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物联网时代近场通信技术(NFC)新选择 —— Renesas PTX105R套件评测

03/14 09:11
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(此板卡试用招募进行中,链接:https://www.eefocus.com/forum/thread-230261-1-1.html

物联网应用的快速发展与应用推动了无线通信技术的不断演进和创新。特别是近年来,一种被认为是未来身份验证及支付的关键技术正吸引了越来越多人的关注,它就是近场通信技术,即NFC技术。为了打造更完善的生态、同时也为了简化工程师们的开发成本,各大厂商纷纷推出了性能优秀的NFC器件。今天为大家带来的就是一款由瑞萨公司最新推出的物联网应用 NFC 读写器评估套件PTX105R Evaluation Kit。

硬件分析

整个板卡的大小为105mm*52mm,采用四层板工艺,黑色阻焊油搭配白色丝印,尽显高端大气。 与其他同类评估套件相比,本套件具有以下亮点:

  • 基于PTX105R芯片的中功耗(1W)的NFC读写套件
  • 能够提供易于集成的软件,并支持将其嵌入式到任何架构的MCU终端设备中,支持NFC几乎所有的协议、标准及标签协议。(如:ISO 14443 A/B, ISO 18092, ISO 15693, FeliCa等)
  • 支持NFC 点对点通信(发起方)以及NFC卡模拟
  • 支持数字动态功率控制(DDPC),采用EMI无滤波器解决方案,具有先进的数字整形,卡模式下相位精确的主动负载调制,非常高的动态范围接收器(VHDRR)等特点。
  • 为RF设计提供配置工具以及SDK

由于PTX105R芯片具有很高的集成度,因此整个评估板设计非常简洁,所有的器件都集中在正面,而在背面则没有任何元器件(如图1,图2)。整个评估板主要分为两个部分,在右边部分是50mm*50mm大小的天线,中央用白色丝印标记了logo “Panthronics”(此前为奥地利的一家专注于高性能无线产品的半导体公司,目前已经被瑞萨收购);左边则是PTX105R主芯片及外围电路

图1 PTX105R评估板正面

图2 PTX105R评估板正面

作为整个系统的核心PTX105R芯片当然是大家关注的焦点(图3)。芯片采用HVQFN56封装,大小为7mm×7mm。该芯片属于瑞萨公司NFC产品线,在该产品线上共包含了5款产品, 涵盖了从IoT、Android到无线充电等多个领域。而我们手中的这颗PTX105R芯片则是一款性能优异的适用于IOT场景应用的NFC控制器,其在减少外部器件的同时支持通过比传统NFC阅读器小4-5倍的天线进行操作,非常适合小型物联网场景应用。另外,由于采用了独特的正弦波架构,使其具有卓越的灵敏度、精确的数字波束成形技术,这将简化FCC认证过程,使得所开发的产品能够更快地符合NFC Forum规范。而在技术细节上,PTX105R芯片则支持参考时钟选择13.15MHz到52MHz之间的任意的频率;支持ISO/IEC14443-A/B、NFC Forum、NFC Tag Type 2, 3, 4A/4B and 5、FeliCa、ISO/IEC 15693、NFC P2P、NFC Card Emulation等多种工作模式;另外,在外部接口方面,PTX105R芯片还提供了多个可编程的通用GPIO以及可以选择I2CSPIUART接口用于与外部主机相连。

图3 PTX105R芯片

虽然PTX105R芯片功能强大,但是使用起来却不是很复杂。为了方便工程师们开发,瑞萨公司给出了参考原理图和器件选择清单(如图4),可以看出仅仅使用少量电容和1个晶振就可以驱动整个器件正常工作了。

图4 PTX105R芯片官方参考原理图及器件清单

在PTX105R芯片的下方则是评估板与Host连接接口选择跳线,由于PTX105R芯片支持3种方式与Host进行连接,因此,这里通过2组电阻来选择(如图5所示),通过在不同位置焊接电阻来确定接口方式。为了方便工程师评估,默认情况下开发套件选择UART->USB接口。

图5 Host接口选择跳线

而在接口跳线选择的下方则是电源输入选择跳线,可以看到提供了JMP_DCDC、JMP_VBUS、JMP_3V3_VCC等多种方式,默认情况下评估板采用的是USB方式供电,工程师们则可以根据实际项目的情况通过焊接电阻短接选择合适的供电方式。

图6 电源输入选择跳线

在整个板卡的最左边是一个USB Type C接口以及电源转换电路(如图7)。通过这个USB接口可以对板卡进行供电,同时也可以通过所连接CH340芯片实现USB转串口功能,完成对PTX105R芯片的功能进行评估,而在USB接口旁边则是三个用于Debug的LED灯,它们分别与TX、3V3、VCC连接,给予用户指示。

图7 USB接口及Debug灯

最后,是整个板卡的扩展部分,包括J2(图8)与J5(PMOD)(图9), 由于SPI接口、I2C接口、UART接口的引脚是复用的,因此通过J2或J5就能轻松地使用外部HOST通过上述三个接口进行控制。

