怎樣在操作系統(tǒng)上加速NFC的應(yīng)用

在近場(chǎng)通訊（NFC）設(shè)計(jì)中，開(kāi)發(fā)人員向來(lái)都面臨各種關(guān)于優(yōu)化射頻性能、硬件設(shè)計(jì)和軟件方面的挑戰(zhàn)。但現(xiàn)在，單片式NFC解決方案和全方位的軟件支持極大地改變了在家用電子設(shè)備、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備設(shè)計(jì)中整合NFC功能的本質(zhì)。因此，開(kāi)發(fā)人員可以加入諸多應(yīng)用功能，卻幾乎不會(huì)影響設(shè)計(jì)封裝、功耗或項(xiàng)目計(jì)劃。NFC的雙向通信能力獨(dú)具特色，可提供簡(jiǎn)單、本質(zhì)上安全的低功耗近距離無(wú)線連接。僅當(dāng)兩個(gè)設(shè)備相互靠近時(shí)才能進(jìn)行通信，因此不會(huì)出現(xiàn)消息攔截，并且最大程度減少了潛在的網(wǎng)絡(luò)攻擊途徑。而且，在通信時(shí)僅一臺(tái)設(shè)備需要通電，因此平均功耗可維持在相當(dāng)?shù)偷乃?。?shí)際上，NFC可以為各種智能家居和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來(lái)巨大益處。用戶只需將啟用NFC的智能手機(jī)靠近啟用NFC的產(chǎn)品，即可完成藍(lán)牙或Wi-Fi配對(duì)。NFC可以用作設(shè)備個(gè)性化的底層技術(shù)，并且可簡(jiǎn)化智能手機(jī)任務(wù)，如配置設(shè)置、傳輸數(shù)據(jù)或注冊(cè)產(chǎn)品等。嵌入式NFCNFC是射頻識(shí)別（RFID）的子集，在13.56MHz下工作，可執(zhí)行與傳統(tǒng)RFID標(biāo)簽和非接觸式智能卡相同的許多功能。同時(shí)，NFC還具有更大的靈活性，能在三種通信模式下工作：卡仿真、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和讀/寫。在卡仿真模式下，NFC設(shè)備用作非接觸式智能卡，可在各種現(xiàn)有應(yīng)用中使用，包括票務(wù)、門禁系統(tǒng)、交通、收費(fèi)站和非接觸式支付等。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式允許兩個(gè)啟用NFC的設(shè)備連接并交換信息。例如，用戶可以使用啟用NFC的智能手機(jī)來(lái)設(shè)置其他設(shè)備的藍(lán)牙或Wi-Fi設(shè)置參數(shù)，或者在受信任網(wǎng)絡(luò)中調(diào)試其使用。在讀/寫模式下，一臺(tái)NFC設(shè)備可以從另一臺(tái)NFC設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。例如，啟用NFC的智能手機(jī)可以讀取URL或其他數(shù)據(jù)，如零售商店促銷標(biāo)牌上嵌入的銷售優(yōu)惠券。用作標(biāo)簽的嵌入式NFC設(shè)備連接到產(chǎn)品內(nèi)的主機(jī)處理器后，其工作類似于雙端口存儲(chǔ)器。其中一個(gè)存儲(chǔ)器端口可通過(guò)NFC接口以無(wú)線方式訪問(wèn)。另一個(gè)端口可通過(guò)嵌入式系統(tǒng)的I2C接口訪問(wèn)。因此，諸如智能手機(jī)等外部數(shù)據(jù)源可以將數(shù)據(jù)傳遞到嵌入式系統(tǒng)。反過(guò)來(lái)，主機(jī)處理器可以更新存儲(chǔ)在NFC設(shè)備中的數(shù)據(jù)，即使當(dāng)產(chǎn)品斷電也可向啟用NFC的外部設(shè)備提供這些數(shù)據(jù)。對(duì)于需要在嵌入式系統(tǒng)和外部系統(tǒng)（如啟用NFC的智能手機(jī)）之間傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)人員可以使用這種方法。事實(shí)上，利用NFC設(shè)備無(wú)線通訊鏈接功能及其在下載過(guò)程中用于臨時(shí)存儲(chǔ)的片載存儲(chǔ)器，開(kāi)發(fā)人員可以用這種方法更新嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，甚至固件。單片式NFC控制器過(guò)去，設(shè)計(jì)人員希望在基于MCU的設(shè)計(jì)中添加NFC功能，但卻面臨硬件和軟件的兩大挑戰(zhàn)。使用傳統(tǒng)NFC設(shè)備的硬件工程師需要確保設(shè)計(jì)滿足NFC設(shè)備和主機(jī)之間的關(guān)鍵時(shí)序、保持低功耗要求，并且要最大程度減少設(shè)計(jì)封裝和物料清單（BOM）。然而也許最大的影響在于軟件方面，工程師通常不得不編寫自己的代碼，以處理構(gòu)成單一應(yīng)用級(jí)別NFC操作的諸多低級(jí)事務(wù)。高級(jí)NFC設(shè)備，如NXPSemiconductorPN7150，旨在簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)或任何嵌入式系統(tǒng)中的NFC功能集成。