NXP PN512：高性能NFC前端芯片的全面解析

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，近場通信（NFC）技術(shù)已經(jīng)成為了一項至關(guān)重要的功能。它廣泛應(yīng)用于移動支付、門禁系統(tǒng)、智能交通等領(lǐng)域，為人們的生活帶來了極大的便利。NXP的PN512作為一款被廣泛采用的NFC前端芯片，每年支撐著超過100億次的NFC交易，其性能和穩(wěn)定性備受認(rèn)可。今天，我們就來深入了解一下這款芯片。

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一、芯片概述

1.1 基本信息

PN512是一款高度集成的NFC前端芯片，工作頻率為13.56 MHz。它采用了出色的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了多種非接觸式通信方法和協(xié)議，支持四種不同的操作模式，包括支持ISO/IEC 14443A/MIFARE和FeliCa方案的讀寫器模式、支持ISO/IEC 14443B的讀寫器模式、支持ISO/IEC 14443A/MIFARE和FeliCa方案的卡操作模式以及NFCIP - 1模式。

1.2 不同版本

PN512有三個版本可供選擇，分別是版本2.0（PN5120A0HN1/C2、PN5120A0HN/C2、PN5120A0ET/C2）、工業(yè)版本（PN512AA0HN1/C2、PN512AA0HN1/C2BI）和版本1.0（PN5120A0HN1/C1、PN5120A0HN/C1）。其中，工業(yè)版本符合汽車電子委員會AEC - Q100 3級的汽車認(rèn)證，但需要注意的是，該產(chǎn)品并非專為汽車應(yīng)用設(shè)計，在質(zhì)量和故障分析方面可能無法達(dá)到專門為汽車應(yīng)用設(shè)計的產(chǎn)品水平。

二、芯片特性與優(yōu)勢

2.1 技術(shù)授權(quán)與設(shè)計優(yōu)勢

PN512包含NXP ISO/IEC14443 - A、Innovatron ISO/IEC14443 - B和NXP MIFARE Crypto 1的知識產(chǎn)權(quán)許可權(quán)，這為開發(fā)者提供了快速且經(jīng)濟(jì)高效的NFC設(shè)計起點。同時，其高度集成的模擬電路能夠?qū)憫?yīng)進(jìn)行解調(diào)和解碼，緩沖輸出驅(qū)動器只需最少的外部組件就能連接天線，大大簡化了設(shè)計過程。

2.2 功能支持與性能表現(xiàn)

該芯片支持ISO/IEC 14443 A/MIFARE和ISO/IEC 14443 B的讀寫模式，在讀寫模式下的典型操作距離可達(dá)50 mm（具體取決于天線尺寸和調(diào)諧），在NFCIP - 1模式下的典型操作距離也可達(dá)50 mm（取決于天線尺寸、調(diào)諧和電源供應(yīng)），在ISO/IEC 14443A/MIFARE卡或FeliCa卡操作模式下的典型操作距離約為100 mm（取決于天線尺寸、調(diào)諧和外部場強）。此外，它還支持MIFARE Classic加密，能夠?qū)崿F(xiàn)ISO/IEC 14443A的高速通信（212 kbit/s和424 kbit/s）以及FeliCa方案的非接觸式通信（212 kbit/s和424 kbit/s），集成的RF接口支持NFCIP - 1高達(dá)424 kbit/s的傳輸速度。

2.3 電源與接口特性

PN512支持多種電源供應(yīng)，包括模擬電源、數(shù)字電源和發(fā)射電源等。其典型工作電流在不同模式下有所不同，在典型電路操作中，總電流低于100 mA。同時，該芯片還實現(xiàn)了多種主機控制器接口，如8位并行接口（僅HVQFN40封裝可用）、SPI接口、串行UART接口和I2C接口，方便與不同的主機設(shè)備進(jìn)行通信。

三、功能詳細(xì)解析

3.1 ISO/IEC 14443 A/MIFARE功能

在ISO/IEC 14443 A/MIFARE讀寫模式下，物理層通信采用特定的參數(shù)和編碼方式。從讀寫器到卡片的傳輸采用100% ASK調(diào)制和修改后的米勒編碼，不同傳輸速度下的比特長度和子載波頻率也有所不同。芯片的非接觸式UART和專用外部主機負(fù)責(zé)管理完整的ISO/IEC 14443 A/MIFARE協(xié)議，內(nèi)部的CRC協(xié)處理器會根據(jù)協(xié)議計算CRC值，并處理奇偶校驗。

3.2 ISO/IEC 14443 B功能

PN512支持ISO/IEC 14443 B的讀寫器通信方案的所有層，但需要正確實現(xiàn)額外的組件，如振蕩器、電源、線圈等，并正確實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，如ISO/IEC 14443 - 4和/或ISO/IEC 14443B防沖突協(xié)議。

