CN102007705A - 低功率近场通信设备 - Google Patents

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Abstract

近场通信设备的功耗可以通过以下方式来调整：在检测到潜在外部近场设备时唤醒设备进行通信，以及调节谐振天线电路，来说明检测到的天线环境变化。这样的可以用于检测和读取外部RFID标签的近场通信设备，包括：谐振环形天线电路，包括天线和可变组件，天线电路是通过调节可变组件而可调谐的。天线具有用于近场通信的操作目标范围，并且电感易受到能够改变目标范围的干扰的影响。谐振环形天线电路连接至集成电路，集成电路包括：控制器，用于控制经由谐振环形天线电路的近场通信；电感检测电路，检测天线电感的变化；唤醒电路，响应于天线电感的足够变化，使控制器从低功率休眠模式转换到通信模式；以及天线调谐电路，调节谐振环形天线电路的可变组件，以补偿天线电感的变化，从而保持操作目标范围。

Description

低功率近场通信设备
技术领域
本发明总体上涉及近场通信设备，以及用于降低近场通信检测设备的功耗的电路。
背景技术
近场通信(NFC)是一种短距离无线通信技术，用于在相距几厘米到几十厘米的设备之间交换数据。针对NFC的一种示例应用是射频标识(RFID)，其中，读取器设备检测和获取来自配置有天线的标签的数据。典型地，NFC设备可以与被配置用于公认协议的任何设备(例如，智能卡、读取器、或标签)进行通信，并因此与现有非接触式基础设施相兼容。
NFC设备经由磁场感应进行通信，其中，两个环形天线位于彼此的近场内，有效地形成空心变压器。通常存在两种NFC模式：被动通信模式，其中发起设备提供载波场，并且目标设备通过调制现有的场来应答；以及主动通信模式，其中，发起设备和目标设备通过交替地产生它们自己的场来进行通信。为了在主动模式下进行操作，典型地，两个设备需要具有电源，而在被动模式下，目标设备可以从发起设备所提供的电磁场中汲取其工作功率。
支持NFC的设备包括那些可在卡模式、读取器模式以及对等模式下操作的设备，其中，卡模式响应于外部读取器所发送的命令，读取器模式向外部标签或卡发送命令并从外部标签或卡接收响应，对等模式与被配置用于对等模式通信的其他NFC设备交换数据。
发明内容
本发明的各个方面针对例如检测和读取外部RFID标签的近场通信设备。这样的设备包括具有天线和可变组件的谐振环形天线电路，通过调节可变组件，该天线电路是可调谐的。天线具有用于近场通信的操作目标范围、以及易受到可以改变该目标范围的干扰影响的电感。谐振环形天线电路连接至集成电路，集成电路包括：控制器，用于控制经由谐振环形天线电路发送和接收近场通信信号；电感检测电路，检测天线电感的变化，天线电感的变化指示了由于位于该设备邻近的外部对象而引起的干扰事件；唤醒电路，响应于电感检测电路检测到的天线电感的足够变化，使控制器从低功率休眠模式转换到通信模式；以及天线调谐电路，调节谐振环形天线电路的可变组件，以补偿天线电感的变化，从而保持操作目标范围。
本发明的各个方面还针对在如上所述近场通信设备中使用的方法。这样的方法包括：检测天线电感的变化；响应于检测天线电感的足够变化，使集成电路控制器从低功率休眠模式转换到通信模式；以及调节谐振环形天线电路的可变组件，以补偿检测到的天线电感变化，从而保持操作目标范围。
以上概述并不意在描述本公开的每个实施例或每个实施方式。以下附图和详细描述更具体地示例出了各个实施例。
附图说明
结合附图，考虑本发明各个实施例的以下详细描述，可以更完整地理解本发明，在附图中：
图1示意性示出了根据本发明特定实施例的示例近场通信设备；
图2示意性示出了根据本发明特定实施例的用于近场通信设备的谐振天线电路和电感检测电路；以及
图3示意性示出了根据本发明特定实施例的用于针对电感检测周期性地唤醒控制器的电路。
具体实施方式
本发明可修改为各种修改和备选形式，在附图中通过示例示出了本发明的具体内容，并将进行详细描述。然而，应理解，意图不限于针对具体实施例描述的本发明。相反，意图在于覆盖落在包括所附权利要求所限定的各个方面在内的本发明范围内的所有修改、等同物和备选方案。
