基于BCM20793的NFC模塊設(shè)計
摘要:采用博通BCM20793芯片設(shè)計了NFC模塊,進行硬件設(shè)計,并進行設(shè)備驅(qū)動分析。多方面對該模塊進行驗證,結(jié)果表明該模塊穩(wěn)定、可靠、識別率高,可集成到支付、票務(wù)、門禁、防偽等系統(tǒng)中。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/306157.htm引言
NFC(Near Field Communication,近場通信)是由Philips和Sony聯(lián)合推出的一種全新的近距離無線通信技術(shù)。NFC是由無線射頻識別(RFID)及移動終端技術(shù)綜合發(fā)展起來的,在單一芯片上結(jié)合感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點對點的功能,能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進行識別和數(shù)據(jù)交換。NFC工作頻率為 13.56 MHz,使用電磁感應(yīng)耦合進行數(shù)據(jù)傳輸,具有雙向連接和識別特點,兼容不同標(biāo)準的識別技術(shù),通信距離小于4 cm,支持多種通信速率。由于受限于傳輸速率以及通信距離,NFC不適合大數(shù)據(jù)的傳輸,而且通信雙方必須有某種程度的相互信任。
NFC技術(shù)的出現(xiàn)改變了人們使用某些電子設(shè)備的方式,甚至改變了信用卡、現(xiàn)金和鑰匙的使用方式,它可以應(yīng)用在手機等便攜型設(shè)備上,實現(xiàn)安全的移動支付和交易、簡便的端到端通信、在移動中輕松接入等功能。隨著智能手機的快速興起,NFC與智能手機的結(jié)合將很大程度上促進NFC的發(fā)展,蘋果公司推出的 iPhone6也具備NFC功能,相信在不久的將來NFC必定被廣泛應(yīng)用。
本文采用博通BCM20793 NFC芯片并結(jié)合S3C6410主控制器,設(shè)計了具有主動模式和被動模式的NFC閱讀器,主要針對硬件和驅(qū)動進行了設(shè)計。
1 NFC技術(shù)原理
NFC有三種工作狀態(tài):Reader/Writer與NFC Tag/NFC Reader相關(guān);Peer—to—Peer支持兩個。NFC設(shè)備交互;Card Emulation能把攜帶NFC功能的設(shè)備模擬成SmartCard。這三種工作狀態(tài)又可歸結(jié)為被動模式和主動模式,在Reader/Writer和Card Emulation狀態(tài)下處于被動模式,在Peer—to—Peer狀態(tài)下處于主動模式。
在被動模式下,主設(shè)備負責(zé)啟動通信,同時通過RF線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng),為從設(shè)備提供電能。在這種模式下傳輸速率可以選擇106 kbps、212 kbps或424 kbps,使用負載調(diào)制(load modulation)方式,將數(shù)據(jù)發(fā)送給從設(shè)備,從設(shè)備可以不含電源組件,采用相同的速率以負載調(diào)制方式將數(shù)據(jù)返回給主設(shè)備,整個通信過程如圖1所示。
此通信機制與基于ISO14443A、MIFARE和FeliCa的非接觸式智能卡兼容,其主要區(qū)別在于RF層信號調(diào)制解調(diào)的方法、傳輸速率及編碼方式。因此,NFC發(fā)起設(shè)備在被動模式下,可以用相同的連接和初始化過程檢測非接觸式智能卡或NFC目標(biāo)設(shè)備,并與之建立聯(lián)系。
主動模式下,設(shè)備之間進行通信時,發(fā)起設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備都必須產(chǎn)生自己的射頻場來進行通信。此種模式下NFC采用雙向識別和鏈接,通信各方不存在固定的主從關(guān)系,通信可以由任意一個NFC設(shè)備發(fā)起。這是對等網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準模式,可以獲得非??焖俚捻憫?yīng)。其通信流程如圖2所示。
此外,快捷輕型的NFC協(xié)議還可以引導(dǎo)兩臺設(shè)備之間的藍牙配對過程。與其他無線通信技術(shù)相比,NFC是一種近距離私密通信方式,提供各種設(shè)備間輕松、安全、快速而自動的通信。對RFID來說,其具有距離近、帶寬高、功耗低等特點;比紅外更快、更穩(wěn)定而且簡單;與藍牙相比,NFC通信距離近,適合交換重要數(shù)據(jù)。
2 硬件設(shè)計
NFC模塊主要由NFC(控制器,可與Device Host或Secure Element安全單元交互)、Antenna(天線)和Contactless Front-End(非接觸前段,負責(zé)射頻信號的調(diào)制解調(diào)工作)三部分組成。本設(shè)計采用BCM20793芯片,該芯片支持212或424 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率,是專為低功耗、低價格的設(shè)備設(shè)計的。該模塊提供PCI、I2C總線、UART串行接口,安全單元可以連接SD卡、SIM卡、SAM卡或是其他芯片,兼容多種通信標(biāo)準。該芯片還支持低功耗模式、正常工作模式、輪詢模式等多種工作模式。