PN7150結(jié)合了射頻前端以及低功耗ARM?Cortex?-M0內(nèi)核、存儲(chǔ)器和I/O外設(shè)（圖1）。圖1：NXPSemiconductorsPN7150NFC控制器結(jié)合了全套射頻前端、ARMCortex-M0設(shè)備主機(jī)和集成固件。通過(guò)確保嵌入式設(shè)備主機(jī)和射頻前端之間的最佳時(shí)序，該設(shè)備大大消除了傳統(tǒng)的硬件集成問(wèn)題，同時(shí)支持更高的射頻輸出功率。此外，集成的I2C接口與NXP的NTAGI2CPlus兼容，適用于傳感器、燈具和與智能家居網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的其他設(shè)備。同時(shí)，該器件有助于降低功耗要求：PN7150可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換到低功耗模式，同時(shí)讓主機(jī)保持休眠，直到需要進(jìn)行射頻通信為止。除了簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，PN7150在軟件方面也優(yōu)勢(shì)顯著。NXP預(yù)裝了該器件的嵌入式數(shù)據(jù)和代碼存儲(chǔ)器，并且可擴(kuò)展支持NFC控制器接口（NCI）。NFC論壇管理NCI技術(shù)規(guī)范，定義了NFC控制器（NFCC）和運(yùn)行高級(jí)操作系統(tǒng)（如Android，Linux或WindowsIoT）的設(shè)備主機(jī)（DH）之間的邏輯接口。PN7150的嵌入式NCI固件減少了某些主機(jī)交互，并且為NFC應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)人員提供更高的抽象層級(jí)，從而減輕了軟件開(kāi)發(fā)負(fù)擔(dān)。通過(guò)將低級(jí)代碼移動(dòng)到固件中，PN7150還減少了主機(jī)端的應(yīng)用代碼基底面。直接替代型解決方案PN7150具有集成的硬件和軟件，專用于直接替代型NFC解決方案，適用于在Android、Linux或Windows環(huán)境下工作的開(kāi)發(fā)人員（圖2）。實(shí)際上，不熟悉NFC開(kāi)發(fā)的開(kāi)發(fā)人員可以利用Arduino（NXPOM5578/PN7150ARDM）、BeagleBoneBlack（NXPOM5578/PN7150BBBM）和RaspberyPi（NXPOM5578/PN7150RPIM）的現(xiàn)有PN7150演示套件。每種套件都包含一塊PN7150NFC控制板、一個(gè)專用接口板和一個(gè)NFC樣卡。圖2：NXPPN7150需要較少的其他元器件即可交付完整的NFC子系統(tǒng)，它可通過(guò)簡(jiǎn)單硬件接口輕松集成主機(jī)MCU，并通過(guò)NCI協(xié)議集成主機(jī)軟件。設(shè)計(jì)人員需要較少的元器件即可為現(xiàn)有基于MCU的設(shè)計(jì)創(chuàng)建完整的NFC子系統(tǒng)。實(shí)際上，在某些情況下，工程師可以通過(guò)在天線匹配電路中消除或組合一些無(wú)源元器件，進(jìn)一步減少BOM（圖3）。圖3：將PN7150用作NFC控制器（NFCC），設(shè)計(jì)人員可以簡(jiǎn)化天線匹配電路，從而進(jìn)一步減少某些應(yīng)用中的BOM。在典型的天線電路設(shè)計(jì)中，需要天線引線上的RQ阻尼電阻器來(lái)降低會(huì)對(duì)所產(chǎn)生信號(hào)的整形有不良影響的過(guò)高天線品質(zhì)因數(shù)。在采用標(biāo)稱天線品質(zhì)因數(shù)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員可以將這些RQ阻尼電阻器從天線端移除。在匹配電路中，當(dāng)特定設(shè)計(jì)的天線引線具有非常低的最大峰峰電壓時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以用單個(gè)電容器替換成對(duì)的并聯(lián)電容器（并消除到EMC濾波器的連接）。在典型應(yīng)用中，小型天線連接到PN7150，天線上產(chǎn)生的峰峰電壓將相對(duì)較低。因此，設(shè)計(jì)人員也可以移除去耦Crx電容器，并將Rrx電阻器直接連接到天線，以簡(jiǎn)化Rx路徑。簡(jiǎn)化的軟件從軟件角度看，PN7150提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的執(zhí)行模型，可進(jìn)一步加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)（圖4）。設(shè)備主機(jī)架構(gòu)結(jié)合了傳輸層驅(qū)動(dòng)程序、NCI驅(qū)動(dòng)程序和包含讀/寫、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或卡仿真庫(kù)的NFC執(zhí)行環(huán)境（NFCEE）中間件。