共享电动汽车 NFC 认证装置的硬件设计

朱福根1 熊树生2 李伟2 周彩玲2 (1. 浙江交通职业技术学院,杭州 311112;2. 浙江大学,杭州 310027)

Automobile Technology - - 目次 - …………………………………… 朱福根 熊树生 李伟 周彩玲 (

STM8AF52 PN512【摘要】为给无人值守共享电动汽车客户提供取、还车人机接口,基于 微控制器、 近场通信芯片设计出完整的电路原理图。制成电路板后,调整天线匹配电路中各电容、电感和电阻值确定射频电路的合理工作参数,并开展7 cm 5 mA,了控制器局域网通信可靠性测试。结果表明:近场通信天线 范围内通讯正常,电路模块的待机功耗小于 控制器1 200 h局域网通讯数据在连续 测试中无错漏,显示亮度能够满足人机交互要求。

1 前言

当前,电动汽车行业已在尝试租赁的共享经济模式,大部分租车业务需要客户到门店办理,取钥匙后解锁用车[1],这样势必造成运营成本居高不下,客户体验不佳。部分租赁公司在车辆上加装读卡器,对门锁线束进行改装实现刷卡取车,但线束改装带来了车辆使用的安全性和可靠性问题。此外,由于地下车库经常无法获得蜂窝信号的覆盖,手机远程控制无法满足这种使用场景下的车辆解锁。基于此,本文结合电动汽车共享运营的实际需求,

Near Field Communication,NFC)

提出一种近场通信( 认证装置的硬件设计架构,开展器件选型和电路设计,最后对硬件模块进行了测试。

2 需求分析

根据共享电动汽车的使用场景,在用车前需要解决 车辆选择、身份认证、解锁等问题,用车后需要上锁。落

LED

实到硬件层面:在车辆选择环节,需要有 指示灯告知用户该车当前的剩余电量和租赁状态;在身份认证环

NFC

节,采用 或者传统的刷卡方式实现;在解锁和上锁

CAN

环节,车身控制模块与 总线进行密钥认证后,由其

CAN

控制相应的门锁动作。此外,作为车辆的 总线节点,还需实现休眠唤醒等功能[2]。

目前市面上已有的读卡器主要是基于楼宇门禁、电子政务、公共交通等应用而开发的,该类读卡器若应用于车辆电子系统中则会不同程度地存在工作温度范围小、静态功耗大、通信接口无法对接车辆等局限性,无法满足前装汽车电子零件的一般性能要求。综合分析得

1

到表 所示的功能需求。

3 总体设计

由于硬件面向车辆应用,器件选型的原则是保证性

主题词:共享电动汽车 近场通信 射频天线 控制器局域网U463.67 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20172098中图分类号: 文献标识码: DOI:

NFC LED能可靠、成本最优。设计主要围绕 通讯、 显示

CAN CAN

和 接口展开。采用单颗内嵌 控制器的微控制

Micro Controller Unit,MCU)

单元( 集中控制的方案。

NFC 1 System on Chip,SoC)

功能由 颗系统级芯片( 实

CAN

现。电源和 接口的外围电路采用高集成度的集成

Integrated Circuit,IC)

电路( 来设计,以简化硬件电路,保

1证可靠性。硬件系统的总体架构如图 所示。

系统中同时存在数字电路和模拟电路。为了使两种电路相对隔离,同时考虑到电路板布置的灵活性和方便性,将主板和射频板分别印刷,并分别安装在底层和顶层,使射频板尽量靠近操作面。两块电路板之间用软排线进行连接,实现数据和电源信号的互联[3]。