主控制器采用S3C6410芯片,該芯片高性能、低功耗、高性價比,可以運行Android系統(tǒng)。BCM20793與S3C6410采用I2C總線的連接方式。TX1和TX2引腳接RC匹配電路,RC匹配電路的P_JS_IT_18和天線相連接。NFC芯片由1.8 V電壓供電,其與主控制器有6根引腳相連,分別是NFC_I2C_SD數(shù)據(jù)線、NFC_I2C_SCL時鐘線、NFC_I2C_REQ中斷、 NFC_REQ_PU使能、HOST_WAKE喚醒,NFC_CLK_REQ時鐘使能,I2C物理通信地址是0x77,時鐘信號由19.2 MHz外接晶振提供、NFC電路原理圖如圖3所示。
3 NFC驅(qū)動分析
3. 1 設(shè)備樹分析
本設(shè)計內(nèi)核采用了Linux 3.4版本,與以往內(nèi)核版本不同的是,內(nèi)核3.4版本采用設(shè)備樹來對驅(qū)動設(shè)備進行統(tǒng)一管理,以方便設(shè)備的管理。NFC采用I2C總線的連接方式與CPU相連接,驅(qū)動只負責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送接收,上層負責(zé)數(shù)據(jù)的解析工作。
下面是BCM2079x的設(shè)備樹節(jié)點配置信息,包括:I2C總線的通信地址為0x77,中斷為34號,GPIO34為中斷引腳,GPIO65為使能引腳,GPIO20為喚醒引腳。其中最為關(guān)鍵的是compatible=“broadcom,bcm2079x_i2c”鍵值對,在加載驅(qū)動程序時,首先會匹配該字段,如果相等則調(diào)用probe函數(shù)進行相關(guān)的初始化工作。
以下為I2C總線配置信息,GPIO31作為I2C總線的時鐘信號線,GPIO32作為I2C總線的數(shù)據(jù)信號線,I2C總線的時鐘頻率為19.2MHz。
驅(qū)動程序中的bcm2079x_matcn_table結(jié)構(gòu)體負責(zé)和設(shè)備樹進行匹配,在系統(tǒng)初始化階段,就會匹配設(shè)備樹里的.compatible屬性是否在驅(qū)動中有相同的名字,本驅(qū)動中是broadcom,bcm2079x_i2c,若匹配成功就會調(diào)用驅(qū)動程序的probe函數(shù)進行初始化工作。
在驅(qū)動程序中,bcm2079x_parse_dt負責(zé)解析設(shè)備樹的代碼,以下為設(shè)備樹解析關(guān)鍵代碼,分別獲取中斷、使能、喚醒引腳。
3.2 驅(qū)動初始化分析
內(nèi)核加載驅(qū)動模塊的時候,系統(tǒng)會調(diào)用bcm2079x_dev_init()函數(shù),該函數(shù)內(nèi)部嵌套了i2c_add_driver(),用來完成 bcm2079x_driver結(jié)構(gòu)體的注冊,系統(tǒng)就會自動探測驅(qū)動設(shè)備,通過比較設(shè)備樹中是否有 compatible=“broadcom,bcm2079x_i2c”鍵值對來判斷設(shè)備是否存在。如果存在,則會注冊I2C設(shè)備相關(guān)信息,創(chuàng)建i2c- client,執(zhí)行probe函數(shù),在probe函數(shù)里去解析設(shè)備樹里面配置的引腳,初始化中斷、分配內(nèi)存空間以及初始化互斥鎖、等待隊列等,并向系統(tǒng)將驅(qū)動注冊為misc驅(qū)動,然后向系統(tǒng)注冊中斷。流程圖如圖4所示。
3.3 驅(qū)動運行機制
當(dāng)用戶空間調(diào)用open打開/dev/bcm2079x設(shè)備節(jié)點時,通過ioctl機制調(diào)用驅(qū)動程序的ioctl,實現(xiàn)設(shè)備的使能與喚醒;然后調(diào)用Poll函數(shù)實現(xiàn)周期性的檢測,以降低設(shè)備的功耗,當(dāng)有設(shè)備或卡片接近NFC設(shè)備時,NFC就會產(chǎn)生中斷,從而喚醒設(shè)備,用戶空間就可以通過調(diào)用read函數(shù)實現(xiàn)I2C數(shù)據(jù)的讀取。運行機制如圖5所示。
4 測試結(jié)果
NFC設(shè)備平時處于休眠狀態(tài),設(shè)備也會發(fā)出探測脈沖,此時處于低功耗狀態(tài),當(dāng)有卡片或NFC設(shè)備接近NFC設(shè)備時,就會產(chǎn)生中斷喚醒設(shè)備,NFC設(shè)備就會連續(xù)地發(fā)出探測脈沖,此時NFC工作在正常工作模式。
圖6是用頻譜分析儀觀測到的探測脈沖信號,載波頻率為13.559 375 000 MHz,占用帶寬OBW為2.259615 385 kHz,滿足CE和FCC認證中針對NFC頻段的射頻測試要求的13 553~13 567 MHz的調(diào)制帶寬限值。
當(dāng)將Tag1小卡貼近NFC天線時,可以讀出卡內(nèi)的二進制信息,圖7為卡內(nèi)信息。
用設(shè)備分別測試Tag1、Tag2、Tag3、Tag4,其可識別距離最遠為49 mm、45 mm、29 mm、21 mm,識別成功率在96%以上,測量結(jié)果如表1所列。
以上測試表明,NFC模塊可以識別多種類型的卡片,可識別距離最大為49 mm,滿足NFC設(shè)計要求。該模塊穩(wěn)定、可靠、識別率高,可集成到移動支付、票務(wù)、門禁、防偽等不同系統(tǒng)中。
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