基于ST25DV04K的NFC功能血壓計(jì)改造方案，可與手機(jī)快速配對(duì)

智能設(shè)備與萬(wàn)物互聯(lián)

在萬(wàn)物互聯(lián)的智能時(shí)代，智能家居與手機(jī)的互聯(lián)是極為重要的一環(huán)。華為的Harmony OS系統(tǒng)也是面向萬(wàn)物互聯(lián)，其通過一碰聯(lián)接手機(jī)的方式要求了NFC是智能設(shè)備不可缺少的功能。本文以智能設(shè)備中的血壓計(jì)為例子，來一起探究加入NFC功能的血壓計(jì)對(duì)比傳統(tǒng)的藍(lán)牙連接血壓計(jì)可以在使用過程中實(shí)現(xiàn)怎樣的便利，以及在傳統(tǒng)的血壓計(jì)如何快速加入NFC功能，硬件設(shè)計(jì)該如何做。

傳統(tǒng)的血壓計(jì)連接方式

1）首先打開手機(jī)上的“運(yùn)動(dòng)健康”APP，進(jìn)入頁(yè)面。

2）在首頁(yè)找到相應(yīng)的健康功能，例如：“血壓”，點(diǎn)擊進(jìn)入。

3）在血壓界面點(diǎn)擊“測(cè)量”進(jìn)入綁定頁(yè)面。

4）在眾多血壓計(jì)型號(hào)中選擇自己購(gòu)買的型號(hào)，點(diǎn)擊“進(jìn)入配對(duì)”（需要打開藍(lán)牙）。

5）在血壓計(jì)上按壓“記憶”按鈕，手機(jī)操作界面點(diǎn)擊“下一步”。

6）等待3-5秒實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙配對(duì)。

支持NFC功能的血壓計(jì)連接方式

1）打開手機(jī)“NFC”、“藍(lán)牙”功能。

2）將手機(jī)NFC天線位置靠近血壓計(jì)即可連接成功。

實(shí)際測(cè)試下來，傳統(tǒng)方式非常復(fù)雜耗時(shí)。且在型號(hào)選擇頁(yè)面，由于血壓計(jì)種類繁多且外形類似，稍不注意就會(huì)錯(cuò)選型號(hào)，返回重新操作。而配有NFC功能的血壓計(jì)配對(duì)連接極為方便，整個(gè)過程不需要復(fù)雜操作，3秒內(nèi)即可完成連接，對(duì)老年人群的使用更為便捷。

NFC簡(jiǎn)介

近場(chǎng)通信(NFC)是一種用于提供短程無線通信的技術(shù)，在電子設(shè)備之間進(jìn)行雙向交互的連接。NFC是RFID(射頻識(shí)別)的一種風(fēng)格，但它還有一個(gè)特定的集合，確保nfc設(shè)備的互操作性的標(biāo)準(zhǔn)。NFC標(biāo)準(zhǔn)確定操作環(huán)境和數(shù)據(jù)格式、傳輸速率、調(diào)制等。NFC在兩個(gè)NFC器件之間使用感應(yīng)耦合，并采用電磁方式工作，設(shè)備在13.56 MHz（無線電頻譜的高頻部分的一個(gè)無許可證分配）工作。一個(gè)NFC設(shè)備可以從另一個(gè)NFC設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng)中吸取能量。這使一些NFC器件被免除電源和采取微小物體的形式，如標(biāo)簽，貼紙，鑰匙扣或卡片。

NFC主要有四種應(yīng)用場(chǎng)景：手機(jī)、支付、互聯(lián)、參數(shù)交互。互聯(lián)也是參數(shù)交互中的一種，由于這種應(yīng)用交互的參數(shù)是固定的藍(lán)牙或者WiFi地址，所以單獨(dú)歸類。今天介紹的方案就是通過NFC功能使手機(jī)快速讀取血壓計(jì)的藍(lán)牙MAC地址，實(shí)現(xiàn)快速配對(duì)連接。

