bcm20793的NFC模块电路设计

　　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

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。