曹榮祥

（中科南京軟件技術(shù)研究院 江蘇省南京市 211135）

在信息時(shí)代背景下，電子商務(wù)發(fā)展迅速，電子支付也已被大多數(shù)人認(rèn)可與接受，使人們的生活方式發(fā)生巨大改變。為使移動(dòng)支付給人們的生活帶來(lái)更多便利，需要通過(guò)移動(dòng)通信終端在移動(dòng)支付和傳統(tǒng)支付之間建立橋梁，并在相應(yīng)平臺(tái)支持下更高效的進(jìn)行移動(dòng)支付管理。NFC 屬于一種新型無(wú)線通訊技術(shù)，在移動(dòng)通信終端設(shè)計(jì)中應(yīng)用該技術(shù)，能使支付系統(tǒng)突破傳統(tǒng)線路制約，構(gòu)建新的消費(fèi)模式。而為在移動(dòng)通信終端系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)NFC 功能，有必要基于NFC 展開(kāi)移動(dòng)通信終端硬件電路設(shè)計(jì)。

1 NFC工作原理

NFC 其工作原理主要包含被動(dòng)通信模式和主動(dòng)通信模式兩種。其中被動(dòng)模式下的NFC 通信，其發(fā)起方會(huì)涉及到一個(gè)射頻場(chǎng)，由此對(duì)目標(biāo)設(shè)備給予激勵(lì)，而目標(biāo)設(shè)備在一定的感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)范圍之內(nèi)可以正常工作，如圖1[1]。主動(dòng)通信模式下的目標(biāo)設(shè)備會(huì)和通信發(fā)起設(shè)備交替不斷產(chǎn)生射頻場(chǎng)，特定通信位置下射頻場(chǎng)保持一定范圍，發(fā)起設(shè)備發(fā)起命令之后，目標(biāo)設(shè)備由自產(chǎn)射頻場(chǎng)作出回應(yīng)，如圖2。

圖1：NFC 被動(dòng)通信模式

圖2：NFC 主動(dòng)通信模式

2 具有NFC功能的移動(dòng)通信終端硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)及方案

本文基于 NFC 功能對(duì)移動(dòng)通信終端硬件系統(tǒng)展開(kāi)設(shè)計(jì)，主要考慮將NFC 功能模塊增設(shè)于硬件架構(gòu)上，使NFC 功能芯片與外圍電路為一整體，這一設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了NFC 功能模塊與通信終端兩者同步設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)NFC 功能模塊包含控制接口、通信接口，利用UART 口和基帶芯片保持?jǐn)?shù)據(jù)通信，同步利用GPIO 口啟動(dòng)與控制NFC 功能模塊，利用終端PMU 和電池向數(shù)字內(nèi)核部分以及NFC內(nèi)部調(diào)壓器供電。經(jīng)SWP 接口使NFC 芯片UIM 卡彼此相連。對(duì)

于NFC 模塊通信來(lái)說(shuō)，UIM 卡可當(dāng)做安全設(shè)備，并于UIM 卡當(dāng)中存儲(chǔ)用戶(hù)安全信息，NFC 芯片經(jīng)SWP 接口對(duì)安全信息進(jìn)行讀取[2]。所設(shè)計(jì)NFC 手機(jī)硬件架構(gòu)當(dāng)中主要包含UIM 卡、NFC 模塊、手機(jī)終端硬件平臺(tái)（包含電源管理芯片、RF 控制芯片、基帶控制芯片），具體連接方式如圖3。

圖3：NFC 移動(dòng)終端硬件架構(gòu)

其中，NFC 芯片、基帶芯片兩者通信主要基于通用異步收發(fā)協(xié)議而實(shí)現(xiàn)，手機(jī)電池為NFC 供電，手機(jī)電源管理芯片也可同步向NFC 供電（1.8V）。UIM 卡VCC 管腳和NFC 芯片彼此相連，基于此為UIM 卡輸送電源。UIM 卡、SWP 管腳和NFC 芯片相連，同步和非接觸射頻天線相連，保持13.56MHz 的工作頻率。若電池?zé)o電，NFC 芯片可在非接觸電線對(duì)外部磁場(chǎng)加以感應(yīng)過(guò)程中向UIM 卡提供電源。

NFC 手機(jī)工作模式有兩種：

（1）手機(jī)電池有電，手機(jī)可充當(dāng)讀卡器，并在卡模式下工作；

（2）手機(jī)電池?zé)o電，手機(jī)經(jīng)射頻場(chǎng)得到能量，并于卡模擬模式下工作。

2.2 芯片選型

設(shè)計(jì)中基帶芯片選擇VIA 單芯片CDMA 機(jī)帶處理器CBP7.1，儲(chǔ)存器電路選擇存儲(chǔ)芯片M36L0R8060T9ZAQ，電源管理芯片主要選擇G5812，音頻電路芯片主要選擇TPA2010D1，射頻控制芯片主要選擇FC7710，PA 模塊芯片主要選用WS1103，NFC 模塊芯片主要選擇PN65N[3]。

