滕飛

摘 要：本文對(duì)NFC-F技術(shù)的物理層協(xié)議（JIS X 6319-4）進(jìn)行詳細(xì)解析。在理解協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用美國(guó)國(guó)家儀器公司的中頻收發(fā)儀5641R板卡構(gòu)建NFC-F讀卡器的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)模塊并完成相應(yīng)mac層命令的編寫，完成相應(yīng)的labview FPGA模塊編寫；再利用虛擬儀器的思想完成上層測(cè)試界面的設(shè)計(jì)和編寫，并通過(guò)與NFC-F產(chǎn)品進(jìn)行通信來(lái)驗(yàn)證本文的正確性。

關(guān)鍵詞：NFC；物理層；研究；通訊

NFC是Near Field Communication縮寫，即近距離無(wú)線通訊技術(shù)。由飛利浦公司和索尼公司共同開發(fā)的NFC是一種非接觸式識(shí)別和互聯(lián)技術(shù)，可以在移動(dòng)設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、PC 和智能控件工具間進(jìn)行近距離無(wú)線通信。NFC 提供了一種簡(jiǎn)單、觸控式的解決方案，可以讓消費(fèi)者簡(jiǎn)單直觀地交換信息、訪問(wèn)內(nèi)容與服務(wù)。

NFC近場(chǎng)通信技術(shù)是由非接觸式射頻識(shí)別（RFID）及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來(lái)，在單一芯片上結(jié)合感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的功能，能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換，工作頻率為13.56MHz。

手機(jī)用戶憑著配置了支付功能的手機(jī)就可以行遍全國(guó)：他們的手機(jī)可以用作機(jī)場(chǎng)登機(jī)驗(yàn)證、大廈的門禁鑰匙、交通一卡通、信用卡、支付卡等等。

1 協(xié)議解析

NFC-F的物理層協(xié)議JIS X 6319-4協(xié)議主要應(yīng)用于索尼公司推出的FeliCa型IC卡，其中規(guī)定了NFC-F發(fā)射機(jī)幀格式、編碼方式、調(diào)制方式以及發(fā)射波形的包絡(luò)信息。

JIS X 6319-4協(xié)議中規(guī)定了閱讀器和應(yīng)答器之間的通信頻率和工作場(chǎng)強(qiáng)。協(xié)議要求交互系統(tǒng)的工作頻率為13.56MHz，并且閱讀器需要產(chǎn)生的靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)為640kA/m，傳輸速率為212kbps。讀卡器到標(biāo)簽的前向鏈路就是指命令從讀卡器發(fā)出到標(biāo)簽應(yīng)答器接收所建立的鏈路。

協(xié)議規(guī)定前向鏈路閱讀器向應(yīng)答器傳送的射頻信號(hào)應(yīng)采用ASK調(diào)制，調(diào)制深度為10%，調(diào)制指數(shù)應(yīng)設(shè)置在8%至14%之間，調(diào)制波形應(yīng)滿足圖1所示條件。調(diào)制波形的上升和下降沿應(yīng)該是單調(diào)的。

其中的參數(shù)規(guī)定：tr（max）= 2.0us，tf（max）= 2.0us，調(diào)制深度（max）

=10%，y=0.1（a-b），hf，hr=0.1（a-b）max。

前向鏈路的信息傳送應(yīng)采用曼徹斯特編碼方式進(jìn)行編碼。采用曼徹斯特位編碼方式，波形如圖2所示。

比特編碼格式是曼徹斯特，邏輯電平定義如下：

邏輯“0”：一個(gè)比特的前半部分是載波低場(chǎng)幅度，后半部分是高場(chǎng)振幅（無(wú)調(diào)制使用）；

邏輯“1”：一個(gè)比特的前半部分是載波高場(chǎng)幅度（無(wú)調(diào)制使用），后半部分是低場(chǎng)振幅；幅度中反向極性應(yīng)被允許，并且應(yīng)該從同步開始進(jìn)行極性檢測(cè)。

JIS X 6319-4定義了NFC-F下的幀格式，整個(gè)幀由前導(dǎo)、同步碼、長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)部分和EDC校驗(yàn)組成。前導(dǎo)序列將由最少48比特的全0組成；同步碼為2字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)應(yīng)為B2，第二個(gè)字節(jié)應(yīng)為4D；長(zhǎng)度應(yīng)為8比特的字段，其值為在有效載荷域傳輸?shù)墓?jié)數(shù)并加1，長(zhǎng)度的范圍應(yīng)為2至255，其它設(shè)置為未來(lái)使用保留；有效載荷將由n個(gè)8比特字節(jié)的數(shù)據(jù)組成，其中n由數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)給出，具體幀格式如圖3所示。