图8 J2接口功能图

图9 J5(PMOD)接口功能图

软件资源

除了丰富的硬件资源外,瑞萨公司还为PTX105R设计提供了完善的软件生态。从原理图、软件协议栈、PC端软件到天线设计指南应有尽有。具体可以参考如下网址(PTX105R - Mid-power, Multi-protocol NFC Forum Compliant Reader | Renesas)。特别是瑞萨公司提供的硬件设计指南、多个版本的SDK开发包(OS版本和非OS版本)以及对应的移植手册更是让工程师们节约了开发的时间,加速产品上市的过程。

图10 官方提供的各种文档及软件

由于评估板默认是使用USB供电,且已经通过CH340芯片扩展出了UART接口,因此我们选择安装PC端软件NFC IoT Tuner 进行调试并评估芯片的性能。

在上述网址上找到下载链接,在进行确认以后,下载即可。

图11 NFC IoT Tuner软件下载

下载后的安装包中包含Linux和Windows两个版本的软件,工程师们可以根据自己的系统自由选择。在这里我们选择安装Windows版本的软件。双击安装包,在弹出的界面上勾选“"I agree to the License terms and conditions”后点击“Next”即可。

图12 NFC IoT Tuner软件安装

安装完成后,插上USB线,启动软件即可开始对PTX105R套件进行评估了。(但需要注意的是,若以前没有安装过USB转串口驱动则需要到以下网址(VCP Drivers - FTDI (ftdichip.com))下载安装后才能插入USB线缆)。首次启动需要在下图位置选择COM口的端口号(如图13中的红框处),下方的状态栏会显示当前的选择。

图13 选择端口

选择完成后,点击Start Discovery(图13中绿框处)评估板开始工作。此时等待用户刷卡,

图14 检测NFC卡

当我们将一张NFC卡靠近评估板的天线后,软件显示出当前读取的数据。

图15 读取NFC卡信息

除了基本的功能外,NFC IoT Tuner软件还提供了很多实用的功能供工程师们对芯片和设计进行评估,如:对于接收器用户可以设置增益,而对于发送器用户可以进行Power Setting、Wave shaping Type A/B ,以及LPCD Setting等等。而在应用层面,软件还提供了不同NFC卡在不同工作模式下的功能测试、校准及GPIO信号测试等多种应用,具体可以参考软件左边的树形列表框。

图16 发射器功耗测试

图17 Q值测试

最后,在所有的参数都设置好以后,NFC IoT Tuner软件还提供了一键导出dat文件和C源文件的功能,方便工程师们将配置快速导入到自己的项目中。

图18 一键导出的dat文件和C源文件

总结

PTX105R是一款非常适应于物联网应用的NFC读写器芯片,它具有灵敏度高、外围电路简单等诸多优点,而基于PTX105R的评估套件提供了多种扩展接口,工程师们可以快速上手使用。另外,瑞萨公司也为它们提供了丰富的软硬件设计资源和详尽的文档支持。若要了解更多细节,可以参考瑞萨官网 www.renesas.com

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(RENESAS)于2003年4月1日—由日立制作所半导体部门和三菱电机半导体部门合并成立。RENESAS结合了日立与三菱在半导体领域方面的先进技术和丰富经验,是无线网络、汽车、消费与工业市场设计制造嵌入式半导体的全球领先供应商。创立日期2003年4月1日公司法人董事长&CEO伊藤达业务范围单片机逻辑模拟等的系统LSI、分立半导体元件、SRAM等的存储器开发、设计、制造、销售、服务的提供。集团成员44家公司(日本20家,日本以外24家)年度销售额2006财年(截止至2007年3月):9526亿日元(约83亿美元)从业人员:26000人(全世界20个国家、43家公司)瑞萨科技是世界十大半导体芯片供应商之一,在很多诸如移动通信、汽车电子和PC/AV 等领域获得了全球最高市场份额。瑞萨集成电路设计(北京)有限公司苏州分公司(RDB-SU)是瑞萨科技全资子公司,2004年1月成立以来,现已拥有150多名优秀工程师,承担着家电和汽车电子领域MCU的一系列设计工作,并在2006年4月开始开发面向中国市场的MCU。

(RENESAS)于2003年4月1日—由日立制作所半导体部门和三菱电机半导体部门合并成立。RENESAS结合了日立与三菱在半导体领域方面的先进技术和丰富经验,是无线网络、汽车、消费与工业市场设计制造嵌入式半导体的全球领先供应商。创立日期2003年4月1日公司法人董事长&CEO伊藤达业务范围单片机逻辑模拟等的系统LSI、分立半导体元件、SRAM等的存储器开发、设计、制造、销售、服务的提供。集团成员44家公司(日本20家,日本以外24家)年度销售额2006财年(截止至2007年3月):9526亿日元(约83亿美元)从业人员:26000人(全世界20个国家、43家公司)瑞萨科技是世界十大半导体芯片供应商之一,在很多诸如移动通信、汽车电子和PC/AV 等领域获得了全球最高市场份额。瑞萨集成电路设计(北京)有限公司苏州分公司(RDB-SU)是瑞萨科技全资子公司,2004年1月成立以来,现已拥有150多名优秀工程师,承担着家电和汽车电子领域MCU的一系列设计工作,并在2006年4月开始开发面向中国市场的MCU。收起

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