基于ST ST25R3916-AQWT的電動車NFC讀卡方案

NFC簡介

近場通信(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(射頻識別)的一種風(fēng)格，但它還有一個特定的集合，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無許可證分配）工作。一個NFC設(shè)備可以從另一個NFC設(shè)備產(chǎn)生的磁場中吸取能量。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。

廣義NFC： Near Field Communication, 基于13.56MHz載波的無線通信技術(shù)， 廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、物流、身份證、金融卡等領(lǐng)域。

窄義NFC： NFC forum (www.nfc-forum.org) 定義的RF設(shè)備及應(yīng)用，適用于無線傳輸、數(shù)據(jù)交換、防偽、復(fù)雜無線網(wǎng)絡(luò)的配對/ 組網(wǎng)（如藍(lán)牙配對/加入wifi網(wǎng)絡(luò)）等領(lǐng)域。

NFC工作模式

· 讀寫模式：

在讀/寫模式下通信的NFC設(shè)備讀數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)到一個NFC對象。然后，它可以根據(jù)從對象讀取的信息采取行動。

· 卡模擬：

在這種模式下，NFC設(shè)備表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)的非接觸智能卡。這允許它與現(xiàn)有的非接觸式智能卡基礎(chǔ)設(shè)施一起使用，用于諸如訪問等操作控制，非接觸式支付，固件交換或數(shù)據(jù)傳輸。NFC設(shè)備模擬智能卡通常在無源NFC模式下工作，數(shù)據(jù)傳輸是安全的。

· P2P：

在點(diǎn)對點(diǎn)(P2P)模式中，支持nfc的設(shè)備以活動模式運(yùn)行。其中的一個設(shè)備啟動一個通信鏈路。一旦建立了連接，設(shè)備就會與其中一個進(jìn)行對話。另一種選擇是應(yīng)用先聽后說的規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通信比其他通信方式更快，因此可以交換的數(shù)據(jù)量更大。

NFC標(biāo)準(zhǔn)

NFC論壇定義了四種NFC標(biāo)簽。另外的第五種類型是與NFC- v技術(shù)相關(guān)，尚未部分NFC論壇規(guī)范。

NFC的工作原理

1. 讀卡器天線產(chǎn)生電磁場為標(biāo)簽提供能量。

2. 通信由讀卡器發(fā)起，調(diào)制載波向標(biāo)簽發(fā)送命令。

3. 標(biāo)簽通過反向散射(backscattering)響應(yīng)讀卡器的命令。

磁場的產(chǎn)生與分布

NFC能量的傳遞與捕獲：變化的電流通過讀卡器天線產(chǎn)生變化的磁場；處于變化磁場中的標(biāo)簽天線兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓， 為標(biāo)簽供電。

讀卡器發(fā)起的Request：

1、讀卡器控制輸出電流產(chǎn)生變化的磁場，調(diào)制request。

2、標(biāo)簽天線捕獲感應(yīng)磁場信號，解調(diào)request。

標(biāo)簽響應(yīng)讀卡器的Response：

· 通過改變芯片內(nèi)部阻抗，標(biāo)簽調(diào)制流入標(biāo)簽天線的電流而改變磁場，形成反向散射 (backscattering)。

· 讀卡器芯片檢測到讀卡器天線感應(yīng)電壓的變化，從中解碼標(biāo)簽的Response。

示波器波形：

方案方塊圖

讀卡器開發(fā)設(shè)計流程

第 1 步. 定義 NFC 設(shè)備參數(shù) · 目標(biāo)產(chǎn)品 ： POS 機(jī)（ 95HF 系列不適 EMVCo 認(rèn)證應(yīng)用），通用 NFC 讀卡器等 · 合理的近場通信距離需求 (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) · 讀寫標(biāo)簽的類型 (ISO15693, ISO14443, ISO18092， Felica 等) · 工作模式（ Reader 模式， Card Emulation 模式， P2P 模式） · 讀寫標(biāo)簽的尺寸形狀 · 其他需求(如標(biāo)簽?zāi)芰總鬏敼δ?，多卡操作?

第 2 步. 采用 ST reader （ ST25R3916-DISCO或ST25R3916-EMVCO）評估要操作的 NFC 標(biāo)簽/卡片 通信距離，搭建產(chǎn)品原型。

第 3 步. 讀卡器天線設(shè)計, 單面 PCB 天線在線設(shè)計工具 eDesignSuite

鏈接：https://eds.st.com/antenna/#/

第 4 步. RF 電路部分原理圖與 PCB layout 設(shè)計，請參考 Nucelo 擴(kuò)展板（X-NUCLEO-NFC06A1），詳見附件。

第 5 步. PCB 加工。

第 6 步. 基于 ST 阻抗匹配工具和網(wǎng)絡(luò)分析儀 VNA (或阻抗分析儀)調(diào)整射頻電路阻抗匹配，匹配工具如下：

下載鏈接：

https://my.st.com/content/my_st_com/en/products/embedded-software/st25-nfc-rfid-software/stsw-st25r004.license=1595227079645.product=STSW-ST25R004.version=3.1.0.html

第 7 步. 系統(tǒng)集成、 MCU 固件/協(xié)議開發(fā)。 請根據(jù)所開發(fā)的讀卡器是否連接 PC 來選擇參考 Discovery 板或 Nucleo 擴(kuò)展板源代碼。

參考軟件包鏈接：

https://www.st.com/content/st_com/en/products/ecosystems/stm32-open-development-environment/stm32-nucleo-expansion-boards/stm32-ode-connect-hw/x-nucleo-nfc06a1.html#tools-software

? 場景應(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

? 動態(tài)功率輸出(DPO)控制場強(qiáng)保持在給定的范圍內(nèi)

? 主動波整形(AWS)減少過芽和欠芽

? 噪音抑制接收機(jī)允許在噪音環(huán)境下接收信號

? 通過可變電容自動天線調(diào)諧(AAT)

? 集成EMVCo 3.0兼容EMD處理

? 自動增益控制和壓制特性，最大限度地提高信噪比

? 低功率電容和感應(yīng)卡檢測

? 低功耗NFC有源和無源目標(biāo)模式

? 可調(diào)的問調(diào)制深度，從5到40%

? 集成監(jiān)管機(jī)構(gòu)，以提高系統(tǒng)PSRR

? AM/PM和I/Q解調(diào)器與基帶通道和或自動通道選擇

? 可能驅(qū)動兩個獨(dú)立的單端天線

? 天線電壓振幅和相位的測量，RSSI，片上電源和調(diào)節(jié)電壓

? 方案規(guī)格

? 車載NFC讀卡器IC: ST25R3916

? 47毫米x 34毫米，四圈，13.56 MHz的電感天線蝕刻在PCB和相關(guān)調(diào)諧電路上

? ISO 18092被動和主動發(fā)起者，ISO 18092被動和主動目標(biāo)

? NFC-A和nfc卡仿真

? ISO 14443A和ISO14443B

? ISO 15693

? 差動天線輸出功率可達(dá)1.7 W

? 在單端配置中驅(qū)動兩個天線的可能性

? 感應(yīng)喚醒和電容喚醒

? 天線自動調(diào)諧系統(tǒng)