基于BCM20793的NFC模塊設計

摘要：采用博通BCM20793芯片設計了NFC模塊，進行硬件設計，并進行設備驅動分析。多方面對該模塊進行驗證，結果表明該模塊穩定、可靠、識別率高，可集成到支付、票務、門禁、防偽等系統中。

引言

NFC(Near Field Communication，近場通信)是由Philips和Sony聯合推出的一種全新的近距離無線通信技術。NFC是由無線射頻識別(RFID)及移動終端技術綜合發展起來的，在單一芯片上結合感應式讀卡器、感應式卡片和點對點的功能，能在短距離內與兼容設備進行識別和數據交換。NFC工作頻率為 13.56 MHz，使用電磁感應耦合進行數據傳輸，具有雙向連接和識別特點，兼容不同標準的識別技術，通信距離小于4 cm，支持多種通信速率。由于受限于傳輸速率以及通信距離，NFC不適合大數據的傳輸，而且通信雙方必須有某種程度的相互信任。

NFC技術的出現改變了人們使用某些電子設備的方式，甚至改變了信用卡、現金和鑰匙的使用方式，它可以應用在手機等便攜型設備上，實現安全的移動支付和交易、簡便的端到端通信、在移動中輕松接入等功能。隨著智能手機的快速興起，NFC與智能手機的結合將很大程度上促進NFC的發展，蘋果公司推出的 iPhone6也具備NFC功能，相信在不久的將來NFC必定被廣泛應用。

本文采用博通BCM20793 NFC芯片并結合S3C6410主控制器，設計了具有主動模式和被動模式的NFC閱讀器，主要針對硬件和驅動進行了設計。

1 NFC技術原理

NFC有三種工作狀態：Reader/Writer與NFC Tag/NFC Reader相關;Peer—to—Peer支持兩個。NFC設備交互;Card Emulation能把攜帶NFC功能的設備模擬成SmartCard。這三種工作狀態又可歸結為被動模式和主動模式，在Reader/Writer和Card Emulation狀態下處于被動模式，在Peer—to—Peer狀態下處于主動模式。

在被動模式下，主設備負責啟動通信，同時通過RF線圈產生電磁感應，為從設備提供電能。在這種模式下傳輸速率可以選擇106 kbps、212 kbps或424 kbps，使用負載調制(load modulation)方式，將數據發送給從設備，從設備可以不含電源組件，采用相同的速率以負載調制方式將數據返回給主設備，整個通信過程如圖1所示。

此通信機制與基于ISO14443A、MIFARE和FeliCa的非接觸式智能卡兼容，其主要區別在于RF層信號調制解調的方法、傳輸速率及編碼方式。因此，NFC發起設備在被動模式下，可以用相同的連接和初始化過程檢測非接觸式智能卡或NFC目標設備，并與之建立聯系。

主動模式下，設備之間進行通信時，發起設備和目標設備都必須產生自己的射頻場來進行通信。此種模式下NFC采用雙向識別和鏈接，通信各方不存在固定的主從關系，通信可以由任意一個NFC設備發起。這是對等網絡通信的標準模式，可以獲得非常快速的響應。其通信流程如圖2所示。

此外，快捷輕型的NFC協議還可以引導兩臺設備之間的藍牙配對過程。與其他無線通信技術相比，NFC是一種近距離私密通信方式，提供各種設備間輕松、安全、快速而自動的通信。對RFID來說，其具有距離近、帶寬高、功耗低等特點;比紅外更快、更穩定而且簡單;與藍牙相比，NFC通信距離近，適合交換重要數據。

2 硬件設計

NFC模塊主要由NFC(控制器，可與Device Host或Secure Element安全單元交互)、Antenna(天線)和Contactless Front-End(非接觸前段，負責射頻信號的調制解調工作)三部分組成。本設計采用BCM20793芯片，該芯片支持212或424 kbps的數據傳輸速率，是專為低功耗、低價格的設備設計的。該模塊提供PCI、I2C總線、UART串行接口，安全單元可以連接SD卡、SIM卡、SAM卡或是其他芯片，兼容多種通信標準。該芯片還支持低功耗模式、正常工作模式、輪詢模式等多種工作模式。