標(biāo)簽到讀卡器的后向鏈路即為從標(biāo)簽應(yīng)答器返回的命令到讀卡器接收該命令所建立的鏈路，當(dāng)應(yīng)答器被閱讀器發(fā)送的載波信號(hào)激活后，通過(guò)切換應(yīng)答器負(fù)載狀態(tài)產(chǎn)生副載波與讀寫器通信。

讀卡器發(fā)送的載波信號(hào)由于電感耦合的原理將標(biāo)簽進(jìn)行激活后，標(biāo)簽便通過(guò)自主選擇“ON”或“OFF”來(lái)切換負(fù)載狀態(tài)，通過(guò)負(fù)載調(diào)制產(chǎn)生的副載波與閱讀器進(jìn)行通信。反向鏈路仍然采用曼徹斯特位編碼方式，并同樣允許極性反向。

本文設(shè)計(jì)的基于JIS X 6319-4協(xié)議的RFID模擬器軟件運(yùn)行平臺(tái)是LabVIEW，在LabVIEW FPGA環(huán)境中搭建JIS X 6319-4協(xié)議的RFID模擬器，使得閱讀器能夠與應(yīng)答器交互，獲取應(yīng)答器數(shù)據(jù)；并將閱讀器要發(fā)送的命令傳給接收機(jī)部分進(jìn)行編碼、組幀和調(diào)制等工作。

模擬器通過(guò)FPGA to Host FIFO將獲取的基帶IQ數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)進(jìn)行測(cè)試測(cè)量；上位機(jī)通過(guò)全局變量將要發(fā)送的命令傳給模擬器進(jìn)行編碼、組幀和調(diào)制等工作。通過(guò)FIFO和全局變量將原型機(jī)和上位機(jī)兩個(gè)部分有機(jī)地聯(lián)系到一起。

軟件總體架構(gòu)如圖4所示。

2 NFC-F系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

發(fā)射機(jī)在labview FPGA中編寫，分為編碼和IQ信號(hào)交織發(fā)射兩部分。編碼部分包含組幀的各種狀態(tài)，命令通過(guò)編碼部分組合起來(lái)，再利用IQ路信號(hào)交織，通過(guò)ASK調(diào)制后利用儀器發(fā)射出去。發(fā)射機(jī)編碼部分的具體程序如圖5所示。

接收機(jī)完成的是將信號(hào)接收回來(lái)，解調(diào)并將有用信息通過(guò)FIFO傳遞至數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行解碼，當(dāng)檢測(cè)到門限電平時(shí)便認(rèn)為開始有信號(hào)返回并開始工作。整個(gè)過(guò)程依然采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。接收機(jī)具體程序見圖6。

數(shù)據(jù)鏈路層的主要作用就是根據(jù)上層傳來(lái)的用戶指令完成具體命令的組成傳遞給發(fā)射機(jī)，并且利用接收機(jī)傳回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼工作，同樣利用狀態(tài)機(jī)完成數(shù)據(jù)鏈路層個(gè)狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)，具體程序見圖7所示。

3 測(cè)試結(jié)果

在本系統(tǒng)中，采用符合JIS X 6319-4協(xié)議的Sony公司的FeiliCa IC卡作為應(yīng)答器，發(fā)送天線采用符合ISO/IEC 10373-6測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的三層板天線，當(dāng)發(fā)送REQC命令（即激活卡的第一條命令）時(shí)，host主程序測(cè)得的發(fā)送和返回信號(hào)的整體時(shí)域波形如下圖8所示。

除了對(duì)整體時(shí)域波形進(jìn)行測(cè)試之外，本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了信號(hào)幅度、功率、電平狀態(tài)、調(diào)制深度、信號(hào)周期、信號(hào)上升沿和下降沿、頻譜、信號(hào)帶寬、頻譜模板以及聯(lián)合時(shí)頻分析等指標(biāo)的測(cè)試，還包括應(yīng)答器與閱讀器的命令一致性以及標(biāo)簽狀態(tài)跳轉(zhuǎn)測(cè)試等內(nèi)容。

本文按照J(rèn)IS X 6319-4的協(xié)議規(guī)定，解析了協(xié)議物理層中通信速率為212Kbps的幀格式，并設(shè)計(jì)了物理層的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)模塊。

最后，本文選用NI 5641R板卡實(shí)現(xiàn)了市面常用的NFC-F讀卡器發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，并通過(guò)與真實(shí)FeiliCa標(biāo)簽進(jìn)行通信，完成了標(biāo)簽信號(hào)的頻譜分析測(cè)試，從而驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)方案的正確性。

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