3.3 FeliCa功能

為了啟用FeliCa通信，需要發(fā)送6字節(jié)的前導(dǎo)碼（00h, 00h, 00h, 00h, 00h, 00h）和2字節(jié)的同步字節(jié)（B2h, 4Dh）來同步接收器。后續(xù)的長度字節(jié)表示發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)的長度加上長度字節(jié)本身，CRC計算按照FeliCa定義進(jìn)行。

3.4 NFCIP - 1模式

NFCIP - 1通信分為主動和被動通信模式。主動通信模式下，發(fā)起者和目標(biāo)都使用自己的RF場來傳輸數(shù)據(jù)；被動通信模式下，目標(biāo)以負(fù)載調(diào)制方案響應(yīng)發(fā)起者的命令，發(fā)起者負(fù)責(zé)生成RF場。PN512支持在106 kbit/s、212 kbit/s和424 kbit/s的傳輸速度下的主動和被動通信模式，以完全支持NFCIP - 1標(biāo)準(zhǔn)。

四、寄存器配置與操作

4.1 寄存器概述

PN512的寄存器涵蓋了多個頁面，包括命令和狀態(tài)頁面、通信頁面、配置頁面和測試寄存器頁面等。不同的寄存器具有不同的功能，如選擇寄存器頁面、控制命令執(zhí)行、處理中斷請求、檢測錯誤狀態(tài)等。

4.2 各頁面寄存器功能

• 命令和狀態(tài)頁面：包含PageReg（選擇寄存器頁面）、CommandReg（啟動和停止命令執(zhí)行）、CommIRqReg（包含中斷請求位）等寄存器，用于管理芯片的基本操作和狀態(tài)。
• 通信頁面：涉及ModeReg（定義模式相關(guān)參數(shù)）、TxModeReg（控制傳輸模式）、RxModeReg（控制接收模式）等寄存器，確保芯片在不同通信模式下的正常工作。
• 配置頁面：有CRCResultReg（顯示CRC計算結(jié)果）、GsNOnReg（選擇天線驅(qū)動器導(dǎo)通電阻）、TModeReg（定義定時器設(shè)置）等寄存器，用于對芯片的各種參數(shù)進(jìn)行配置。
• 測試寄存器頁面：包含TestSel1Reg（通用測試信號配置）、TestPinEnReg（啟用8位并行總線上的引腳輸出驅(qū)動器）等寄存器，主要用于生產(chǎn)測試和系統(tǒng)調(diào)試。

五、數(shù)字接口與通信

5.1 自動微控制器接口檢測

PN512支持直接與使用SPI、I2C - bus或串行UART接口的主機進(jìn)行連接。在進(jìn)行上電或硬復(fù)位后，芯片會自動重置其接口并檢查當(dāng)前的主機接口類型，通過感應(yīng)控制引腳的邏輯電平來識別主機接口。

5.2 SPI接口通信

SPI接口支持高速通信，最高數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)10 Mbit/s。在SPI通信中，PN512作為從設(shè)備，接收來自外部主機的寄存器設(shè)置數(shù)據(jù)，并發(fā)送和接收與RF接口通信相關(guān)的數(shù)據(jù)。讀寫數(shù)據(jù)時需要遵循特定的字節(jié)順序，數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿保持穩(wěn)定，下降沿可以改變。

5.3 UART接口通信

UART接口可實現(xiàn)異步數(shù)據(jù)傳輸，支持多種可選的傳輸速度，最高可達(dá)1228.8 kBd。其幀格式包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。通過設(shè)置地址字節(jié)的MSB位可以選擇讀寫模式，數(shù)據(jù)字節(jié)可以直接在地址字節(jié)之后發(fā)送。

5.4 I2C接口通信

I2C接口是一種低成本、低引腳數(shù)的串行總線接口，PN512只能作為從設(shè)備工作。它支持標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式和高速模式，數(shù)據(jù)傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100 kBd，快速模式下可達(dá)400 kBd，高速模式下可達(dá)3.4 Mbit/s。在I2C通信中，需要遵循特定的起始和停止條件、字節(jié)格式和應(yīng)答規(guī)則。

六、模擬接口與相關(guān)功能

6.1 接觸less UART

集成的非接觸式UART支持外部主機在線進(jìn)行協(xié)議要求的成幀和錯誤檢查，最高可達(dá)848 kBd。它與主機協(xié)作處理通信協(xié)議的要求，生成位和字節(jié)導(dǎo)向的幀，并處理奇偶校驗和CRC等錯誤檢測。

6.2 TX驅(qū)動器

TX1和TX2引腳的信號是由包絡(luò)信號調(diào)制的13.56 MHz能量載波，可以直接驅(qū)動天線。通過調(diào)整驅(qū)動器的阻抗可以設(shè)置調(diào)制指數(shù)，相關(guān)寄存器如TxControlReg、CWGsPReg和ModGsPReg用于控制信號配置。

6.3 RF電平檢測器

RF電平檢測器的靈敏度可以通過RFCfgReg寄存器中的RFLevel位在4位范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，其靈敏度取決于天線配置和調(diào)諧。不同的靈敏度級別對應(yīng)著RX引腳的不同電壓值。