主控制器采用S3C6410芯片，該芯片高性能、低功耗、高性價比，可以運行Android系統。BCM20793與S3C6410采用I2C總線的連接方式。TX1和TX2引腳接RC匹配電路，RC匹配電路的P_JS_IT_18和天線相連接。NFC芯片由1.8 V電壓供電，其與主控制器有6根引腳相連，分別是NFC_I2C_SD數據線、NFC_I2C_SCL時鐘線、NFC_I2C_REQ中斷、 NFC_REQ_PU使能、HOST_WAKE喚醒，NFC_CLK_REQ時鐘使能，I2C物理通信地址是0x77，時鐘信號由19.2 MHz外接晶振提供、NFC電路原理圖如圖3所示。

3 NFC驅動分析

3. 1 設備樹分析

本設計內核采用了Linux 3.4版本，與以往內核版本不同的是，內核3.4版本采用設備樹來對驅動設備進行統一管理，以方便設備的管理。NFC采用I2C總線的連接方式與CPU相連接，驅動只負責數據的發送接收，上層負責數據的解析工作。

下面是BCM2079x的設備樹節點配置信息，包括：I2C總線的通信地址為0x77，中斷為34號，GPIO34為中斷引腳，GPIO65為使能引腳，GPIO20為喚醒引腳。其中最為關鍵的是compatible=“broadcom，bcm2079x_i2c”鍵值對，在加載驅動程序時，首先會匹配該字段，如果相等則調用probe函數進行相關的初始化工作。

以下為I2C總線配置信息，GPIO31作為I2C總線的時鐘信號線，GPIO32作為I2C總線的數據信號線，I2C總線的時鐘頻率為19.2MHz。

驅動程序中的bcm2079x_matcn_table結構體負責和設備樹進行匹配，在系統初始化階段，就會匹配設備樹里的.compatible屬性是否在驅動中有相同的名字，本驅動中是broadcom，bcm2079x_i2c，若匹配成功就會調用驅動程序的probe函數進行初始化工作。

在驅動程序中，bcm2079x_parse_dt負責解析設備樹的代碼，以下為設備樹解析關鍵代碼，分別獲取中斷、使能、喚醒引腳。

3.2 驅動初始化分析

內核加載驅動模塊的時候，系統會調用bcm2079x_dev_init()函數，該函數內部嵌套了i2c_add_driver()，用來完成 bcm2079x_driver結構體的注冊，系統就會自動探測驅動設備，通過比較設備樹中是否有 compatible=“broadcom，bcm2079x_i2c”鍵值對來判斷設備是否存在。如果存在，則會注冊I2C設備相關信息，創建i2c- client，執行probe函數，在probe函數里去解析設備樹里面配置的引腳，初始化中斷、分配內存空間以及初始化互斥鎖、等待隊列等，并向系統將驅動注冊為misc驅動，然后向系統注冊中斷。流程圖如圖4所示。

3.3 驅動運行機制

當用戶空間調用open打開/dev/bcm2079x設備節點時，通過ioctl機制調用驅動程序的ioctl，實現設備的使能與喚醒;然后調用Poll函數實現周期性的檢測，以降低設備的功耗，當有設備或卡片接近NFC設備時，NFC就會產生中斷，從而喚醒設備，用戶空間就可以通過調用read函數實現I2C數據的讀取。運行機制如圖5所示。

4 測試結果

NFC設備平時處于休眠狀態，設備也會發出探測脈沖，此時處于低功耗狀態，當有卡片或NFC設備接近NFC設備時，就會產生中斷喚醒設備，NFC設備就會連續地發出探測脈沖，此時NFC工作在正常工作模式。

圖6是用頻譜分析儀觀測到的探測脈沖信號，載波頻率為13.559 375 000 MHz，占用帶寬OBW為2.259615 385 kHz，滿足CE和FCC認證中針對NFC頻段的射頻測試要求的13 553～13 567 MHz的調制帶寬限值。

當將Tag1小卡貼近NFC天線時，可以讀出卡內的二進制信息，圖7為卡內信息。

用設備分別測試Tag1、Tag2、Tag3、Tag4，其可識別距離最遠為49 mm、45 mm、29 mm、21 mm，識別成功率在96%以上，測量結果如表1所列。

以上測試表明，NFC模塊可以識別多種類型的卡片，可識別距離最大為49 mm，滿足NFC設計要求。該模塊穩定、可靠、識別率高，可集成到移動支付、票務、門禁、防偽等不同系統中。