基于NFC功能的移动通信终端硬件电路设计研究

曹荣祥

（中科南京软件技术研究院 江苏省南京市 211135）

在信息时代背景下，电子商务发展迅速，电子支付也已被大多数人认可与接受，使人们的生活方式发生巨大改变。为使移动支付给人们的生活带来更多便利，需要通过移动通信终端在移动支付和传统支付之间建立桥梁，并在相应平台支持下更高效的进行移动支付管理。NFC 属于一种新型无线通讯技术，在移动通信终端设计中应用该技术，能使支付系统突破传统线路制约，构建新的消费模式。而为在移动通信终端系统内实现NFC 功能，有必要基于NFC 展开移动通信终端硬件电路设计。

1 NFC工作原理

NFC 其工作原理主要包含被动通信模式和主动通信模式两种。其中被动模式下的NFC 通信，其发起方会涉及到一个射频场，由此对目标设备给予激励，而目标设备在一定的感应场强范围之内可以正常工作，如图1[1]。主动通信模式下的目标设备会和通信发起设备交替不断产生射频场，特定通信位置下射频场保持一定范围，发起设备发起命令之后，目标设备由自产射频场作出回应，如图2。

图1：NFC 被动通信模式

图2：NFC 主动通信模式

2 具有NFC功能的移动通信终端硬件系统设计

2.1 架构及方案

本文基于 NFC 功能对移动通信终端硬件系统展开设计，主要考虑将NFC 功能模块增设于硬件架构上，使NFC 功能芯片与外围电路为一整体，这一设计实现了NFC 功能模块与通信终端两者同步设计。所设计NFC 功能模块包含控制接口、通信接口，利用UART 口和基带芯片保持数据通信，同步利用GPIO 口启动与控制NFC 功能模块，利用终端PMU 和电池向数字内核部分以及NFC内部调压器供电。经SWP 接口使NFC 芯片UIM 卡彼此相连。对

于NFC 模块通信来说，UIM 卡可当做安全设备，并于UIM 卡当中存储用户安全信息，NFC 芯片经SWP 接口对安全信息进行读取[2]。所设计NFC 手机硬件架构当中主要包含UIM 卡、NFC 模块、手机终端硬件平台（包含电源管理芯片、RF 控制芯片、基带控制芯片），具体连接方式如图3。

图3：NFC 移动终端硬件架构

其中，NFC 芯片、基带芯片两者通信主要基于通用异步收发协议而实现，手机电池为NFC 供电，手机电源管理芯片也可同步向NFC 供电（1.8V）。UIM 卡VCC 管脚和NFC 芯片彼此相连，基于此为UIM 卡输送电源。UIM 卡、SWP 管脚和NFC 芯片相连，同步和非接触射频天线相连，保持13.56MHz 的工作频率。若电池无电，NFC 芯片可在非接触电线对外部磁场加以感应过程中向UIM 卡提供电源。

NFC 手机工作模式有两种：

（1）手机电池有电，手机可充当读卡器，并在卡模式下工作；

（2）手机电池无电，手机经射频场得到能量，并于卡模拟模式下工作。

2.2 芯片选型

设计中基带芯片选择VIA 单芯片CDMA 机带处理器CBP7.1，储存器电路选择存储芯片M36L0R8060T9ZAQ，电源管理芯片主要选择G5812，音频电路芯片主要选择TPA2010D1，射频控制芯片主要选择FC7710，PA 模块芯片主要选用WS1103，NFC 模块芯片主要选择PN65N[3]。

2.3 对接电路设计

在对接电路设计环节，首先要对NFC 模块以及终端平台两者连接接口展开设计。一般情况下，要拓展终端外围设备，关键是由基带控制器对终端实现合理控制，通常可利用UART 口、GPIO 口或I2C 接口使外围设备和基带芯片实现通信[4]。经对比，本设计为使基带芯片和NFC 模块有效通信，主要选择UART 口，设计中只需利用两根传输线就可实现收发。这一接口可相对便捷、灵活的进行设计，并可直接利用系统软件定义传输速率。设计中使NFC 为一个单独的功能模块，利用 UART 接口实现和该模块通信，并设计特定控制接口连接到NFC 模块上，以更便捷的对NFC 模块进行控制，同时也不会影响其他手机系统功能。

设计中还利用SWP 接口使UIM 卡和NFC 模块彼此相连，在SWP 接口利用下，使NFC 芯片可对UIM 卡内安全信息进行读取。在没有手机供电情况下，NFC 利用射频场得到能量，并经VCC 实现UIM 卡工作，这其中供地接口为GND。

2.4 控制模块电路设计

设计中主要由基带芯片（CBP7.1）完全控制NFC 模块，NFC模块和CBP7.1 之间经UART 口进行数据通信，同时经CPIO 口对NFC 实现复位重置。电源设计中，NFC 内调压器主要通过电池电压VB 实现供电。NFC 数字核心部位主要由电源管理芯片实现供电，若没有手机供电，NFC 可经射频场得到能量，此时NFC 模块在卡模拟模式下工作。

