CN115484666B - 适用于物联网移动终端的低功耗nfc装置及降功耗方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种适用于物联网移动终端的低功耗NFC装置及降功耗方法，该低功耗NFC装置包括双线圈式NFC天线，所述双线圈式NFC天线包括外层线圈和内层线圈，所述外层线圈连接有NFC通信系统，所述内层线圈连接有耦合电感测试系统；所述NFC通信系统包括NFC控制器、低通滤波电路、接收调谐电路及第一天线调谐电路；所述耦合电感测试系统包括第二天线调谐电路、有源全桥整流电路及用于电压采样的MCU，所述有源全桥整流电路与所述MCU之间连接一测试电阻Rt；本申请技术方案解决了现有的NFC移动终端设备功耗高的问题。

Description

适用于物联网移动终端的低功耗NFC装置及降功耗方法
技术领域
本申请涉及NFC技术领域，特别涉及一种适用于物联网移动终端的低功耗NFC装置及降功耗方法。
背景技术
近场通信（Near Field Communication, NFC）技术现已被广泛应用在生活中，操作便捷、安全性高的特点使其成为园区门禁、智能门锁等产品实现身份识别的主流方案。随着用户习惯的养成，NFC技术也逐渐在物联网产品中被使用，但NFC的功耗对物联网产品续航的影响也成为业内的技术难题。众所周知，NFC的通信需要主要设备（读卡器）和次要设备（NFC卡）在近距离内经由磁场感应来完成。用户随身携带的NFC卡（例如门禁卡）属于次要设备，是不带电的无源设备，NFC卡只有进入读卡器的感应区域才能从磁场中获取能量完成通信。这就要求读卡器作为电能的提供方，需要不断得去扫描周边是否有NFC卡的存在，而扫描就意味着读卡器要通过天线向外辐射电磁场，因此产生的功耗是比较大的。传统做法是优先保障用户体验，设定固定的扫描周期，例如每秒钟扫描一次，以此达到及时响应的效果，但这种方法在功耗角度是最不经济的。因此现有技术中也有利用对用户行为习惯的大数据分析来减少扫描频次的方法，或者借助各种传感器来识别用户的刷卡动作再启动扫描功能的方法。但这些方法在物联网产品中常常难以实现，例如随车使用的智能锁，用户行为是难以预知的，因此作为NFC主要设备的物联网产品，对降低NFC功耗有着强烈的需求。
发明内容
本申请提出一种适用于物联网移动终端的低功耗NFC装置及降功耗方法，解决现有的NFC移动终端设备功耗高的问题。
本申请实施例提供一种适用于物联网移动终端的低功耗NFC装置，包括双线圈式NFC天线，所述双线圈式NFC天线包括外层线圈和内层线圈，所述外层线圈连接有NFC通信系统，所述内层线圈连接有耦合电感测试系统；
所述NFC通信系统包括NFC控制器、低通滤波电路、接收调谐电路及第一天线调谐电路；所述低通滤波电路包括依次连接在所述NFC控制器的TX1端口和TX2端口之间的第一电阻Lo、第一电容Co、第二电容Co及第二电阻Lo，所述NFC控制器的TVSS端口接地，所述NFC控制器的Rxn端口和Rxp端口分别连接有所述接收调谐电路，所述低通滤波电路和所述外层线圈之间连接有所述第一天线调谐电路；
所述耦合电感测试系统包括第二天线调谐电路、有源全桥整流电路及用于电压采样的MCU，所述内层线圈和所述有源全桥整流电路之间连接有所述第二天线调谐电路，所述有源全桥整流电路与所述MCU之间连接一测试电阻Rt；所述MCU的SPI端口与所述NFC控制器的SPI端口连接，所述MCU的GPIO端口与所述有源全桥整流电路连接。
一些实施例中，所述接收调谐电路分别包括依次连接的电容Crx和电阻Rrx。
一些实施例中，所述第一天线调谐电路包括分别与所述外层线圈两端连接的两电阻Rs，两所述电阻Rs另一端通过两电容C2连接，且两所述电阻Rs另一端分别通过一电容C1与所述低通滤波电路连接。
一些实施例中，所述第二天线调谐电路包括用于连接所述内层线圈两端的电容Cs和电容Cd。