本发明的实施例涉及用于检测和读取外部NFC设备(例如，RFID标签)的NFC通信设备。在示例实施例中，这样的NFC通信设备包括：电感检测电路，检测天线电感的变化，天线电感的变化指示了由于位于该设备邻近的外部对象而引起的干扰事件；唤醒电路，响应于天线电感的足够变化，使设备的控制器从低功率休眠模式转换到通信模式；以及天线调谐电路，调节天线电路的可变组件，以补偿电感检测电路检测到的天线电感的变化，保持操作目标范围，作为例如针对后续天线电感测量的基线。
根据本发明实施例的NFC通信设备使用谐振环形天线电路进行通信，该谐振环形天线电路易受到可以改变天线电感的干扰的影响。唤醒电路可以使用对因这样的干扰所引起的电感变化的检测，来确定是否应当将控制器从低功率休眠模式中转换出来，以尝试进行通信。这样，可以节约用于通信的功率，并且在确定存在潜在的外部NFC设备时消耗所述功率。根据特定实施例，使控制器从低功率休眠模式转换出来伴随着与潜在外部设备进行通信的尝试。如果重复的通信尝试没有遇到任何响应，则使控制器转换回到低功率休眠模式。
此外，根据特定实施例，天线调谐电路用于调节天线电路的可变组件，以补偿由于外部对象的干扰所引起的电感变化。对天线电感变化的后续检测可以参考上一次检测到的天线环境。例如，考虑检测到足以唤醒控制器的电感变化，并且在控制器尝试与对天线去调谐的对象进行通信未成功时对天线进行去调谐的情况。在调谐天线时，下次电感变化测量只有在参考受调节的天线而检测到足够电感变化时才再次唤醒控制器。以这种方式补偿天线干扰可以用于防止不必要地响应于在短时帧(例如，从一次电感测量到下次电感测量)内重复检测到相同干扰的存在而唤醒控制器。
本发明的各个实施例特别适合于在电池供电的近场通信(NFC)应用中使用，例如，在配备或者可以配备NFC功能的移动电话、PDA、膝上型计算机等设备中使用。根据特定实施例，可以通过允许用户简单地使NFC读取器设备足够接近另一NFC设备(例如，卡、读取器或对等端)来发起通信，以简化与NFC设备的用户交互的复杂性。本发明的实施例提供了在无需产生RF磁场的情况下检测潜在外部NFC设备，从而降低功率需求，并使得电池供电产品上的真正“魔幻触摸”实现方式成为可能。
自动设备检测通过检测由接近另一设备而引起的干扰，来触发通信尝试，而不需要其他用户动作。如果通信尝试不成功，则可以将读取器设备放置回到低功率休眠模式，以节约电池电量。在电池供电的NFC设备中，主动寻找要与该NFC设备进行通信的外部设备(例如，卡或标签)会大量耗用电池的电力。为了检测外部设备，产生RF磁场，并且发送命令，以期望找到设备。产生RF磁场涉及到使用几百毫瓦的功率，并且涉及到该场在相对较长时间(例如，几十毫秒)内处于开启(ON)状态。本发明的特定实施例提供了一种电路，该电路提供以如下方式对天线电感变化进行检测：该方式在相对有限的时间量(例如，几毫秒的量级)内使用相对有限的功率量(例如，几毫瓦的量级)。
图1从功能上示出了近场通信设备100，该近场通信设备100包括连接至集成电路(IC)130的谐振环形天线电路110。IC包括：通信控制器190；唤醒电路160，控制控制器的功率模式并响应于电感检测电路140；以及天线调谐电路180，基于电感检测电路140的测量，对天线电路应用调节因子。电感检测电路140可以基于占空比进行操作，使得电感检测电路140周期性地探测天线电路110，以进行电感测量。如果天线电路的电感从操作目标范围(该范围可以通过调谐电路180来调节)的变化超过阈值量，则唤醒电路160进行操作，将控制器190从低功率休眠模式转换到通信模式。在通信模式中，控制器190对信号进行处理并经由谐振环形天线电路110发送该信号，并且控制器190能够经由谐振环形天线电路110接收信号以进行处理。天线调谐电路180可以使用电感检测电路140所执行的电感测量来调节谐振环形天线电路110的可变组件，以将天线电路保持在操作目标范围内。
