞線線圈，工作頻率保持在13.56MHz。一般情況下，NFC 模塊以及天線兩者的連接方式有兩種：

（1）是在天線和模塊兩者相距較短情況下直接匹配天線；

（2）是在兩者距離較長情況下選擇50Ω 匹配天線。

綜合考慮，本次設(shè)計選擇直接匹配天線，并通過繞線線圈形式實現(xiàn)，涉及到的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)有品質(zhì)因素Q、天線電阻值（Rα）、天線線圈電感值（Lα）、讀寫距離。

一般情況下，天線線圈和電容Cα兩者可共同形成串聯(lián)諧振電路或并聯(lián)諧振電路，其中并聯(lián)諧振電路可于諧振頻率保持最大阻抗、最小電流、最大電壓，此方式適合應(yīng)用在功率較高的閱讀器天線電路當(dāng)中，而串聯(lián)諧振電路其于諧振頻率部位保持最小阻抗、最大電流，適合應(yīng)用在距離較小的讀寫器當(dāng)中。綜合考慮，本文設(shè)計為串聯(lián)諧振電路。

公式（1）中，r 是電容和線圈兩者直流電阻，XC代表電容電抗、XL代表線圈電抗。

線圈天線屬于LC 協(xié)調(diào)電路，保持特定頻率，在容抗XC=感抗XL情況下，天線保持諧振，并且此時有最小阻抗。在該諧振電路應(yīng)用下，NFC 模塊能夠發(fā)射出大部分能量，實現(xiàn)和其他設(shè)備之間的順利通信。在天線性能以及協(xié)調(diào)中，品質(zhì)因數(shù)Q 屬于關(guān)鍵參數(shù)，品質(zhì)因素Q 和天線增益保持正比關(guān)系，但和天線帶寬保持反比關(guān)系。由于天線結(jié)構(gòu)可經(jīng)磁場功能，所以Q 值選擇既不可太大，也不可太小，以免使天線帶寬過窄或讀寫距離變短。正常情況下，品質(zhì)因素可在30~40 區(qū)間內(nèi)選擇，若表現(xiàn)過高，可對外部抑制電阻Rq進行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以獲得理想的Q 值。

3 結(jié)束語

基于NFC 功能進行移動通信終端設(shè)計，可促進小眾市場開發(fā)，在NFC 技術(shù)普及的同時防止技術(shù)同質(zhì)化。為此，本文設(shè)計一種移動通信終端，并在硬件系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)NFC 功能，該終端能夠保持三種NFC 模式。文章結(jié)合設(shè)計架構(gòu)以及方案，合理選擇芯片類型，并結(jié)合設(shè)計目標(biāo)以及技術(shù)功能展開對接電路設(shè)計、控制模塊電路設(shè)計、射頻前端電路設(shè)計、天線電路設(shè)計，為相關(guān)設(shè)計及功能實現(xiàn)提供參考。