4 详细设计 4.1 电源电路

认证装置由车辆蓄电池直接供电。同时,作为CAN CAN

总线节点,需满足整车 网络管理策略。认证装置的工作状态往往由与之配合工作的车载终端决定, PEN

因此在硬件上设计了 线与车载终端对接。当车载PEN

终端拉高 线,认证装置上电并进入工作状态;反之,认证装置断电并停止工作。

2

电源电路主要由 颗芯片搭建。一颗是型号为MPS2359 5V 1.2 A

的 输出开关电源芯片,具备 的峰值1 μA

输出电流和 的关断电流,满足电路的用电需求和 车辆长期停放时的静态功耗要求。另一颗为常用的线

3.3 V MCU性低压差 输出电源芯片,为射频芯片、 等电路供电[4]。

2

完整的电源电路如图 所示。为了提高认证装置电路模块沿电源线的瞬态抗扰性,在电源入口处设计了

D9 L3 L4瞬态抑制二极管 、差模和共模抑制电感 和 、压

KV1 C17 D6

敏电阻 以及电容 。其中 为防反接二极管,

F1

为过流保护熔丝。

4.2 NFC芯片及外围电路

NFC 13.56 MHz

技术工作于 频率下,作用距离约

7 cm[ ISO 18092 ECMA340 ETSI TS 102 190

5],其在 、 和 框

ISO 14443架下推动标准化,同时也兼容应用广泛的

Type- A B Felica

、 以及 标准非接触式智能卡的基础架

NFC

构。 的短距离交互大大简化了认证识别过程,使电子设备间互相访问更直接、更安全[6]。

PN512 NFC是飞利浦推出的一款低功耗 前端芯片,

AEC-Q100

满足 认证,适用于汽车电子产品[7],其天线部

3

分电路如图 所示。

4.3 天线及匹配电路

4.3.1 天线印制电路板设计

NFC Printed Circuit Board,天线由印制电路板( PCB) 4中的铜箔组成,其形态如图 所示。设计时,首先使天线的长、宽尺寸尽量大,圈数在允许的范围内尽可

PCB能多,其次应使天线内部的 覆铜区域尽可能小,以减少金属平面对天线阻抗特性的影响。最终设计的天

线基本参数如表 2 所示。 4.3.2

天线原理图设计

3 Electro天线匹配电路如图 所示,由电磁兼容性(

Magnetic Compatibility,EMC)