在傳統(tǒng)血壓計(jì)上加入NFC功能的硬件設(shè)計(jì)步驟

第 1 步 定義 NFC 設(shè)備參數(shù)

· 合理的近場(chǎng)通信距離需求 (通常<10cm)

· 有效的讀卡器天線尺寸與形狀

· NFC 設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu) (讀卡器或標(biāo)簽天線附近是否有金屬屏蔽，如 PCB 覆銅，鋰電池，金屬外殼等)

· 標(biāo)簽的類型 (ISO15693, ISO14443)

· 讀卡器性能 (手機(jī) or 讀卡器？讀卡器天線形狀、尺寸、發(fā)射功率等)

· 其他需求(如能量傳輸功能，多卡操作等)

第 2 步 用 reader （ST25R3916-DISCOVERY 或 ST25R3911B-DISCO）或 NFC 手機(jī)評(píng)估不同天線大小的 NFC 標(biāo)簽通信距離，搭建產(chǎn)品原型。

第 3 步 確定標(biāo)簽天線尺寸并設(shè)計(jì)天線（AN2866）

不同尺寸天線的參考設(shè)計(jì)在網(wǎng)盤中（含通信距離評(píng)估結(jié)果），可選擇相近尺寸天線使用。

第 4 步 原理圖與 PCB layout 設(shè)計(jì)，請(qǐng)參考 ST25D 系列 Nucleo 板原理圖與 PCB 布線。

第 5 步 按照標(biāo)簽天線電感量 L 設(shè)計(jì)要求，在天線電感量 L +/-300nH 范圍內(nèi)加工標(biāo)簽 PCB 3 款（天線目標(biāo)電感量： L-300nH，L， L+300nH）。

ST25DV04K的電感量L要求在4.6uH。

第 6 步 標(biāo)簽天線測(cè)量與測(cè)試 ，微調(diào)天線阻抗匹配或優(yōu)化天線設(shè)計(jì)(如需要) ，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)。

按照第3步設(shè)計(jì)制作的天線諧振如下圖：

微調(diào)并聯(lián)2pf電容后的天線諧振頻率如下圖：

測(cè)試結(jié)果如下：

由于最初的天線設(shè)計(jì)較好，微調(diào)后的讀卡距離并沒有明顯提升。如果天線尺寸較小或周圍有金屬影響，設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線諧振頻率可能會(huì)偏差較大，嚴(yán)重影響讀卡性能。此時(shí)就需要調(diào)整阻抗匹配，將諧振頻率調(diào)回13.56Mhz附近，優(yōu)化讀卡性能。

第 7 步 系統(tǒng)集成、MCU 固件開發(fā) (I2C 通信，如動(dòng)態(tài)標(biāo)簽 ST25DV/M24SR)

ST提供基于STM32Cube和ST官方demo的手機(jī)apk文件源代碼。

ST25DV通過I2C與MCU通信，在供電的情況下可以隨時(shí)更改被手機(jī)NFC讀取的數(shù)據(jù)，不局限于MAC地址。

而在手機(jī)APP端，傳統(tǒng)智能設(shè)備廠商已有APP配合設(shè)備使用，僅需要在原本的APP上做一次小的升級(jí)，接收來自NFC讀取到的NDEF數(shù)據(jù)即可。

總結(jié)下來，將NFC功能加入傳統(tǒng)的智能設(shè)備，客戶需要硬件上在原本的PCB板上加入ST25DV及天線，MCU軟件上合入ST25DV的驅(qū)動(dòng)，APP端再做小的升級(jí)即可。

場(chǎng)景應(yīng)用圖

產(chǎn)品實(shí)體圖

展示版照片

方案方塊圖

核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

ST25DV04K、ST25DV16K和ST25DV64K設(shè)備是NFC RFID標(biāo)簽，分別提供4 Kbit、16 Kbit和64 Kbit電可擦可編程存儲(chǔ)器(EEPROM)。ST25DV04K、ST25DV16K和ST25DV64K提供兩個(gè)接口。第一個(gè)是I2C串行連接，可以從直流電源運(yùn)行。第二種是當(dāng)ST25DV04K、ST25DV16K或ST25DV64K作為接收到的載波電磁波驅(qū)動(dòng)的非接觸存儲(chǔ)器時(shí)激活的射頻鏈路。