应认识到，除可读NFC设备(例如，标签和卡)之外的其他对象也可以修改天线电感。例如，与NFC读取器设备紧密接近的各种金属对象(例如汽车钥匙)可以引起足以唤醒IC来进行通信尝试的电感变化。根据特定实施例，当因检测到的天线电感变化而使IC从低功率休眠模式转换到通信模式时，以设定次数尝试与外部对象进行近场通信(例如，5次尝试)。在成功的通信尝试之后进行正常通信。如果在设定次数的尝试之后，没有接收到任何应答，则可以使IC转换回到低功率休眠模式。
在非NFC外部干扰对象持续存在于NFC读取器设备附近的情况下，会存在每次检查天线电感都使IC从休眠模式中转换出来以尝试进行通信的风险。这样，根据特定实施例，可以使用天线调谐电路来补偿由于外部对象的存在而导致的天线去调谐(de-tuning)。这具有以下效果：为下次天线电感变化检测设定新的基线，以帮助避免由于同一非NFC外部对象的干扰导致的不必要的IC唤醒。
在特定实施例中，天线调谐电路被配置为使用电感检测电路所测量的基于天线的振荡器频率，来计算电感，然后调节天线电路的可调节组件的值来进行补偿。例如，调谐电路可以使用查找表，使得将所计算的电感值与查找表中的值进行匹配，以调节天线电路的可调节组件。在示例实施例中，可调节组件是谐振天线电路的电容。例如，天线电路电容器可以是压控可变电容器，并且调谐电路所施加的值是适当的电压。目的是要调节天线电路，使得在下次测量期间电感检测电路所检测到的频率参考上一次测量，从而只有在自从上次检测到的变化以来环境已经发生改变时，才唤醒IC。
图2示意性示出了适合于与本发明的特定实施例一起使用的示例电路。谐振环形天线电路110包括连接至地144的环形天线112，环形天线具有与电容并联的特征电感，以建立谐振电路。如图2所示，电容由串联电容器116A和116B形成，如以下详细描述的，串联电容器116A和116B在开关142A和142B闭合时连接至地144。添加电阻器118A和118B以提供对天线质量因子的控制。
图2还示出了添加在天线电路110与IC 130之间以减小电磁干扰(EM)的组件，例如EMI滤波器150。EMI滤波器包括如所示连接的电感器156A和156B、电容器152A和152B、以及地154。在EMI滤波器150与天线电路110之间添加电容器122A和122B，以将天线阻抗与EMI滤波器匹配。EMI滤波器150经由输入/输出管脚(I/O)135A和135B连接至IC 130。
图2还示出了容纳在IC 130中并经由I/O 131A和131B连接至谐振天线电路110的电感检测电路140，I/O 131A和131B进而路由至电感检测电路140的内部开关142A和142B。开关142A和142B受到控制，在通信模式(开关闭合)与电感测量模式(开关断开)之间进行切换。在通信模式中，开关142A和142B将电容器116A和116B连接至地144。在电感测量模式中，开关142A和142B将电容器116A和116B连接至振荡器146，如下所述，振荡器146提供可以与天线电感相关的输出频率Freq。
可以从2所示电路认识到，在本发明的特定实施例中，电感检测电路被配置为使用低电压CMOS技术来实现。参照图2，将天线电路110的电容分成两个电容器116A和116B。
这些电容器的地连接是通过两个开关142A和142B的，开关142A和142B可以是简单的NMOS组件，并因此具有低电压。在通信模式中，开关142A和142B闭合，并且在它们的漏极和源极上获得0V。在电感监测模式中，开关142A和142B在它们的源极上获得0V，在它们的漏极上获得低电压(例如，对于1.8V振荡器控制电路，该低电压大约为1.8V)。
使用嵌入在IC 130中的微控制器，振荡器146所产生的频率Freq可以通过任何适合的技术来测量。例如，可以将振荡器146的输出提供给定时器160，定时器160具有专用捕获输入。例如，可以使用软件或固件控制来设定一个或多个阈值，所述阈值用于判定所测量的频率(以及由此天线电感)是否已经发生足以唤醒整个IC来进行正常通信的变化。
在检测和测量天线电感变化时，可以使用振荡器来检测天线电路的谐振频率(Freq)的变化，谐振频率可以通过以下关系与天线电路的电容(CP)和电感(LANT)相关：
