需要NFC/RFID吗？未来不再遥远(下)

摘要：本文给出了NFC技术给出常见的电路，展示OEM在便携式电子产品中实现新型非接触式NFC/RFID功能。利用电路，将NFC/RFID短距离无线技术增加到嵌入式电子平台。

(接上期)

6 高速数据传输，无需外部微控制器

　　MAX66242无源标签是I2C至NFC/RFID协议转换器网关。标签的I2C端口可作为主机端口或从机端口进行数据交换。在图3所示应用中，NFC/RFID读卡器可访问基于I2C的电子元件，后者直接连接至MAX66242。所以不需要附加微控制器(例如安装在传感器卡上)即可访问数据。

　　如上所述，IC集成的32字节SRAM缓存器有助于加快I2C至HF数据传输。与必须通过其EEPROM单元传输数据的方案类似，示例中的MAX66242利用其SRAM缓存器管理此类传输。SRAM的访问时间比EEPROM快，这是相对于其它方案的一项优势，加速系统的总体事务处理。

　　IC也提供可编程输入/输出(PIO)引脚，实现多功能用途，包括在特定应用中中断便携设备的微控制器。该PIO引脚可配置作为RF Busy或RF-Access-In-Progress报警信号。报警信号的一项极好用途是在出现13.56MHz HF电磁场时唤醒正在休眠的嵌入式系统。简而言之，该多功能PIO引脚提供更好的控制系统数据流的途径。

7 能量收集，提高灵活性和扩展性

　　能量收集非常有用，使MAX66242成为高度灵活、可扩展的方案，适用于宽范围NFC/RFID应用。

　　IC作为通用无源标签，不要求外部供电;仅消耗极低功率即可工作，大约50 µA，或根据支持的功能略有变化。标签从读卡器的13.56MHz HF电磁场收集能量。针对高效、优化链路正确构造和调谐天线时，无源标签获得的能量远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过IC的VOUT引脚输出到IC的外部电路。即收集能量可用于IC外围供电，如温度传感器，也用于从该传感器中采集温度转换数据。IC的VOUT引脚可配置为提供1.8V或3.3V(典型值)电压，磁场足够强时，可配置电源输出提供高达5mA电流。

8 优化天线设计，最大程度提高功率和效率

　　只有实现最优的RF电路设计，最大程度传输RF能量时，无源标签的能量提取方法才更有效。读卡器与标签天线线圈之间的能量传输效率很大程度上取决于谐振电路的精度和/或天线调谐方式。天线线圈之间能量的有效吸收或传递是靠电谐振实现的。此时，使MAX66242标签的天线线圈及其调谐电容在13.56 MHz工作频率下产生谐振是关键。

　　天线设计原理相对简单、明确。必须在PCB(或内层基片)上构建标签的天线电感(LINDUCTOR)，使其与片上调谐电容(CTUNING)相匹配，实现13.56MHz的IC谐振。所以，所有电容和电感电抗之和必须为零。当LCw² = LC (2πf)² = 1 (with f = f_RES)时，满足该条件。这在理论上表示流入MAX66242标签的能量流(IRF流)达到最大，或者说阻抗达到最小。由此得到式1中的谐振频率f_RES和L_INDUCTOR。

　　式1. PCB上集成的外部天线电感(L_INDUCTOR)必须与标签的内部调谐电容(C_TUNING)相匹配，使电路谐振点为13.56MHz。

　　满足上式，意味着调谐电路发生谐振。式1也可以作为已知C_TUNING值时计算实际L_INDUCTOR的例子。计算得到L值后，设计者将构建外部天线，得到L值。实现以上条件后，说明天线设计已经使LC环路接收到的电流最大化。

　　值得注意的是，实际应用中，设计工程师总是通过设计NFC/RFID天线线圈，使真实系统的功率最大化。由于将标签安装在HF场中，往往存在标签“加载效应”。为考虑该加载效应，天线线圈设计师可能不得不将其设计在超调或欠调，即略微低于或高于13.56MHz的频率，使电路效率较高。关于如何构建天线，超出了本文的讨论范围。

9 在便携设备中嵌入NFC/RFID

　　客观地说，NFC/RFID正在开启可穿戴技术的市场大门。在物联网(IoT)大潮下，将涌现出越来越多支持传感器的嵌入式系统，通过网络上的各种系统收集用户的生物及其它数据;将会有非常多支持NFC/RFID的医疗和工业应用涌现出来，我们对其规模尚不得而知。

　　在讨论特定应用之前，首先了解一下嵌入式设计中支持NFC/RFID的基本电路结构(图4)。注意，系统需要具备与外部世界通信的途径。

　　图4中，I²C接口(SDL和SDA)和PIO信号(RF-AIP和RF-BUSY功能的多路复用线)是连接主机微控制器所必须的，RFID_VCC_ANABLE和SYS_ALERT_INT#信号可选。MOSFET Q1用于隔离。由于可通过RF和I2C接口访问标签内部的EEPROM，当主机微控制器必须在存在HF场的情况下进行连接时，Q1为标签供电。然而，可选的Q2利用电路板上的稳压VCC切换开漏(open-drain)SYS_ALERT_INT#(这种情况下不安装R4)。

　　在设备原理图中利用该电路(图4)的各种变型，OEM产品可与任何NFC/RFID读卡器或发起方系统进行通信。一旦电路板进入HF场，VOUT升高并导通Q2。开漏信号SYS_ALERT_INT#变为低电平，中断或唤醒主机微控制器，由此表示系统处于HF场中。然后主机微控制器将RFID_VCC_ANABLE驱动为逻辑高状态，将MOSFET Q1导通。此时，主机微控制器即可与产生HF场的NFC/RFID读卡器交换数据。同样，MAX66242的VCC引脚不需要连接电源，因为IC的内部电路由从HF场收集的能量供电。然而，VCC引脚如图4所示连接，所以主机微控制器能够在没有HF场的情况下访问IC。就像有线至无线转换器一样，I²C信号将数据传输至外部。数据流由RF-AIP (RF-Access-In-Progress)引脚控制，也与RF-BUSY引脚多路复用。