I2C模式下，ST25DV04K、ST25DV16K和ST25DV64K用戶內(nèi)存最多為512字節(jié)、2048字節(jié)和8192字節(jié)，可分為4個(gè)靈活的可保護(hù)區(qū)域。

在RF模式下，按照ISO/IEC 15693或NFC論壇類型5的建議，ST25DV04K、ST25DV16K和ST25DV64K用戶內(nèi)存分別包含多達(dá)128塊、512塊和2048塊的4個(gè)字節(jié)，它們可以被分割成4個(gè)靈活的、可保護(hù)的區(qū)域。

方案規(guī)格

1）I2C接口

■ 雙線I2C串行接口支持1MHz協(xié)議

■ 單電源電壓:1.8V ~ 5.5V

■ 多字節(jié)寫程序設(shè)計(jì)(最多256字節(jié))

2）非接觸式接口

■ 根據(jù)ISO/IEC 15693

■ NFC論壇類型5由NFC論壇認(rèn)證的標(biāo)簽

■ 支持所有ISO/IEC 15693調(diào)制，編碼，副載波模式和數(shù)據(jù)率

■ 自定義快速讀存取高達(dá)53 Kbit/s

■ 讀取單個(gè)和多個(gè)塊(擴(kuò)展命令也是如此)

■ 單塊和多塊寫入(最多4個(gè))(擴(kuò)展命令也是如此)

■ 內(nèi)部調(diào)諧電容:28.5 pF

3）內(nèi)存

■ 最多64 kbits的EEPROM(取決于版本)

■ I2C接口訪問字節(jié)

■ RF接口訪問4字節(jié)的塊

■ 編寫時(shí)間:

■ 來自I2C:典型的1字節(jié)5ms

■ 從RF:典型的5毫秒為1塊

■ 數(shù)據(jù)保存:40年

■ 寫循環(huán)耐力:

■ 100萬(wàn)次在25℃寫入循環(huán)

■ 在85℃下寫入600k循環(huán)

■ 105℃下500k寫循環(huán)

■ 在125℃下40萬(wàn)次寫入循環(huán)

4）快速的傳輸模式

■ 快速數(shù)據(jù)傳輸之間的I2C和RF接口

■ 半雙工256字節(jié)專用緩沖區(qū)

5）能量收獲: 模擬輸出引腳電源外部組件

6）數(shù)據(jù)保護(hù)

■ 用戶內(nèi)存:1到4個(gè)可配置的區(qū)域，可通過3個(gè)64位RF密碼和1個(gè)64位I2C密碼進(jìn)■行讀寫保護(hù)

■ 系統(tǒng)配置:在寫保護(hù)由一個(gè)64位密碼在RF和一個(gè)64位密碼在I2C

7）GPO

■ 可在多個(gè)RF事件(場(chǎng)變化、內(nèi)存寫入、活動(dòng)、快速傳輸端、用戶設(shè)置/重置/脈沖)上配■置中斷引腳

■ 開放漏極或CMOS輸出(取決于版本)

8）低功耗模式(僅10球12針封裝)

■ 輸入引腳觸發(fā)低功耗模式

9）射頻管理

■ RF命令解釋器啟用/禁用從I2C主機(jī)控制器

10）溫度范圍

■ Range 6: 從-40到85攝氏度

■ Range 8: 從-40到105攝氏度

■ (僅適用于UDFPN8和UDFPN12)

■ -40 ~ 125℃(僅適用于SO8N和TSSOP8, RF接口最大105℃)

11）封裝

■ 8針，10球和12針封裝

■ ECOPACK2?(通過無鉛認(rèn)證