F＝1/[Sqrt(CP×LANT)]
在图2所示的示例电路中，开关142A和142B控制两个天线电路电容器116A和116B连接至地144(在标准操作模式中)或者至振荡器电子驱动器146(在电感测量模式中)。这可以通过将两个电容器116A和116B的第二管脚连接至IC管脚131A和131B，而不是直接连接至地，来完成。在标准模式中，使用内部开关将天线电路电容器连接至地。在激活电感测量模式时，认为该开关是断开(OFF)的。可以使用相对较低量的电流来执行电感测量模式。例如，典型的振荡器消耗大约1mA，典型的基于微控制器的测量系统消耗大约1mA。测量可以在几毫秒(例如，大约5毫秒或更少)内完成。
检测潜在外部NFC设备涉及到监控对干扰加以指示的天线电路的变化。尽管已经从测量频率变化方面描述了针对天线去调谐的监控，但是天线的去调谐也可以通过其他手段来检测，包括监控天线电路的电压变化。然而，许多设备具有基于调谐原理进行操作的天线电路，调谐原理尝试使天线阻抗尽可能保持恒定，从而产生更恒定的电压并导致电压监控有效性低。在这样的情况下，可以基于电压/电流相移来检测天线去调谐。
图3示出了IC内示例电感检测唤醒功能。振荡器146所提供的Freq信号提供至定时器162的输入信号164，以确定频率。使用集成的低功率低频振荡器168来调整唤醒定时器166，唤醒定时器166使控制器190从低功率休眠模式转换到电感测量模式。在电感测量模式中，根据测量的频率来确定电感变化，如果电感变化大于阈值，则使IC转换到通信模式，以尝试与感知到的外部设备进行通信。
如上所述，根据特定实施例，通过将IC 130置于低功率休眠模式中且周期性地激活电感测量，来显著减小NFC读取器设备所消耗的平均电流。例如，电感检测电路可以基于占空比进行操作，使得该电感检测电路每零点几秒(例如，每0.5秒)检查一次天线电感的变化。集成低功率/低速振荡器可以用于唤醒微控制器从低功率休眠模式转换到正常通信模式。在这种情况下，如果每0.5sec电感检测电路工作5msec，且在电感测量期间所消耗的总电流大约为2mA，则总电流大约为20μA(即，0.002A×0.005sec/0.5sec＝20μA)。
除了上述以外，这里所描述的各种处理方法可以使用各种设备和方法来实现，包括实现专用软件的通用处理器、数字信号处理器、可编程逻辑阵列、分立逻辑组件、以及诸如PLA(可编程逻辑阵列)之类的全可编程和半可编程电路。例如，以上算法可以结合特定实施例在微型计算机(也被称作微处理器)上执行，并且也可以实现为图中所示一个或多个设备的一部分。
将认识到，本发明的特定实施例可以集成到现有NFC读取器设备中，而不需要额外的外部组件。然而，本发明也包括在IC外部提供各个电路组件的实现方式。将认识到，这里所描述的电路可以使用标准工艺和技术来制造。尽管已经在上述和所附权利要求中描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不背离本发明精神和范围的前提下，可以对本发明进行许多修改。

Claims (17)

1.一种用于检测和读取外部RFID标签的近场通信设备(100)，包括：
谐振环形天线电路(110)，包括天线(112)和可变组件，所述天线具有针对近场通信的操作目标范围，其中，天线电感易受到能够改变该目标范围的干扰的影响，天线电路(110)是能够通过调节所述可变组件而被调谐的；以及
集成电路(130)，连接至谐振环形天线电路(110)，集成电路(130)包括：
控制器(190)，用于控制经由谐振环形天线电路(110)发送和接收近场通信信号；
电感检测电路(140)，检测天线电感的变化，其中天线电感的变化指示了由于位于所述设备(100)邻近的外部对象而引起的干扰事件；
唤醒电路(160)，响应于电感检测电路(140)所检测到的天线电感的足够变化，使控制器(190)从低功率休眠模式转换到通信模式；以及
天线调谐电路(180)，调节谐振环形天线电路的可变组件，以补偿由电感检测电路(140)检测到的天线电感的变化，从而保持所述操作目标范围。
