朱福根 熊樹生 李偉 周彩玲

（1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 311112；2.浙江大學(xué)，杭州 310027）

1 前言

當(dāng)前，電動汽車行業(yè)已在嘗試租賃的共享經(jīng)濟(jì)模式，大部分租車業(yè)務(wù)需要客戶到門店辦理，取鑰匙后解鎖用車[1]，這樣勢必造成運(yùn)營成本居高不下，客戶體驗(yàn)不佳。部分租賃公司在車輛上加裝讀卡器，對門鎖線束進(jìn)行改裝實(shí)現(xiàn)刷卡取車，但線束改裝帶來了車輛使用的安全性和可靠性問題。此外，由于地下車庫經(jīng)常無法獲得蜂窩信號的覆蓋，手機(jī)遠(yuǎn)程控制無法滿足這種使用場景下的車輛解鎖。

基于此，本文結(jié)合電動汽車共享運(yùn)營的實(shí)際需求，提出一種近場通信（Near Field Communication，NFC）認(rèn)證裝置的硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)，開展器件選型和電路設(shè)計(jì)，最后對硬件模塊進(jìn)行了測試。

2 需求分析

根據(jù)共享電動汽車的使用場景，在用車前需要解決車輛選擇、身份認(rèn)證、解鎖等問題，用車后需要上鎖。落實(shí)到硬件層面：在車輛選擇環(huán)節(jié)，需要有LED指示燈告知用戶該車當(dāng)前的剩余電量和租賃狀態(tài)；在身份認(rèn)證環(huán)節(jié)，采用NFC或者傳統(tǒng)的刷卡方式實(shí)現(xiàn)；在解鎖和上鎖環(huán)節(jié)，車身控制模塊與CAN總線進(jìn)行密鑰認(rèn)證后，由其控制相應(yīng)的門鎖動作。此外，作為車輛的CAN總線節(jié)點(diǎn)，還需實(shí)現(xiàn)休眠喚醒等功能[2]。

目前市面上已有的讀卡器主要是基于樓宇門禁、電子政務(wù)、公共交通等應(yīng)用而開發(fā)的，該類讀卡器若應(yīng)用于車輛電子系統(tǒng)中則會不同程度地存在工作溫度范圍小、靜態(tài)功耗大、通信接口無法對接車輛等局限性，無法滿足前裝汽車電子零件的一般性能要求。綜合分析得到表1所示的功能需求。

3 總體設(shè)計(jì)

由于硬件面向車輛應(yīng)用，器件選型的原則是保證性能可靠、成本最優(yōu)。設(shè)計(jì)主要圍繞NFC通訊、LED顯示和CAN接口展開。采用單顆內(nèi)嵌CAN控制器的微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）集中控制的方案。NFC功能由1顆系統(tǒng)級芯片（System on Chip，SoC）實(shí)現(xiàn)。電源和CAN接口的外圍電路采用高集成度的集成電路（Integrated Circuit，IC）來設(shè)計(jì)，以簡化硬件電路，保證可靠性。硬件系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

表1 功能需求

圖1 硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)中同時存在數(shù)字電路和模擬電路。為了使兩種電路相對隔離，同時考慮到電路板布置的靈活性和方便性，將主板和射頻板分別印刷，并分別安裝在底層和頂層，使射頻板盡量靠近操作面。兩塊電路板之間用軟排線進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和電源信號的互聯(lián)[3]。

4 詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 電源電路

認(rèn)證裝置由車輛蓄電池直接供電。同時，作為CAN總線節(jié)點(diǎn)，需滿足整車CAN網(wǎng)絡(luò)管理策略。認(rèn)證裝置的工作狀態(tài)往往由與之配合工作的車載終端決定，因此在硬件上設(shè)計(jì)了PEN線與車載終端對接。當(dāng)車載終端拉高PEN線，認(rèn)證裝置上電并進(jìn)入工作狀態(tài)；反之，認(rèn)證裝置斷電并停止工作。

電源電路主要由2顆芯片搭建。一顆是型號為MPS2359的5 V輸出開關(guān)電源芯片，具備1.2 A的峰值輸出電流和1 μA的關(guān)斷電流，滿足電路的用電需求和車輛長期停放時的靜態(tài)功耗要求。另一顆為常用的線性低壓差3.3 V輸出電源芯片，為射頻芯片、MCU等電路供電[4]。

完整的電源電路如圖2所示。為了提高認(rèn)證裝置電路模塊沿電源線的瞬態(tài)抗擾性，在電源入口處設(shè)計(jì)了瞬態(tài)抑制二極管D9、差模和共模抑制電感L3和L4、壓敏電阻KV1以及電容C17。其中D6為防反接二極管，F(xiàn)1為過流保護(hù)熔絲。