2.5 射频前端电路设计

在发射电路设计中，主要设计为差分输出，差分信号主要是TX1、TX2。在PN65N 当中，各输出引脚保持25Ω 的阻抗，同时差分电路均匀对称。具体的说，差分信号为两个位置相反但振幅一致的信号，差分信号各端所受到的外部电磁干扰是相同的。相比于单端信号，差分信号两端保持固定的差异，这使抗电磁波干扰能力明显增强[5]。发射电路组成部分有天线、天线匹配电路、EMC 滤波电路、TX 保护电路以及RF 前端电路。TX 保护电路以及RF 前端电路两者在PN65N 芯片内部集成，天线主要选择外接线圈天线。

在TX1、TX2 两管脚间设置TX 过压保护电路，该电路主要由在PN65N 芯片内部集成的两个互补稳压二极管所构成。由于Vprotection为3.6V，所以TX1、TX2 两管脚间电压最大值为3.6V。

EMC 电路有两大功能：

（1）此模块工作频率主要源自晶体震荡器，所以会有高次谐波产生，根据有关要求，相关电路需要有效抑制超过13.56MHz 二次的谐波，为达到这一要求，此次设计中将LC 低通滤波电路添加在电路当中。针对13.56MHz 频率，由EMC 当中的C0、L0共同形成低通滤波器，对二次以上谐波实现有效滤除。因为所承受RF 电流以及电压相对较高，所以要求C0能够耐压50V，L0所需承受电流为100 mA；

（2）可对变换电路发挥阻抗作用，本文的设计可使幅度上升时间明显减少，而接收带宽明显增加。设计中，天线匹配电路主要功能是在源阻抗50Ω 阻抗内匹配天线输入阻抗，以达到传输效率最优目的。

通过实时荧光定量PCR法分析26例TSCC患者癌与癌旁正常组织中的PRKCI表达水平，我们发现，TSCC组织中PRKCI的表达水平显著增加(P<0.01)(图3A)。利用Spearman相关系数分析来观察TSCC细胞中PRKCI和miR-219的关系。随着miR-219表达升高，PRKCI的表达相应下调，PRKCI的表达量与miR-219的表达量呈负相关(r=-0.984，P<0.01)(图3B)。

针对接收电路，内部有关器件所产Vmid电势是RX 管脚具体输入电势，Vmid管脚和电容C3相连，可以有效滤除直流，削弱干扰。此次设计中Vmid=15pF。由R1、R2共同组成分压电路，结合输入电压情况合理调整分压电路值，保证接收电路供电正常。Vmid去偶电容即为C4，设计中C4=100 nF。PN65N 其收发模式联合使用同一根天线，设备在13.56MHz 电磁场内部， PN65N 芯片能够部分或完全经电磁场得到能量。若芯片断开功能，2-pin PbtF 模式可经天线感应电磁场能量实现供电，并发挥卡模拟功能。

2.6 天线电路设计

在收发系统当中，天线属于关键组成部分，会对系统整体性能产生影响，而NFC 系统属于电感耦合系统，相应天线主要是绕线线圈，工作频率保持在13.56MHz。一般情况下，NFC 模块以及天线两者的连接方式有两种：

（1）是在天线和模块两者相距较短情况下直接匹配天线；

（2）是在两者距离较长情况下选择50Ω 匹配天线。

综合考虑，本次设计选择直接匹配天线，并通过绕线线圈形式实现，涉及到的关键技术指标有品质因素Q、天线电阻值（Rα）、天线线圈电感值（Lα）、读写距离。

一般情况下，天线线圈和电容Cα两者可共同形成串联谐振电路或并联谐振电路，其中并联谐振电路可于谐振频率保持最大阻抗、最小电流、最大电压，此方式适合应用在功率较高的阅读器天线电路当中，而串联谐振电路其于谐振频率部位保持最小阻抗、最大电流，适合应用在距离较小的读写器当中。综合考虑，本文设计为串联谐振电路。

公式（1）中，r 是电容和线圈两者直流电阻，XC代表电容电抗、XL代表线圈电抗。

线圈天线属于LC 协调电路，保持特定频率，在容抗XC=感抗XL情况下，天线保持谐振，并且此时有最小阻抗。在该谐振电路应用下，NFC 模块能够发射出大部分能量，实现和其他设备之间的顺利通信。在天线性能以及协调中，品质因数Q 属于关键参数，品质因素Q 和天线增益保持正比关系，但和天线带宽保持反比关系。由于天线结构可经磁场功能，所以Q 值选择既不可太大，也不可太小，以免使天线带宽过窄或读写距离变短。正常情况下，品质因素可在30~40 区间内选择，若表现过高，可对外部抑制电阻Rq进行适当调节，以获得理想的Q 值。

3 结束语

基于NFC 功能进行移动通信终端设计，可促进小众市场开发，在NFC 技术普及的同时防止技术同质化。为此，本文设计一种移动通信终端，并在硬件系统设计中实现NFC 功能，该终端能够保持三种NFC 模式。文章结合设计架构以及方案，合理选择芯片类型，并结合设计目标以及技术功能展开对接电路设计、控制模块电路设计、射频前端电路设计、天线电路设计，为相关设计及功能实现提供参考。