2.根据权利要求1所述的近场通信设备，其中，控制器(190)被配置为，响应于唤醒电路(160)使控制器(190)转换到通信模式，尝试与对象进行近场通信。
3.根据权利要求2所述的近场通信设备，其中，唤醒电路(160)被配置为，响应于与对象进行近场通信的尝试的失败，使控制器(190)从通信模式转换到低功率休眠模式。
4.根据权利要求3所述的近场通信设备，其中，与对象进行近场通信的尝试失败是通过进行设定次数的读取对象的尝试而没有接收到应答来确定的。
5.根据权利要求1所述的近场通信设备，其中，检测电路(140)包括能够以开关(142A/142B)方式连接至谐振环形天线电路(110)的振荡器(146)，振荡器(146)产生可用于确定天线电感的频率输出(Freq)。
6.根据权利要求5所述的近场通信设备，其中，检测电路(140)基于占空比进行操作。
7.根据权利要求1所述的近场通信设备，其中，谐振环形天线电路(110)包括电阻器(118A/118B)来控制天线质量因子。
8.根据权利要求1所述的近场通信设备，其中，谐振环形天线电路(110)的可变组件包括压控可变电容器(116A/116B)。
9.根据权利要求1所述的近场通信设备，其中，天线调谐电路(180)根据存储在查找表中的调节值，调节谐振环形天线电路(110)的可变组件。
10.一种在近场通信设备(100)中使用的方法，所述近场通信设备(100)使用谐振环形天线电路(110)和集成电路(130)来检测和读取外部RFID标签，所述谐振环形天线电路(110)包括天线(112)和可变组件，所述天线(112)具有针对近场通信的操作目标范围，其中，天线电感易受到能够改变该目标范围的干扰的影响，天线电路(110)是能够通过调节所述可变组件而被调谐的，所述集成电路(130)连接至谐振环形天线电路(110)，所述集成电路(130)包括用于控制经由谐振环形天线电路(110)发送和接收近场通信信号的控制器(190)，所述方法包括：
检测(140)天线电感的变化；
响应于检测到天线电感的足够变化，使集成电路控制器(190)从低功率休眠模式转换(160)到通信模式；以及
调节(180)谐振环形天线电路(110)的可变组件，以补偿检测到的天线电感的变化，从而保持所述操作目标范围。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：响应于使控制器(190)转换(160)到通信模式，尝试近场通信。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：响应于尝试近场通信的失败，使控制器(190)从通信模式转换(160)到低功率休眠模式。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，尝试近场通信的失败是通过进行设定次数的尝试而没有接收到应答来确定的。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，检测(140)天线电感的变化包括：控制开关(142A/142B)将谐振环形天线电路(110)连接至振荡器(146)，振荡器(146)产生可用于确定天线电感的频率输出(Freq)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，开关(142A/142B)是根据占空比来控制的。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，调节(180)谐振环形天线电路(110)的可变组件包括：调节谐振环形天线电路(110)的压控可变电容器(116A/116B)。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，调节(180)谐振环形天线电路(110)的可变组件包括：使用查找表，将检测到的电感变化与存储在查找表中的调节值进行比较。
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