對(duì)于NFC操作，主機(jī)只需要通過(guò)I2C接口發(fā)送高級(jí)NCI操作到PN7150。反過(guò)來(lái)，PN7150的固件可執(zhí)行NFC協(xié)議中所需的詳細(xì)事務(wù)。圖4：NXPPN7150的嵌入式NCI固件減少了設(shè)備主機(jī)（DH）上的軟件封裝，只需通過(guò)I2C硬件接口發(fā)送NCI指令，即可在PN7150NFC控制器（NFCC）上執(zhí)行詳細(xì)的NFC事務(wù)。實(shí)際上，從開(kāi)發(fā)人員的角度而言，得益于NXP提供的全方位軟件平臺(tái)，NFC應(yīng)用開(kāi)發(fā)才得以在高級(jí)別進(jìn)行。對(duì)于啟用NFC的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，常見(jiàn)操作包括交換NFC數(shù)據(jù)交換格式（NDEF）化數(shù)據(jù)。NDEF由NFC論壇管理，這是一種標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式，可用于在任何兼容的NFC設(shè)備和另一臺(tái)NFC設(shè)備或標(biāo)簽之間交換URI或純文本等信息。NXPlinux_libnfc-nci庫(kù)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用編程接口（API），將低級(jí)事務(wù)抽象為更高級(jí)的面向應(yīng)用程序的操作。例如，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)用WriteTag例程來(lái)寫入標(biāo)簽（列表1）。這個(gè)庫(kù)利用一系列低級(jí)例程將這種應(yīng)用層請(qǐng)求分解為所需的系列步驟，以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證、格式化和傳輸（列表1中的msgToPush）。intWriteTag（nfc_tag_info_tTagInfo，unsignedchar*msgToPush，unsignedintlen）{intres=0x00;res=nfcTag_writeNdef（TagInfo.handle，msgToPush，len）;if（0x00！=res）{printf（“WriteTagFailed\n”）;res=0xFF;}else{res=0x00;}returnres;}列表1：NXP提供NCI軟件，如linux_libnfc-nci，這是與PN7150搭配使用的LinuxNFC庫(kù)。開(kāi)發(fā)人員可以使用簡(jiǎn)單調(diào)用來(lái)創(chuàng)建NFC應(yīng)用，WriteTag便是一個(gè)例子，它調(diào)用低級(jí)例程來(lái)處理NFC消息傳遞協(xié)議詳細(xì)信息。（列表來(lái)源：NXPSemiconductors）設(shè)備主機(jī)使用NCI控制消息與NFC控制器交互。一個(gè)特別重要的NCI指令序列為NFC控制器提供了一種機(jī)制來(lái)查找其他卡、讀卡器或?qū)Φ仍O(shè)備。這種稱為RFDiscovery的指令序列讓符合規(guī)范的NFC設(shè)備（如PN7150）能在偵聽(tīng)其他發(fā)射設(shè)備和發(fā)射（輪詢階段）之間交替，以查找遠(yuǎn)程卡或標(biāo)簽。如同任何射頻技術(shù)一樣，傳輸需要比無(wú)線電接收更高的功率（圖5）。實(shí)際上，在輪詢階段，PN7150功耗約為30mA，具體取決于天線特性。在偵聽(tīng)階段，PN7150會(huì)等候外部生成的射頻載波，當(dāng)啟用待機(jī)模式時(shí)，電流消耗會(huì)下降至20μA左右。圖5：由于在標(biāo)準(zhǔn)NFC論壇RFDiscovery序列中NFC設(shè)備的輪詢階段較長(zhǎng)，因此功率要求可能相對(duì)較高。通常，輪詢階段會(huì)持續(xù)約20毫秒，而偵聽(tīng)階段則為300毫秒到500毫秒。對(duì)于500毫秒的偵聽(tīng)階段，平均功耗則為：（30x20+0.02x500）/520=1.17mA。為降低RFDiscovery的功率要求，NXPN7150提供了一種稱為低功耗卡檢測(cè)器（LPCD）模式的專有機(jī)制。在LPCD模式中，PN7150會(huì)尋找當(dāng)另一根天線接近時(shí)產(chǎn)生的磁耦合所導(dǎo)致的天線阻抗變化。如果阻抗變化高于預(yù)定義的閾值，PN7150會(huì)自動(dòng)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)NFC論壇RFDiscovery序列。因此，這種“事件驅(qū)動(dòng)”的方法可以顯著減少RFDiscovery階段的時(shí)長(zhǎng)，從而降低平均功耗（圖6）。圖6：通過(guò)使用特殊檢測(cè)模式，NXPPN7150可以顯著降低RFDiscovery回路的功耗，從而縮短耗費(fèi)功率的輪