2022年12月26日 | 采用博通BCM20793结合S3C6410主控制器的NFC模块设计

采用博通BCM20793芯片设计了NFC模块，进行硬件设计，并进行设备驱动分析。多方面对该模块进行验证，结果表明该模块稳定、可靠、识别率高，可集成到支付、票务、门禁、防伪等系统中。

引言

NFC（Near Field CommunicaTIon，近场通信）是由Philips和Sony联合推出的一种全新的近距离无线通信技术。NFC是由无线射频识别（RFID）及移动终端技术综合发展起来的，在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。NFC工作频率为 13.56 MHz，使用电磁感应耦合进行数据传输，具有双向连接和识别特点，兼容不同标准的识别技术，通信距离小于4 cm，支持多种通信速率。由于受限于传输速率以及通信距离，NFC不适合大数据的传输，而且通信双方必须有某种程度的相互信任。

NFC技术的出现改变了人们使用某些电子设备的方式，甚至改变了信用卡、现金和钥匙的使用方式，它可以应用在手机等便携型设备上，实现安全的移动支付和交易、简便的端到端通信、在移动中轻松接入等功能。随着智能手机的快速兴起，NFC与智能手机的结合将很大程度上促进NFC的发展，苹果公司推出的 iPhone6也具备NFC功能，相信在不久的将来NFC必定被广泛应用。

本文采用博通BCM20793 NFC芯片并结合S3C6410主控制器，设计了具有主动模式和被动模式的NFC阅读器，主要针对硬件和驱动进行了设计。

1 NFC技术原理

NFC有三种工作状态：Reader/Writer与NFC Tag/NFC Reader相关;Peer—to—Peer支持两个。NFC设备交互;Card EmulaTIon能把携带NFC功能的设备模拟成SmartCard。这三种工作状态又可归结为被动模式和主动模式，在Reader/Writer和Card EmulaTIon状态下处于被动模式，在Peer—to—Peer状态下处于主动模式。

在被动模式下，主设备负责启动通信，同时通过RF线圈产生电磁感应，为从设备提供电能。在这种模式下传输速率可以选择106 kbps、212 kbps或424 kbps，使用负载调制（load modulaTIon）方式，将数据发送给从设备，从设备可以不含电源组件，采用相同的速率以负载调制方式将数据返回给主设备，整个通信过程如图1所示。

此通信机制与基于ISO14443A、MIFARE和FeliCa的非接触式智能卡兼容，其主要区别在于RF层信号调制解调的方法、传输速率及编码方式。因此，NFC发起设备在被动模式下，可以用相同的连接和初始化过程检测非接触式智能卡或NFC目标设备，并与之建立联系。

主动模式下，设备之间进行通信时，发起设备和目标设备都必须产生自己的射频场来进行通信。此种模式下NFC采用双向识别和链接，通信各方不存在固定的主从关系，通信可以由任意一个NFC设备发起。这是对等网络通信的标准模式，可以获得非常快速的响应。其通信流程如图2所示。

此外，快捷轻型的NFC协议还可以引导两台设备之间的蓝牙配对过程。与其他无线通信技术相比，NFC是一种近距离私密通信方式，提供各种设备间轻松、安全、快速而自动的通信。对RFID来说，其具有距离近、带宽高、功耗低等特点;比红外更快、更稳定而且简单;与蓝牙相比，NFC通信距离近，适合交换重要数据。

2 硬件设计

NFC模块主要由NFC（控制器，可与Device Host或Secure Element安全单元交互）、Antenna（天线）和Contactless Front-End（非接触前段，负责射频信号的调制解调工作）三部分组成。本设计采用BCM20793芯片，该芯片支持212或424 kbps的数据传输速率，是专为低功耗、低价格的设备设计的。该模块提供PCI、I2C总线、UART串行接口，安全单元可以连接SD卡、SIM卡、SAM卡或是其他芯片，兼容多种通信标准。该芯片还支持低功耗模式、正常工作模式、轮询模式等多种工作模式。