一些实施例中，所述有源全桥整流电路包括第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3及第四场效应管Q4，所述MCU包括第一GPIO端口和第二GPIO端口，所述第一场效应管Q1和第四场效应管Q4与所述第一GPIO端口连接，所述第二场效应管Q2和第三场效应管Q3与所述第二GPIO端口连接。
一些实施例中，所述第一场效应管Q1的S极连接电压输入端，所述第一场效应管Q1的 D极连接电压输出端，所述第一场效应管Q1的G极连接所述MCU的第一GPIO端口；
所述第四场效应管Q4的G极连接所述MCU的第一GPIO端口，所述第四场效应管Q4的D极连接电压输入端，所述第四场效应管Q4的S极接地；
所述第二场效应管Q2的G极连接所述MCU的第二GPIO端口，所述第二场效应管Q2的S极连接电压输入端，所述第二场效应管Q2的D极连接电压输出端；
所述第三场效应管Q3的D极连接电压输入端，所述第三场效应管Q3的S极接地，所述第三场效应管Q3的G极连接所述MCU的第二GPIO端口。
一些实施例中，所述第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的D极与电压输出端之间连接一电容Cb。
本申请实施例还提出一种适用于物联网移动终端的低功耗NFC装置的降功耗方法，包括上述任一所述的低功耗NFC装置，该方法包括：
MCU与NFC控制器之间建立通信；
MCU控制NFC控制器进入休眠状态，使发射器以指定功率输出单一正弦波信号，关闭其他功能；
MCU对耦合电感测试系统输出的电压进行ADC采样，或MCU在指定电压范围对耦合电感测试系统输出的电压设定终端响应；
当耦合电感测试系统输出的电压超过设定阈值时，则唤醒NFC控制器启动读卡流程。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：利用双线圈式的NFC天线，把线圈之间的耦合量作为检测对象，替代了传统读卡器的TX端口阻抗检测方法，用相对较小的功耗完成目标设备（NFC卡）的在位检测，实现降功耗的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为传统NFC读卡器中TX端口电压、负载、电流的变化关系图；
图2为本申请双线圈式NFC天线结构示意图；
图3为本申请NFC装置电路原理图；
图4为本申请有源全桥整流电路与MCU之间连接示意图；
图5为本申请MCU、NFC控制器与有源全桥整流电路的逻辑关联图；
图6为本申请NFC天线内外线圈的信号耦合关系图；
图7为本申请待检目标设备进入读卡器的感应区域示意图；
图8为本申请NFC装置降功耗方法流程图；
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。
除非另有定义，本申请所使用的的所有技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
现有技术中，是读卡器作为NFC通信的发起设备，在NFC控制器（NFC Controller，NFCC）中设置阻抗检测模块，通过NFC控制器的TX端口轮询式的发送持续时间为微秒或毫秒级的射频信号给NFC天线，然后检测TX端口的阻抗变化。如果TX端口的阻抗变化达到预设的阈值，则判断环境中存在目标设备。如图1所示，NFC卡若进入读卡器的感应区域，要能引起读卡器控制器TX端口的阻抗变化，需要NFC卡从感应区域中获取足够的电能使自己工作起来。这就要求读卡器TX端口的输出电压要足够高，达到图1中横坐标轴中的激活点，让感应区内NFC天线辐射的电磁场达到一定的量级。也因此，意味着读卡器现有检测方法的功耗较大。
本实施例提出的一种适用于物联网移动终端的低功耗NFC装置，参考图2，包括双线圈式NFC天线101，所述双线圈式NFC天线101包括外层线圈和内层线圈，所述外层线圈连接有NFC通信系统，所述内层线圈连接有耦合电感测试系统；