圖2 電源電路

4.2 NFC芯片及外圍電路

NFC技術(shù)工作于13.56 MHz頻率下，作用距離約7 cm[5]，其在ISO 18092、ECMA340和ETSI TS 102 190框架下推動標(biāo)準(zhǔn)化，同時也兼容應(yīng)用廣泛的ISO 14443 Type-A、B以及Felica標(biāo)準(zhǔn)非接觸式智能卡的基礎(chǔ)架構(gòu)。NFC的短距離交互大大簡化了認(rèn)證識別過程，使電子設(shè)備間互相訪問更直接、更安全[6]。

PN512是飛利浦推出的一款低功耗NFC前端芯片，滿足AEC-Q100認(rèn)證，適用于汽車電子產(chǎn)品[7]，其天線部分電路如圖3所示。

圖3 PN512天線電路

4.3 天線及匹配電路

4.3.1 天線印制電路板設(shè)計(jì)

NFC天線由印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）中的銅箔組成，其形態(tài)如圖4所示。設(shè)計(jì)時，首先使天線的長、寬尺寸盡量大，圈數(shù)在允許的范圍內(nèi)盡可能多，其次應(yīng)使天線內(nèi)部的PCB覆銅區(qū)域盡可能小，以減少金屬平面對天線阻抗特性的影響。最終設(shè)計(jì)的天線基本參數(shù)如表2所示。

圖4 天線PCB

表2 天線PCB設(shè)計(jì)參數(shù)

4.3.2 天線原理圖設(shè)計(jì)

天線匹配電路如圖3所示，由電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）濾波電路、阻抗匹配電路和天線電路組成[8]。EMC濾波電路用來減少調(diào)制階段的幅值上升時間，增加接收帶寬。在13.56 MHz的操作頻率下，EMC濾波電路和阻抗匹配電路共同把天線電路的阻抗變換為TX引腳所需的阻抗。

圖3中，L7、L8選為推薦值0.3～3 μH范圍內(nèi)的1 μH。C29、C34的電容值為：

式中，C為C29或C34電容值；f為共振頻率；L為L7或L8電感值。

式（1）中，取L=1 μH，共振頻率要求在工作頻率的上限值附近，以獲得頻寬的最大化，此處取f=14.4 MHz[9]，計(jì)算得C=120 pF。電路中C30和C37、C35和C36并聯(lián)使用，使電容器件選型更加靈活。

通過參考NXP的官方設(shè)計(jì)案例，初步確定C30、C35的電容值為100 pF。R38、R39的阻值為1 Ω，C37、C36的電容值為47 μF[10]。

4.4 MCU及外圍電路

根據(jù)本硬件系統(tǒng)的功能需求，MCU需要實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)解析、NFC芯片的讀寫控制以及LED燈組的顯示控制，不需處理大數(shù)據(jù)，邏輯相對簡單。因此選定8位MCU作為主控芯片。同時考慮到成本和汽車級應(yīng)用，最終確定使用ST公司的STM8AF52。其具備24 MHz主頻，高達(dá)128 KB Flash，內(nèi)置2 KB的EEPROM和1個CAN控制器。工作溫度為-40～125℃，符合AEC-Q100認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，非常適合車載電子應(yīng)用[11]。

4.5 CAN接口

選擇汽車電子行業(yè)廣泛采用的恩智浦公司的高速CAN收發(fā)器TJA1042T/3，與MCU內(nèi)部的CAN控制器共同構(gòu)成CAN總線物理層結(jié)構(gòu)。

如圖5所示，CAN接口的保護(hù)電路主要由3部分組成：雙向瞬態(tài)抑制二極管D4和D7用于消除瞬態(tài)干擾，電阻R19和R23用于總線的阻抗匹配，共模抑制器L2用于消除CAN通訊中的共模干擾。保護(hù)電路可有效濾除總線上的電磁輻射和高頻干擾，保證CAN信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖5 CAN接口電路

4.6 指示及蜂鳴器

指示器用于顯示當(dāng)前電動汽車的剩余電池電量以及租賃狀態(tài)，全部采用高亮LED，以保證室外陽光下的可見性。電池電量指示器用十段電量顯示專用數(shù)模管實(shí)現(xiàn)，租賃狀態(tài)指示用三色LED實(shí)現(xiàn)。LED的驅(qū)動由三極管DTC143組成。蜂鳴器的作用是在NFC或者卡片數(shù)據(jù)交換成功時發(fā)出聲音提醒。STM8AF52帶有1個專用的蜂鳴器輸出接口（BEEP口），可以方便地調(diào)制為1 kHz、2 kHz或者4 kHz的輸出頻率。電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 指示及蜂鳴器電路