2.3 對(duì)接電路設(shè)計(jì)

在對(duì)接電路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，首先要對(duì)NFC 模塊以及終端平臺(tái)兩者連接接口展開(kāi)設(shè)計(jì)。一般情況下，要拓展終端外圍設(shè)備，關(guān)鍵是由基帶控制器對(duì)終端實(shí)現(xiàn)合理控制，通?？衫肬ART 口、GPIO 口或I2C 接口使外圍設(shè)備和基帶芯片實(shí)現(xiàn)通信[4]。經(jīng)對(duì)比，本設(shè)計(jì)為使基帶芯片和NFC 模塊有效通信，主要選擇UART 口，設(shè)計(jì)中只需利用兩根傳輸線就可實(shí)現(xiàn)收發(fā)。這一接口可相對(duì)便捷、靈活的進(jìn)行設(shè)計(jì)，并可直接利用系統(tǒng)軟件定義傳輸速率。設(shè)計(jì)中使NFC 為一個(gè)單獨(dú)的功能模塊，利用 UART 接口實(shí)現(xiàn)和該模塊通信，并設(shè)計(jì)特定控制接口連接到NFC 模塊上，以更便捷的對(duì)NFC 模塊進(jìn)行控制，同時(shí)也不會(huì)影響其他手機(jī)系統(tǒng)功能。

設(shè)計(jì)中還利用SWP 接口使UIM 卡和NFC 模塊彼此相連，在SWP 接口利用下，使NFC 芯片可對(duì)UIM 卡內(nèi)安全信息進(jìn)行讀取。在沒(méi)有手機(jī)供電情況下，NFC 利用射頻場(chǎng)得到能量，并經(jīng)VCC 實(shí)現(xiàn)UIM 卡工作，這其中供地接口為GND。

2.4 控制模塊電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中主要由基帶芯片（CBP7.1）完全控制NFC 模塊，NFC模塊和CBP7.1 之間經(jīng)UART 口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時(shí)經(jīng)CPIO 口對(duì)NFC 實(shí)現(xiàn)復(fù)位重置。電源設(shè)計(jì)中，NFC 內(nèi)調(diào)壓器主要通過(guò)電池電壓VB 實(shí)現(xiàn)供電。NFC 數(shù)字核心部位主要由電源管理芯片實(shí)現(xiàn)供電，若沒(méi)有手機(jī)供電，NFC 可經(jīng)射頻場(chǎng)得到能量，此時(shí)NFC 模塊在卡模擬模式下工作。

2.5 射頻前端電路設(shè)計(jì)

在發(fā)射電路設(shè)計(jì)中，主要設(shè)計(jì)為差分輸出，差分信號(hào)主要是TX1、TX2。在PN65N 當(dāng)中，各輸出引腳保持25Ω 的阻抗，同時(shí)差分電路均勻?qū)ΨQ(chēng)。具體的說(shuō)，差分信號(hào)為兩個(gè)位置相反但振幅一致的信號(hào)，差分信號(hào)各端所受到的外部電磁干擾是相同的。相比于單端信號(hào)，差分信號(hào)兩端保持固定的差異，這使抗電磁波干擾能力明顯增強(qiáng)[5]。發(fā)射電路組成部分有天線、天線匹配電路、EMC 濾波電路、TX 保護(hù)電路以及RF 前端電路。TX 保護(hù)電路以及RF 前端電路兩者在PN65N 芯片內(nèi)部集成，天線主要選擇外接線圈天線。

在TX1、TX2 兩管腳間設(shè)置TX 過(guò)壓保護(hù)電路，該電路主要由在PN65N 芯片內(nèi)部集成的兩個(gè)互補(bǔ)穩(wěn)壓二極管所構(gòu)成。由于Vprotection為3.6V，所以TX1、TX2 兩管腳間電壓最大值為3.6V。

EMC 電路有兩大功能：

（1）此模塊工作頻率主要源自晶體震蕩器，所以會(huì)有高次諧波產(chǎn)生，根據(jù)有關(guān)要求，相關(guān)電路需要有效抑制超過(guò)13.56MHz 二次的諧波，為達(dá)到這一要求，此次設(shè)計(jì)中將LC 低通濾波電路添加在電路當(dāng)中。針對(duì)13.56MHz 頻率，由EMC 當(dāng)中的C0、L0共同形成低通濾波器，對(duì)二次以上諧波實(shí)現(xiàn)有效濾除。因?yàn)樗惺躌F 電流以及電壓相對(duì)較高，所以要求C0能夠耐壓50V，L0所需承受電流為100 mA；

（2）可對(duì)變換電路發(fā)揮阻抗作用，本文的設(shè)計(jì)可使幅度上升時(shí)間明顯減少，而接收帶寬明顯增加。設(shè)計(jì)中，天線匹配電路主要功能是在源阻抗50Ω 阻抗內(nèi)匹配天線輸入阻抗，以達(dá)到傳輸效率最優(yōu)目的。

