bcm20793的NFC模块电路设计

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  NFC技术的出现改变了人们使用某些电子设备的方式,甚至改变了信用卡、现金和钥匙的使用方式,它可以应用在手机等便携型设备上,实现安全的移动支付和交易、简便的端到端通信、在移动中轻松接入等功能。随着智能手机的快速兴起,NFC与智能手机的结合将很大程度上促进NFC的发展,苹果公司推出的 iPhone6也具备NFC功能,相信在不久的将来NFC必定被广泛应用。

  这个技术由非接触式射频识别(RFID)演变而来,由飞利浦半导体(现恩智浦半导体)、诺基亚和索尼共同研制开发,其基础是RFID及互连技术。近场通信是一种短距高频的无线电技术,在13.56MHz频率运行于20厘米距离内。其传输速度有106 Kbit/秒、212 Kbit/秒或者424 Kbit/秒三种。近场通信已通过成为ISO/IEC IS 18092国际标准、EMCA-340标准与ETSI TS 102 190标准。NFC采用主动和被动两种读取模式。

  NFC技术原理

  支持NFC的设备可以在主动或被动模式下交换数据。在被动模式下,启动NFC通信的设备,也称为NFC发起设备(主设备),在整个通信过程中提供射频场(RF-field),。它可以选择106kbps、212kbps或424kbps其中一种传输速度,将数据发送到另一台设备。另一台设备称为NFC目标设备(从设备),不必产生射频场,而使用负载调制(load modulation)技术,即可以相同的速度将数据传回发起设备。此通信机制与基于ISO14443A、MIFARE和FeliCa的非接触式智能卡兼容,因此,NFC发起设备在被动模式下,可以用相同的连接和初始化过程检测非接触式智能卡或NFC目标设备,并与之建立联系。图为NFC主动通信模式:

 

bcm20793的NFC模块电路设计

    bcm20793的NFC模块电路设计

  本文采用博通BCM20793 NFC芯片并结合S3C6410主控制器,设计了具有主动模式和被动模式的NFC阅读器,主要针对硬件和驱动进行了设计。

    硬件设计

  NFC模块主要由NFC(控制器,可与Device Host或Secure Element安全单元交互)、Antenna(天线)和Contactless Front-End(非接触前段,负责射频信号的调制解调工作)三部分组成。本设计采用BCM20793芯片,该芯片支持212或424 kbps的数据传输速率,是专为低功耗、低价格的设备设计的。该模块提供PCI、I2C总线、UART串行接口,安全单元可以连接SD卡、SIM卡、SAM卡或是其他芯片,兼容多种通信标准。该芯片还支持低功耗模式、正常工作模式、轮询模式等多种工作模式。

  主控制器采用S3C6410芯片,该芯片高性能、低功耗、高性价比,可以运行Android系统。BCM20793与S3C6410采用I2C总线的连接方式。TX1和TX2引脚接RC匹配电路,RC匹配电路的P_JS_IT_18和天线相连接。NFC芯片由1.8 V电压供电,其与主控制器有6根引脚相连,分别是NFC_I2C_SD数据线、NFC_I2C_SCL时钟线、NFC_I2C_REQ中断、 NFC_REQ_PU使能、HOST_WAKE唤醒,NFC_CLK_REQ时钟使能,I2C物理通信地址是0x77,时钟信号由19.2 MHz外接晶振提供、NFC电路原理图如图3所示。

  bcm20793的NFC模块电路设计

  NFC驱动分析

  设备树分析

  本设计内核采用了Linux 3.4版本,与以往内核版本不同的是,内核3.4版本采用设备树来对驱动设备进行统一管理,以方便设备的管理。NFC采用I2C总线的连接方式与CPU相连接,驱动只负责数据的发送接收,上层负责数据的解析工作。

  下面是BCM2079x的设备树节点配置信息,包括:I2C总线的通信地址为0x77,中断为34号,GPIO34为中断引脚,GPIO65为使能引脚,GPIO20为唤醒引脚。其中最为关键的是compatible=“broadcom,bcm2079x_i2c”键值对,在加载驱动程序时,首先会匹配该字段,如果相等则调用probe函数进行相关的初始化工作。

  bcm20793的NFC模块电路设计

  以下为I2C总线配置信息,GPIO31作为I2C总线的时钟信号线,GPIO32作为I2C总线的数据信号线,I2C总线的时钟频率为19.2MHz。

  bcm20793的NFC模块电路设计

  驱动程序中的bcm2079x_matcn_table结构体负责和设备树进行匹配,在系统初始化阶段,就会匹配设备树里的.compatible属性是否在驱动中有相同的名字,本驱动中是broadcom,bcm2079x_i2c,若匹配成功就会调用驱动程序的probe函数进行初始化工作。

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  在驱动程序中,bcm2079x_parse_dt负责解析设备树的代码,以下为设备树解析关键代码,分别获取中断、使能、唤醒引脚。

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  驱动初始化分析

  内核加载驱动模块的时候,系统会调用bcm2079x_dev_init()函数,该函数内部嵌套了i2c_add_driver(),用来完成 bcm2079x_driver结构体的注册,系统就会自动探测驱动设备,通过比较设备树中是否有 compatible=“broadcom,bcm2079x_i2c”键值对来判断设备是否存在。如果存在,则会注册I2C设备相关信息,创建i2c- client,执行probe函数,在probe函数里去解析设备树里面配置的引脚,初始化中断、分配内存空间以及初始化互斥锁、等待队列等,并向系统将驱动注册为misc驱动,然后向系统注册中断。流程图如图4所示。

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bcm20793的NFC模块电路设计

  驱动运行机制

  当用户空间调用open打开/dev/bcm2079x设备节点时,通过ioctl机制调用驱动程序的ioctl,实现设备的使能与唤醒;然后调用Poll函数实现周期性的检测,以降低设备的功耗,当有设备或卡片接近NFC设备时,NFC就会产生中断,从而唤醒设备,用户空间就可以通过调用read函数实现I2C数据的读取。运行机制如图5所示。

    测试结果分析

  NFC设备平时处于休眠状态,设备也会发出探测脉冲,此时处于低功耗状态,当有卡片或NFC设备接近NFC设备时,就会产生中断唤醒设备,NFC设备就会连续地发出探测脉冲,此时NFC工作在正常工作模式。

  图6是用频谱分析仪观测到的探测脉冲信号,载波频率为13.559 375 000 MHz,占用带宽OBW为2.259615 385 kHz,满足CE和FCC认证中针对NFC频段的射频测试要求的13 553~13 567 MHz的调制带宽限值。

  bcm20793的NFC模块电路设计

  当将Tag1小卡贴近NFC天线时,可以读出卡内的二进制信息,图7为卡内信息。

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  用设备分别测试Tag1、Tag2、Tag3、Tag4,其可识别距离最远为49 mm、45 mm、29 mm、21 mm,识别成功率在96%以上,测量结果如表1所列。

  bcm20793的NFC模块电路设计

  以上测试表明,NFC模块可以识别多种类型的卡片,可识别距离最大为49 mm,满足NFC设计要求。该模块稳定、可靠、识别率高,可集成到移动支付、票务、门禁、防伪等不同系统中。

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