5 測試驗(yàn)證

5.1 人機(jī)交互測試

試驗(yàn)所用的電路板如圖7所示，將電路模塊安裝到實(shí)際采用的外殼中進(jìn)行各項(xiàng)測試。

圖7 硬件實(shí)物

首先對LED亮度和蜂鳴器開展主觀評測。試驗(yàn)在戶外陽光照射下，由程序控制所有的LED逐個點(diǎn)亮，同時驅(qū)動蜂鳴器短響一聲。要求測試員在150°的視場范圍內(nèi)，距離認(rèn)證裝置50 cm進(jìn)行觀察。結(jié)果3組測試人員均可輕松辨識出LED燈的顏色和數(shù)量。

5.2 讀寫距離調(diào)試及優(yōu)化

實(shí)測過程中，使用ISO 14443 Type A類型的卡片進(jìn)行仿真刷卡，將認(rèn)證裝置的CAN口通過Value CAN設(shè)備連接至電腦，對CAN報(bào)文的監(jiān)測判斷是否讀到正確的卡片數(shù)據(jù)。測試目的是尋找到一組滿足設(shè)計(jì)要求的天線匹配電路元件的參數(shù)值。如表3所示，在初步選定的參數(shù)附近，設(shè)計(jì)了5組參數(shù)值，進(jìn)行識別距離和波形的判定。

表3 識別距離及波形和天線匹配電路參數(shù)的關(guān)系

為在穩(wěn)定的射頻場載波包絡(luò)波形下獲得盡可能大的識別距離，選定第4組參數(shù)。用示波器測試天線射頻場，通過波形的震蕩程度可以區(qū)分所設(shè)計(jì)的天線的品質(zhì)因素是否合適。如圖8所示，包絡(luò)線從幅值接近0開始到幅值最大的上升時間小于1 μs，上升后無明顯的波形震蕩。并且，NFC識別距離達(dá)到7.5 cm，說明該組參數(shù)設(shè)計(jì)是合理的。

圖8 NFC射頻天線載波包絡(luò)實(shí)測波形

5.3 功耗測試

用電流表對電路模塊進(jìn)行功耗測量，每隔10 min記錄一次數(shù)據(jù)，共測量50次，取平均值。結(jié)果表明，掉電工況功耗1 μA，待機(jī)工況功耗52 mA，讀寫工況功耗85 mA。

5.4 CAN通信可靠性測試

用CAN總線測試工具Value CAN連接認(rèn)證裝置的CAN接口，在PC機(jī)上對其發(fā)送的周期報(bào)文進(jìn)行連續(xù)50天的觀察，未發(fā)現(xiàn)任何CAN總線錯誤。

6 結(jié)束語

采用8位STM8AF52 MCU配合NFC前端芯片PN512等元件構(gòu)成的車載認(rèn)證裝置硬件方案能夠?qū)崿F(xiàn)NFC認(rèn)證、CAN總線通信以及指示燈等功能。滿足電動汽車共享租賃對認(rèn)證裝置的硬件需求。NFC天線的物理尺寸設(shè)計(jì)和匹配電路設(shè)計(jì)也能夠?qū)崿F(xiàn)正常的射頻通信。射頻電路板和主板隔離式的設(shè)計(jì)思路可行。同時，本文采用比較簡易的方法確定了天線匹配電路元件的參數(shù)。可以借助阻抗分析儀對天線阻抗值進(jìn)行精確測量，以進(jìn)一步優(yōu)化這些參數(shù)。

[1]李明.分時租賃：汽車租賃的發(fā)展方向[J].上海汽車,2015（3）：51-53+56.

[2]于偉,何晟,周彤.基于NFC技術(shù)的汽車門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù),2016（6）：115-120.

[3]陳向陽.車載NFC標(biāo)簽近場通信應(yīng)用[J].嘉應(yīng)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）,2015,33（5）：24-31.

[4]王立峰,陳旭東,陶樂文,等.基于RF微功率芯片的智能汽車遙控系統(tǒng)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2011,30（6）：46-50.

[5]包先雨,徐勝林,郭云,等.基于NFC的智能防偽電子鉛封系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014，37（11）：107-110.

[6]朱正偉,錢露,張南,等.一種利用NFC技術(shù)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙快速連接的研究[J].自動化儀表,2016,37（4）：68-77.

[7]NXP Semiconductors.PN512 Full NFC Forum-Compliant Frontend[EB/OL].http://www.nxp.com,2016.

[8]Ecma International.Near Field Communication Interface and Protocol-2(NFCIP-2):ECMA-352[S],2003.

[9]NXP Semiconductors.AN1445 Antenna Design Guide for PN51x[EB/OL].http://www.nxp.com,2010.

[10]NXP Semiconductors.MifareContactlessSmartCard Reader Reference Design[EB/OL].http://www.nxp.com,2007.

[11]STMicroelectronics.STM8AF526x/8x/AxDatasheet[EB/OL].www.st.com,2015.