基于ST ST25R3916-AQWT的电动车NFC读卡方案

NFC简介

近场通信(NFC)是一种用于提供短程无线通信的技术,在电子设备之间进行双向交互的连接。NFC是RFID(射频识别)的一种风格,但它还有一个特定的集合,确保nfc设备的互操作性的标准。NFC标准确定操作环境和数据格式、传输速率、调制等。

NFC在两个NFC器件之间使用感应耦合,并采用电磁方式工作,设备在13.56 MHz(无线电频谱的高频部分的一个无许可证分配)工作。一个NFC设备可以从另一个NFC设备产生的磁场中吸取能量。这使一些NFC器件被免除电源和采取微小物体的形式,如标签,贴纸,钥匙扣或卡片。

广义NFC: Near Field Communication, 基于13.56MHz载波的无线通信技术, 广泛应用于工业、医疗、物流、身份证、金融卡等领域。

窄义NFC: NFC forum (www.nfc-forum.org) 定义的RF设备及应用,适用于无线传输、数据交换、防伪、复杂无线网络的配对/ 组网(如蓝牙配对/加入wifi网络)等领域。

 

NFC工作模式

  • 读写模式:

在读/写模式下通信的NFC设备读数据或写数据到一个NFC对象。然后,它可以根据从对象读取的信息采取行动。

  • 卡模拟:

在这种模式下,NFC设备表现为标准的非接触智能卡。这允许它与现有的非接触式智能卡基础设施一起使用,用于诸如访问等操作控制,非接触式支付,固件交换或数据传输。NFC设备模拟智能卡通常在无源NFC模式下工作,数据传输是安全的。

  • P2P:

在点对点(P2P)模式中,支持nfc的设备以活动模式运行。其中的一个设备启动一个通信链路。一旦建立了连接,设备就会与其中一个进行对话。另一种选择是应用先听后说的规则进行数据交换,通信比其他通信方式更快,因此可以交换的数据量更大。

NFC标准

NFC论坛定义了四种NFC标签。另外的第五种类型是与NFC- v技术相关,尚未部分NFC论坛规范。

 

NFC的工作原理

  1. 读卡器天线产生电磁场为标签提供能量。
  2. 通信由读卡器发起,调制载波向标签发送命令。
  3. 标签通过反向散射(backscattering)响应读卡器的命令。

磁场的产生与分布

NFC能量的传递与捕获:变化的电流通过读卡器天线产生变化的磁场;处于变化磁场中的标签天线两端产生感应电压, 为标签供电。

读卡器发起的Request:

1、读卡器控制输出电流产生变化的磁场,调制request。

2、标签天线捕获感应磁场信号,解调request。

标签响应读卡器的Response:

  • 通过改变芯片内部阻抗,标签调制流入标签天线的电流而改变磁场,形成反向散射 (backscattering)。
  • 读卡器芯片检测到读卡器天线感应电压的变化,从中解码标签的Response。

示波器波形:

 

方案方块图

 

读卡器开发设计流程

第 1 步. 定义 NFC 设备参数 · 目标产品 : POS 机( 95HF 系列不适 EMVCo 认证应用),通用 NFC 读卡器等 · 合理的近场通信距离需求 (通常<10cm) · 有效的读卡器天线尺寸与形状 · NFC 设备机械结构 (读卡器或标签天线附近是否有金属屏蔽,如 PCB 覆铜,锂电池,金属外壳等) · 读写标签的类型 (ISO15693, ISO14443, ISO18092Felica ) · 工作模式( Reader 模式, Card Emulation 模式, P2P 模式) · 读写标签的尺寸形状 · 其他需求(如标签能量传输功能,多卡操作等)

第 2 步. 采用 ST reader ( ST25R3916-DISCOST25R3916-EMVCO)评估要操作的 NFC 标签/卡片 通信距离,搭建产品原型。

第 3 步. 读卡器天线设计, 单面 PCB 天线在线设计工具 eDesignSuite


链接:https://eds.st.com/antenna/#/

第 4 步. RF 电路部分原理图与 PCB layout 设计,请参考 Nucelo 扩展板(X-NUCLEO-NFC06A1),详见附件。

第 5 步. PCB 加工。

第 6 步. 基于 ST 阻抗匹配工具和网络分析仪 VNA (或阻抗分析仪)调整射频电路阻抗匹配,匹配工具如下:

 

下载链接:

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. 系统集成、 MCU 固件/协议开发。 请根据所开发的读卡器是否连接 PC 来选择参考 Discovery 板或 Nucleo 扩展板源代码。

参考软件包链接:

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

►场景应用图

►产品实体图

►展示板照片

►方案方块图

►核心技术优势

 动态功率输出(DPO)控制场强保持在给定的范围内  主动波整形(AWS)减少过芽和欠芽  噪音抑制接收机允许在噪音环境下接收信号  通过可变电容自动天线调谐(AAT)  集成EMVCo 3.0兼容EMD处理  自动增益控制和压制特性,最大限度地提高信噪比  低功率电容和感应卡检测  低功耗NFC有源和无源目标模式  可调的问调制深度,从5到40%  集成监管机构,以提高系统PSRR  AM/PM和I/Q解调器与基带通道和或自动通道选择  可能驱动两个独立的单端天线  天线电压振幅和相位的测量,RSSI,片上电源和调节电压

►方案规格

 车载NFC读卡器IC: ST25R3916  47毫米x 34毫米,四圈,13.56 MHz的电感天线蚀刻在PCB和相关调谐电路上  ISO 18092被动和主动发起者,ISO 18092被动和主动目标  NFC-A和nfc卡仿真  ISO 14443A和ISO14443B  ISO 15693  差动天线输出功率可达1.7 W  在单端配置中驱动两个天线的可能性  感应唤醒和电容唤醒  天线自动调谐系统

技术文档

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