参考图3，所述NFC通信系统包括NFC控制器104、低通滤波电路103、接收调谐电路105及第一天线调谐电路102；所述低通滤波电路103包括依次连接在所述NFC控制器104的TX1端口和TX2端口之间的第一电阻Lo、第一电容Co、第二电容Co及第二电阻Lo，所述NFC控制器104的TVSS端口接地，所述NFC控制器104的Rxn端口和Rxp端口分别连接有所述接收调谐电路105，所述低通滤波电路103和所述外层线圈之间连接有所述第一天线调谐电路102；
所述耦合电感测试系统包括第二天线调谐电路201、有源全桥整流电路202及用于电压采样的MCU203，所述内层线圈和所述有源全桥整流电路202之间连接有所述第二天线调谐电路201，所述有源全桥整流电路202与所述MCU203之间连接一测试电阻Rt；所述MCU203的SPI端口与所述NFC控制器104的SPI端口连接，所述MCU203的GPIO端口与所述有源全桥整流电路202连接。MCU203通过SPI端口与NFC控制器104建立数据通信， MCU203根据NFC控制器104的TX端口的输出状态再通过GPIO端口对有源全桥整流电路202进行状态控制，三者的逻辑控制关系详见图5。
进一步地，所述接收调谐电路105分别包括依次连接的电容Crx和电阻Rrx。
进一步地，所述第一天线调谐电路102包括分别与所述外层线圈两端连接的两电阻Rs，两所述电阻Rs另一端通过两电容C2连接，且两所述电阻Rs另一端分别通过一电容C1与所述低通滤波电路103连接。
进一步地，所述第二天线调谐电路201包括用于连接所述内层线圈两端的电容Cs和电容Cd。
进一步地，参考图4，所述有源全桥整流电路202包括第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3及第四场效应管Q4，所述MCU203包括第一GPIO端口和第二GPIO端口，所述第一场效应管Q1和第四场效应管Q4与所述第一GPIO端口连接，所述第二场效应管Q2和第三场效应管Q3与所述第二GPIO端口连接。
进一步地，所述第一场效应管Q1的S极连接电压输入端，所述第一场效应管Q1的 D极连接电压输出端，所述第一场效应管Q1的G极连接所述MCU203的第一GPIO端口；
所述第四场效应管Q4的G极连接所述MCU203的第一GPIO端口，所述第四场效应管Q4的D极连接电压输入端，所述第四场效应管Q4的S极接地；
所述第二场效应管Q2的G极连接所述MCU203的第二GPIO端口，所述第二场效应管Q2的S极连接电压输入端，所述第二场效应管Q2的D极连接电压输出端；
所述第三场效应管Q3的D极连接电压输入端，所述第三场效应管Q3的S极接地，所述第三场效应管Q3的G极连接所述MCU203的第二GPIO端口。
进一步地，所述第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的D极与电压输出端之间连接一电容Cb。
参考图6，当NFC控制器104的发射器TX端口以指定的功率输出正弦波射频信号时，耦合电感测试系统通过双线圈式NFC天线101内外层线圈的耦合关系能够接收到一定量级的射频信号，该信号通过有源全桥整流电路202转化为直流电加载到测试电阻Rt上，测试电阻Rt上的电压被MCU203的ADC端口完成幅值采样。当NFC装置的外部环境不存在NFC卡时，MCU203的ADC采样的电压值处于基本稳定状态。当NFC卡进入NFC装备的感应区域时（如图7），因为NFC卡实质上也是一个感性线圈，它会影响读卡器双线圈式NFC天线101内外层线圈的耦合量，从而引起ADC采样电压的变化，一旦电压变化超过指定的阈值，我们就可以认为感应区域内有目标设备（NFC卡）存在，接着MCU203可以通知NFC控制器104C启动读卡流程，具体地，参考图8，该方法包括：
MCU203与NFC控制器104之间建立通信；
MCU203控制NFC控制器104进入休眠状态，使发射器以指定功率输出单一正弦波信号，关闭其他功能；
MCU203对耦合电感测试系统输出的电压进行ADC采样，或MCU203在指定电压范围对耦合电感测试系统输出的电压设定终端响应；