主控制器采用S3C6410芯片，该芯片高性能、低功耗、高性价比，可以运行Android系统。BCM20793与S3C6410采用I2C总线的连接方式。TX1和TX2引脚接RC匹配电路，RC匹配电路的P_JS_IT_18和天线相连接。NFC芯片由1.8 V电压供电，其与主控制器有6根引脚相连，分别是NFC_I2C_SD数据线、NFC_I2C_SCL时钟线、NFC_I2C_REQ中断、 NFC_REQ_PU使能、HOST_WAKE唤醒，NFC_CLK_REQ时钟使能，I2C物理通信地址是0x77，时钟信号由19.2 MHz外接晶振提供、NFC电路原理图如图3所示。

3 NFC驱动分析

3. 1 设备树分析

本设计内核采用了Linux 3.4版本，与以往内核版本不同的是，内核3.4版本采用设备树来对驱动设备进行统一管理，以方便设备的管理。NFC采用I2C总线的连接方式与CPU相连接，驱动只负责数据的发送接收，上层负责数据的解析工作。

下面是BCM2079x的设备树节点配置信息，包括：I2C总线的通信地址为0x77，中断为34号，GPIO34为中断引脚，GPIO65为使能引脚，GPIO20为唤醒引脚。其中最为关键的是compatible=“broadcom，bcm2079x_i2c”键值对，在加载驱动程序时，首先会匹配该字段，如果相等则调用probe函数进行相关的初始化工作。

以下为I2C总线配置信息，GPIO31作为I2C总线的时钟信号线，GPIO32作为I2C总线的数据信号线，I2C总线的时钟频率为19.2MHz。

驱动程序中的bcm2079x_matcn_table结构体负责和设备树进行匹配，在系统初始化阶段，就会匹配设备树里的.compatible属性是否在驱动中有相同的名字，本驱动中是broadcom，bcm2079x_i2c，若匹配成功就会调用驱动程序的probe函数进行初始化工作。

在驱动程序中，bcm2079x_parse_dt负责解析设备树的代码，以下为设备树解析关键代码，分别获取中断、使能、唤醒引脚。

3.2 驱动初始化分析

内核加载驱动模块的时候，系统会调用bcm2079x_dev_init（）函数，该函数内部嵌套了i2c_add_driver（），用来完成 bcm2079x_driver结构体的注册，系统就会自动探测驱动设备，通过比较设备树中是否有 compatible=“broadcom，bcm2079x_i2c”键值对来判断设备是否存在。如果存在，则会注册I2C设备相关信息，创建i2c- client，执行probe函数，在probe函数里去解析设备树里面配置的引脚，初始化中断、分配内存空间以及初始化互斥锁、等待队列等，并向系统将驱动注册为misc驱动，然后向系统注册中断。流程图如图4所示。

3.3 驱动运行机制

当用户空间调用open打开/dev/bcm2079x设备节点时，通过ioctl机制调用驱动程序的ioctl，实现设备的使能与唤醒;然后调用Poll函数实现周期性的检测，以降低设备的功耗，当有设备或卡片接近NFC设备时，NFC就会产生中断，从而唤醒设备，用户空间就可以通过调用read函数实现I2C数据的读取。运行机制如图5所示。

4 测试结果

NFC设备平时处于休眠状态，设备也会发出探测脉冲，此时处于低功耗状态，当有卡片或NFC设备接近NFC设备时，就会产生中断唤醒设备，NFC设备就会连续地发出探测脉冲，此时NFC工作在正常工作模式。

图6是用频谱分析仪观测到的探测脉冲信号，载波频率为13.559 375 000 MHz，占用带宽OBW为2.259615 385 kHz，满足CE和FCC认证中针对NFC频段的射频测试要求的13 553～13 567 MHz的调制带宽限值。

当将Tag1小卡贴近NFC天线时，可以读出卡内的二进制信息，图7为卡内信息。

用设备分别测试Tag1、Tag2、Tag3、Tag4，其可识别距离最远为49 mm、45 mm、29 mm、21 mm，识别成功率在96%以上，测量结果如表1所列。

以上测试表明，NFC模块可以识别多种类型的卡片，可识别距离最大为49 mm，满足NFC设计要求。该模块稳定、可靠、识别率高，可集成到移动支付、票务、门禁、防伪等不同系统中。