6.4 數(shù)據(jù)模式檢測器

數(shù)據(jù)模式檢測器可以檢測MIFARE、FeliCa或NFCIP - 1模式，以便內(nèi)部接收器為解調(diào)信號做好準(zhǔn)備。它只能通過AutoColl命令激活，當(dāng)沒有檢測到外部RF場時會重置。

6.5 串行數(shù)據(jù)開關(guān)

串行數(shù)據(jù)開關(guān)由TxSelReg和RxSelReg寄存器控制，允許將PN512的模擬塊連接到另一個設(shè)備的數(shù)字塊。SIGIN和SIGOUT引腳可以處理高速數(shù)字NFC信號，還可以用于啟用S2C接口，實現(xiàn)與安全I(xiàn)C的通信。

6.6 S2C接口支持

S2C接口提供了將安全I(xiàn)C直接連接到PN512的可能性，使其能夠作為非接觸式智能卡IC工作。在FeliCa和ISO/IEC 14443A/MIFARE方案中，SIGIN和SIGOUT引腳的信號形狀和處理方式有所不同。

6.7 FeliCa和NFC輪詢的硬件支持

在發(fā)起者模式下，PN512的定時器可以在每個時隙結(jié)束時生成中斷，接收器可以連續(xù)接收數(shù)據(jù)包，內(nèi)部UART會在每個接收到的數(shù)據(jù)包末尾添加一個字節(jié)來指示數(shù)據(jù)包是否正確。在目標(biāo)模式下，主機需要配置正確的輪詢響應(yīng)參數(shù)，激活A(yù)utoColl命令后，PN512會接收發(fā)起者的輪詢命令并做出響應(yīng)。

七、電源管理與振蕩器

7.1 電源管理模式

• 硬掉電模式：當(dāng)NRSTPD引腳置為LOW時，進(jìn)入硬掉電模式，所有內(nèi)部電流源關(guān)閉，包括振蕩器，數(shù)字輸入緩沖器與輸入引腳分離。
• 軟掉電模式：將CommandReg寄存器的PowerDown位設(shè)置為邏輯1后，立即進(jìn)入軟掉電模式，所有內(nèi)部電流源關(guān)閉，但數(shù)字輸入緩沖器保持功能，寄存器值和FIFO緩沖區(qū)內(nèi)容保持不變。退出軟掉電模式需要1024個時鐘周期。
• 發(fā)射機掉電模式：通過將TxControlReg寄存器的Tx1RFEn位或Tx2RFEn位設(shè)置為邏輯0，可以進(jìn)入發(fā)射機掉電模式，關(guān)閉內(nèi)部天線驅(qū)動器，從而關(guān)閉RF場。

7.2 振蕩器電路

PN512的振蕩器電路使用27.12 MHz的石英晶體提供時鐘信號，為同步系統(tǒng)的編碼器和解碼器提供時間基準(zhǔn)。時鐘頻率的穩(wěn)定性對芯片的正確操作至關(guān)重要，建議使用內(nèi)部振蕩器緩沖器以獲得最佳性能。

八、命令集與測試

8.1 命令集概述

PN512的操作由狀態(tài)機控制，通過向CommandReg寄存器寫入命令代碼來執(zhí)行命令，必要的參數(shù)和數(shù)據(jù)通過FIFO緩沖區(qū)進(jìn)行交換。不同的命令具有不同的行為和處理方式，如Idle命令用于將芯片置于空閑模式，Config命令用于存儲和讀取配置數(shù)據(jù)等。

8.2 測試功能

芯片具有數(shù)字自測試功能，通過一系列特定的操作步驟可以啟動自測試。測試總線用于生產(chǎn)測試，可以將內(nèi)部信號路由到數(shù)字接口，方便系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試。

九、應(yīng)用設(shè)計與注意事項

9.1 典型電路設(shè)計

文檔中給出了一個典型的電路原理圖，展示了如何將天線與PN512進(jìn)行互補連接。天線的調(diào)諧和RF部分的匹配可以參考“NFC Transmission Module Antenna and RF Design Guide”應(yīng)用筆記。

9.2 注意事項

在使用PN512時，需要注意其工作條件和限制，如電源電壓范圍、輸入輸出特性、溫度范圍等。同時，不同版本的芯片可能存在一些差異，需要仔細(xì)參考文檔進(jìn)行設(shè)計。此外，對于非汽車認(rèn)證的產(chǎn)品，不適合用于汽車應(yīng)用，使用時需自行承擔(dān)風(fēng)險。

NXP PN512是一款功能強大、性能穩(wěn)定的NFC前端芯片，通過對其各方面特性和功能的深入了解，工程師可以更好地將其應(yīng)用到實際項目中，開發(fā)出高質(zhì)量的NFC產(chǎn)品。在設(shè)計過程中，務(wù)必嚴(yán)格遵循文檔中的要求和建議，確保芯片的正常工作和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。你在使用PN512的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。