需要NFC/RFID嗎？未來不再遙遠(yuǎn)(下)

摘要：本文給出了NFC技術(shù)給出常見的電路，展示OEM在便攜式電子產(chǎn)品中實現(xiàn)新型非接觸式NFC/RFID功能。利用電路，將NFC/RFID短距離無線技術(shù)增加到嵌入式電子平臺。

(接上期)

6 高速數(shù)據(jù)傳輸，無需外部微控制器

　　MAX66242無源標(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。與必須通過其EEPROM單元傳輸數(shù)據(jù)的方案類似，示例中的MAX66242利用其SRAM緩存器管理此類傳輸。SRAM的訪問時間比EEPROM快，這是相對于其它方案的一項優(yōu)勢，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報警信號。報警信號的一項極好用途是在出現(xiàn)13.56MHz HF電磁場時喚醒正在休眠的嵌入式系統(tǒng)。簡而言之，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電磁場收集能量。針對高效、優(yōu)化鏈路正確構(gòu)造和調(diào)諧天線時，無源標(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，磁場足夠強(qiáng)時，可配置電源輸出提供高達(dá)5mA電流。

8 優(yōu)化天線設(shè)計，最大程度提高功率和效率

　　只有實現(xiàn)最優(yōu)的RF電路設(shè)計，最大程度傳輸RF能量時，無源標(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現(xiàn)的。此時，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)計原理相對簡單、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，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值時計算實際L_INDUCTOR的例子。計算得到L值后，設(shè)計者將構(gòu)建外部天線，得到L值。實現(xiàn)以上條件后，說明天線設(shè)計已經(jīng)使LC環(huán)路接收到的電流最大化。

　　值得注意的是，實際應(yīng)用中，設(shè)計工程師總是通過設(shè)計NFC/RFID天線線圈，使真實系統(tǒng)的功率最大化。由于將標(biāo)簽安裝在HF場中，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)計師可能不得不將其設(shè)計在超調(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，NFC/RFID正在開啟可穿戴技術(shù)的市場大門。在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)大潮下，將涌現(xiàn)出越來越多支持傳感器的嵌入式系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)上的各種系統(tǒng)收集用戶的生物及其它數(shù)據(jù);將會有非常多支持NFC/RFID的醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用涌現(xiàn)出來，我們對其規(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(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#信號可選。MOSFET Q1用于隔離。由于可通過RF和I2C接口訪問標(biāo)簽內(nèi)部的EEPROM，當(dāng)主機(jī)微控制器必須在存在HF場的情況下進(jìn)行連接時，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，VOUT升高并導(dǎo)通Q2。開漏信號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場中。然后主機(jī)微控制器將RFID_VCC_ANABLE驅(qū)動為邏輯高狀態(tài)，將MOSFET Q1導(dǎo)通。此時，主機(jī)微控制器即可與產(chǎn)生HF場的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，因為IC的內(nèi)部電路由從HF場收集的能量供電。然而，VCC引腳如圖4所示連接，所以主機(jī)微控制器能夠在沒有HF場的情況下訪問IC。就像有線至無線轉(zhuǎn)換器一樣，I²C信號將數(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。