通過(guò)實(shí)時(shí)熒光定量PCR法分析26例TSCC患者癌與癌旁正常組織中的PRKCI表達(dá)水平，我們發(fā)現(xiàn)，TSCC組織中PRKCI的表達(dá)水平顯著增加(P<0.01)(圖3A)。利用Spearman相關(guān)系數(shù)分析來(lái)觀察TSCC細(xì)胞中PRKCI和miR-219的關(guān)系。隨著miR-219表達(dá)升高，PRKCI的表達(dá)相應(yīng)下調(diào)，PRKCI的表達(dá)量與miR-219的表達(dá)量呈負(fù)相關(guān)(r=-0.984，P<0.01)(圖3B)。

針對(duì)接收電路，內(nèi)部有關(guān)器件所產(chǎn)Vmid電勢(shì)是RX 管腳具體輸入電勢(shì)，Vmid管腳和電容C3相連，可以有效濾除直流，削弱干擾。此次設(shè)計(jì)中Vmid=15pF。由R1、R2共同組成分壓電路，結(jié)合輸入電壓情況合理調(diào)整分壓電路值，保證接收電路供電正常。Vmid去偶電容即為C4，設(shè)計(jì)中C4=100 nF。PN65N 其收發(fā)模式聯(lián)合使用同一根天線，設(shè)備在13.56MHz 電磁場(chǎng)內(nèi)部， PN65N 芯片能夠部分或完全經(jīng)電磁場(chǎng)得到能量。若芯片斷開(kāi)功能，2-pin PbtF 模式可經(jīng)天線感應(yīng)電磁場(chǎng)能量實(shí)現(xiàn)供電，并發(fā)揮卡模擬功能。

2.6 天線電路設(shè)計(jì)

在收發(fā)系統(tǒng)當(dāng)中，天線屬于關(guān)鍵組成部分，會(huì)對(duì)系統(tǒng)整體性能產(chǎn)生影響，而NFC 系統(tǒng)屬于電感耦合系統(tǒng)，相應(yīng)天線主要是繞線線圈，工作頻率保持在13.56MHz。一般情況下，NFC 模塊以及天線兩者的連接方式有兩種：

（1）是在天線和模塊兩者相距較短情況下直接匹配天線；

（2）是在兩者距離較長(zhǎng)情況下選擇50Ω 匹配天線。

綜合考慮，本次設(shè)計(jì)選擇直接匹配天線，并通過(guò)繞線線圈形式實(shí)現(xiàn)，涉及到的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)有品質(zhì)因素Q、天線電阻值（Rα）、天線線圈電感值（Lα）、讀寫(xiě)距離。

一般情況下，天線線圈和電容Cα兩者可共同形成串聯(lián)諧振電路或并聯(lián)諧振電路，其中并聯(lián)諧振電路可于諧振頻率保持最大阻抗、最小電流、最大電壓，此方式適合應(yīng)用在功率較高的閱讀器天線電路當(dāng)中，而串聯(lián)諧振電路其于諧振頻率部位保持最小阻抗、最大電流，適合應(yīng)用在距離較小的讀寫(xiě)器當(dāng)中。綜合考慮，本文設(shè)計(jì)為串聯(lián)諧振電路。

公式（1）中，r 是電容和線圈兩者直流電阻，XC代表電容電抗、XL代表線圈電抗。

線圈天線屬于LC 協(xié)調(diào)電路，保持特定頻率，在容抗XC=感抗XL情況下，天線保持諧振，并且此時(shí)有最小阻抗。在該諧振電路應(yīng)用下，NFC 模塊能夠發(fā)射出大部分能量，實(shí)現(xiàn)和其他設(shè)備之間的順利通信。在天線性能以及協(xié)調(diào)中，品質(zhì)因數(shù)Q 屬于關(guān)鍵參數(shù)，品質(zhì)因素Q 和天線增益保持正比關(guān)系，但和天線帶寬保持反比關(guān)系。由于天線結(jié)構(gòu)可經(jīng)磁場(chǎng)功能，所以Q 值選擇既不可太大，也不可太小，以免使天線帶寬過(guò)窄或讀寫(xiě)距離變短。正常情況下，品質(zhì)因素可在30~40 區(qū)間內(nèi)選擇，若表現(xiàn)過(guò)高，可對(duì)外部抑制電阻Rq進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以獲得理想的Q 值。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于NFC 功能進(jìn)行移動(dòng)通信終端設(shè)計(jì)，可促進(jìn)小眾市場(chǎng)開(kāi)發(fā)，在NFC 技術(shù)普及的同時(shí)防止技術(shù)同質(zhì)化。為此，本文設(shè)計(jì)一種移動(dòng)通信終端，并在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)NFC 功能，該終端能夠保持三種NFC 模式。文章結(jié)合設(shè)計(jì)架構(gòu)以及方案，合理選擇芯片類(lèi)型，并結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)以及技術(shù)功能展開(kāi)對(duì)接電路設(shè)計(jì)、控制模塊電路設(shè)計(jì)、射頻前端電路設(shè)計(jì)、天線電路設(shè)計(jì)，為相關(guān)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)提供參考。