当耦合电感测试系统输出的电压超过设定阈值时，则唤醒NFC控制器104启动读卡流程。
以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种适用于物联网移动终端的低功耗NFC装置，其特征在于，包括双线圈式NFC天线，所述双线圈式NFC天线包括外层线圈和内层线圈，所述外层线圈连接有NFC通信系统，所述内层线圈连接有耦合电感测试系统；
所述NFC通信系统包括NFC控制器、低通滤波电路、接收调谐电路及第一天线调谐电路；所述低通滤波电路包括依次连接在所述NFC控制器的TX1端口和TX2端口之间的第一电阻Lo、第一电容Co、第二电容Co及第二电阻Lo，所述NFC控制器的TVSS端口接地，所述NFC控制器的Rxn端口和Rxp端口分别连接有所述接收调谐电路，所述低通滤波电路和所述外层线圈之间连接有所述第一天线调谐电路；
所述耦合电感测试系统包括第二天线调谐电路、有源全桥整流电路及用于电压采样的MCU，所述内层线圈和所述有源全桥整流电路之间连接有所述第二天线调谐电路，所述有源全桥整流电路与所述MCU之间连接一测试电阻Rt；所述MCU的SPI端口与所述NFC控制器的SPI端口连接，所述MCU的GPIO端口与所述有源全桥整流电路连接。
2.如权利要求1所述的适用于物联网移动终端的低功耗NFC装置，其特征在于，所述接收调谐电路分别包括依次连接的电容Crx和电阻Rrx。
3.如权利要求1所述的适用于物联网移动终端的低功耗NFC装置，其特征在于，所述第一天线调谐电路包括分别与所述外层线圈两端连接的两电阻Rs，两所述电阻Rs另一端通过两电容C2连接，且两所述电阻Rs另一端分别通过一电容C1与所述低通滤波电路连接。
4.如权利要求1所述的适用于物联网移动终端的低功耗NFC装置，其特征在于，所述第二天线调谐电路包括用于连接所述内层线圈两端的电容Cs和电容Cd。
5.如权利要求1所述的适用于物联网移动终端的低功耗NFC装置，其特征在于，所述有源全桥整流电路包括第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3及第四场效应管Q4，所述MCU包括第一GPIO端口和第二GPIO端口，所述第一场效应管Q1和第四场效应管Q4与所述第一GPIO端口连接，所述第二场效应管Q2和第三场效应管Q3与所述第二GPIO端口连接。
6. 如权利要求5所述的适用于物联网移动终端的低功耗NFC装置，其特征在于，所述第一场效应管Q1的S极连接电压输入端，所述第一场效应管Q1的 D极连接电压输出端，所述第一场效应管Q1的G极连接所述MCU的第一GPIO端口；
所述第四场效应管Q4的G极连接所述MCU的第一GPIO端口，所述第四场效应管Q4的D极连接电压输入端，所述第四场效应管Q4的S极接地；
所述第二场效应管Q2的G极连接所述MCU的第二GPIO端口，所述第二场效应管Q2的S极连接电压输入端，所述第二场效应管Q2的D极连接电压输出端；
所述第三场效应管Q3的D极连接电压输入端，所述第三场效应管Q3的S极接地，所述第三场效应管Q3的G极连接所述MCU的第二GPIO端口。
7.如权利要求6所述的适用于物联网移动终端的低功耗NFC装置，其特征在于，所述第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的D极与电压输出端之间连接一电容Cb。
8.一种适用于物联网移动终端的低功耗NFC装置的降功耗方法，其特征在于， 包括权利要求1~7任一所述的低功耗NFC装置，该方法包括：
MCU与NFC控制器之间建立通信；
MCU控制NFC控制器进入休眠状态，使发射器以指定功率输出单一正弦波信号，关闭其他功能；
MCU对耦合电感测试系统输出的电压进行ADC采样，或MCU在指定电压范围对耦合电感测试系统输出的电压设定终端响应；当耦合电感测试系统输出的电压超过设定阈值时，则唤醒NFC控制器启动读卡流程。
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