滤波电路、阻抗匹配电路

EMC

和天线电路组成[8]。 滤波电路用来减少调制阶段

13.56 MHz的幅值上升时间,增加接收带宽。在 的操作

EMC

频率下, 滤波电路和阻抗匹配电路共同把天线电

TX

路的阻抗变换为 引脚所需的阻抗。

3 L7 L8 0.3~3 μH 1 μH图 中, 、 选为推荐值 范围内的 。

C29 C34

、 的电容值为: C29 C34 L7式中, C为 或 电容值;为共振频率; f L为 或电感值。

1) L= 1 μH,

式( 中,取 共振频率要求在工作频率的上f= 14.4 MHz[限值附近,以获得频宽的最大化,此处取 9],计C= 120 pF C30 C37 C35 C36

算得 。电路中 和 、 和 并联使用,使电容器件选型更加灵活。

NXP C30 C35

通过参考 的官方设计案例,初步确定 、100 pF R38 R39 1 Ω,C37 C36

的电容值为 。 、 的阻值为 、

47 μF[

的电容值为 10]。

4.4 MCU及外围电路

MCU CAN根据本硬件系统的功能需求, 需要实现

NFC LED

数据解析、 芯片的读写控制以及 灯组的显示

8控制,不需处理大数据,逻辑相对简单。因此选定 位

MCU

作为主控芯片。同时考虑到成本和汽车级应用,

ST STM8AF52 24 MHz最终确定使用 公司的 。其具备 主

128 KB Flash, 2 KB EEPROM 1

频,高达 内置 的 和个

CAN - 40~125℃, AEC- Q100控制器。工作温度为 符合认证标准,非常适合车载电子应用[11]。

4.5 CAN接口

选择汽车电子行业广泛采用的恩智浦公司的高速 CAN TJA1042T/3, MCU CAN

收发器 与 内部的 控制器共

CAN

同构成 总线物理层结构。

5 CAN 3

如图 所示, 接口的保护电路主要由 部分组

D4 D7成:双向瞬态抑制二极管 和 用于消除瞬态干扰,

R19 R23 L2电阻 和 用于总线的阻抗匹配,共模抑制器

CAN

用于消除 通讯中的共模干扰。保护电路可有效滤

CAN除总线上的电磁辐射和高频干扰,保证 信号传输的可靠性。

4.6 指示及蜂鸣器

指示器用于显示当前电动汽车的剩余电池电量以

LED,及租赁状态,全部采用高亮 以保证室外阳光下的可见性。电池电量指示器用十段电量显示专用数模管

LED LED实现,租赁状态指示用三色 实现。 的驱动由

DTC143 NFC

三极管 组成。蜂鸣器的作用是在 或者卡

STM8AF52 1片数据交换成功时发出声音提醒。 带有 个

BEEP专用的蜂鸣器输出接口( 口),可以方便地调制为

1 kHz 2 kHz 4 kHz 6、 或者 的输出频率。电路设计如图所示。

5 测试验证 5.1 人机交互测试

试验所用的电路板如图 7 所示,将电路模块安装到

实际采用的外壳中进行各项测试。 首先对 LED 亮度和蜂鸣器开展主观评测。试验在LED

户外阳光照射下,由程序控制所有的 逐个点亮,同150°

时驱动蜂鸣器短响一声。要求测试员在 的视场范50 cm 3

围内,距离认证装置 进行观察。结果 组测试人LED

员均可轻松辨识出 灯的颜色和数量。

5.2 读写距离调试及优化

ISO 14443 Type A实测过程中,使用 类型的卡片进

CAN Value CAN行仿真刷卡,将认证装置的 口通过 设备

CAN

连接至电脑,对 报文的监测判断是否读到正确的卡片数据。测试目的是寻找到一组满足设计要求的天

3线匹配电路元件的参数值。如表 所示,在初步选定的

5

参数附近,设计了 组参数值,进行识别距离和波形的判定。 为在稳定的射频场载波包络波形下获得尽可能大

4

的识别距离,选定第 组参数。用示波器测试天线射频场,通过波形的震荡程度可以区分所设计的天线的品质

8 0因素是否合适。如图 所示,包络线从幅值接近 开始

1 μs,到幅值最大的上升时间小于 上升后无明显的波形

NFC 7.5 cm,震荡。并且, 识别距离达到 说明该组参数设计是合理的。

5.3 功耗测试

10 min用电流表对电路模块进行功耗测量,每隔 记

50

录一次数据,共测量 次,取平均值。结果表明,掉电工

1 μA, 52 mA, 85 mA况功耗 待机工况功耗 读写工况功耗 。

5.4 CAN通信可靠性测试

CAN Value CAN

用 总线测试工具 连接认证装置的

CAN PC 50接口,在 机上对其发送的周期报文进行连续

CAN

天的观察,未发现任何 总线错误。

6 结束语

8 STM8AF52 MCU NFC

采用 位 配合 前端芯片

PN512

等元件构成的车载认证装置硬件方案能够实现

NFC CAN

认证、 总线通信以及指示灯等功能。满足电动

NFC汽车共享租赁对认证装置的硬件需求。 天线的物理尺寸设计和匹配电路设计也能够实现正常的射频通信。射频电路板和主板隔离式的设计思路可行。同时,本文采用比较简易的方法确定了天线匹配电路元件的参数。可以借助阻抗分析仪对天线阻抗值进行精确测量,以进一步优化这些参数。

参考文献

[1] . [J]. , 2015李明 分时租赁:汽车租赁的发展方向 上海汽车

3):51-53+56.

[2] , , . NFC [J].于伟 何晟 周彤 基于 技术的汽车门禁系统设计

, 2016(6):115-120.

信息技术

[3] . NFC [J].

陈向阳 车载 标签近场通信应用 嘉应学院学报

, 2015, 33(5):24-31.

(自然科学)

[4] , , , . RF

王立峰 陈旭东 陶乐文 等 基于 微功率芯片的智能

[J]. , 2011, 30(6):46汽车遥控系统 自动化技术与应用

50.

[5] , , , . NFC

包先雨 徐胜林 郭云 等 基于 的智能防伪电子铅封

[J]. , 2014,37(11):107-110.系统研究 现代电子技术

[6] , , , . NFC

朱正伟 钱露 张南 等 一种利用 技术实现蓝牙快速

[J]. , 2016, 37(4):68-77.连接的研究 自动化仪表

[7] NXP Semiconductors. PN512 Full NFC Forum- Compliant

Frontend[EB/OL]. http://www.nxp.com, 2016.

[8] Ecma International. Near Field Communication Interface

and Protocol -2 (NFCIP-2): ECMA-352[S], 2003.

[9] NXP Semiconductors. AN1445 Antenna Design Guide for

PN51x[EB/OL]. http://www.nxp.com, 2010.

[10] NXP Semiconductors. Mifare Contactless Smart Card Reader Reference Design[EB/OL]. http://www.nxp.com, 2007.

[11] STMicroelectronics. STM8AF526x/8x/AxDatasheet[EB/OL].

www.st.com, 2015.

(责任编辑 斛畔) 2017 9 2修改稿收到日期为 年 月 日。

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