TI NFC 产品在智能电视中的应用

 摘要

NFC 近场通信(Near Field Communication)是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触点对点数据传输 (在十厘米内) 交换数据。这个技术由射频识别技术(RFID)演变而来，且向下兼容RFID.通过在智能电视应用NFC 技术，便于智能手机等设备和电视机实现快速配对，分享内容。也可以实现带NFC 功能遥控器与NFC 电视的轻松配对，镜像模式在几秒内就能激活，并开始向大屏幕或家庭影院上传输流媒体内容。 其实NFC 技术也用在蓝牙的配对，手机支付，信息直接的交互与保存等应用。

1 NFC 智能电视的系统结构和总体设计方案

本文设计采用了TI 的TRF7970A transceiver IC 作为电视机端，RF430CL330H NFCTag 应用在遥控器端;在本系统中， 其基本功能应用如下：

· TRF7970A 可以通过和RF430CL330H 的相互通信，实现电视和遥控器之间的配对，也就是目前2.4GHz 数据传输前的配对;

· TRF7970A 可以和NFC 智能手机实现WiFi 的快速配对;

· RF430CL330H 可以和智能手机之间的通信，实现手机的数据信息转换到遥控器或者电视上面;

· 可以通过NFC 的空中接口对Firmware 的软件升级;

· TRF7970A 可以对标签的读写操作，实现电视的功能项选择;

图1 系统结构框图

TRF7970A 满足NFC 的三种功能通信方式：Reader/Write, Pear to Pear 和Card Emulaiton，完全满足ISO/IEC18092, ISO/IEC21481 的NFC 标准;可以完全与满足NFC 标准的设备端进行信息的交互，RF430CL330H 是一款动态的NFC Tag 芯片, 符合NFC Type 4 的标准，支持的数据速率可达848Kbps, SPI 接口可以MCU 进行有效的沟通。

2 硬件电路设计

2.1 TRF7970A 模块硬件电路设计

TRF7970A 是一款13.56MHz RFID 高集成度的射频前端芯片，完全支持NFC 的协议标准，通过对该芯片的ISO Control 寄存器进行配置，可以设置成为不同模式的工作状态;TRF7970A 支持SPI 和并口两种通讯接口模式，宽电压(2.7V~5.5V)供电，内部集成了LDO，支持5 种电源管理模式，在5V 供电的情况下输出功率可达200mW。接收回路有两路(RX1和RX2 )，相位相差90 度，保证接收的稳定和可靠性，其基本的硬件电路如下图所示：

图2 TRF7970A 射频前端电路

射频前端匹配到50 欧姆的射频阻抗，基本的匹配网络如下所示：

图3 TRF7970A 射频前端匹配网 

2.2 TRF7970A 天线匹配电路构建

TRF7970A 天线是一款50 欧姆的阻抗匹配天线，其基本的匹配电路如下所示：

图4 TRF7970A 天线匹配电路

由于天线的材质和尺寸大小不一样，每一款生产出来的TRF7970A 天线匹配电路天线都要做完整的天线匹配，根据设计的系统Q 值，天线的电感值来对射频前端的参数进行完整的匹配。

2.3 RF430CL330H 模块硬件电路设计

RF430CL330H 是一款满足NFC Type 4 的动态标签，支持ISO/IEC14443 Type B, 支持SPI和I2C 接口，有RF 唤醒功能的一款动态标签;其基本的硬件电路如下：

图5 RF430CL330H 基本参考电路

从该原理图可以看出，外面很少的外围器件就可以集成到别的芯片外围电路上去，以实现快速的 NFC 功能。在该遥控器项目中，RF430CL330H 及外围电路集成到遥控器的电路上，只是把线圈拿出来作为一个独立的模块，这样便于读写操作。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括智能电视应用中的各项功能的实现：有对TAG 的读取以获取特定电视或者网络节目的权限，有对蓝牙配对WIFI 配对的需求实现快速建立蓝牙与WIFI 的连接，另外电视可以通过P2P 功能获取手机相关图片，链接信息，实现信息的快速切换。也可以通过NFC 对Firmware 进行无线升级。

3.1 标签读取

TRF7970A 可支持ISO15693，ISO14443A/B 等标签的读取(如图6 所示)。

图6 TRF7970A 支持的卡片标准

3.2 蓝牙配对

根据NFC 论坛与蓝牙SIG 联盟定义的安全简易配对Bluetooth secure simple paring using NFC(NFCForum-AD-BTSSP)规范，将蓝牙配对信息(如下数组)通过MCU 写RF430CL330H 的NDEF 区域，当任何具有NFC 功能的设备，读取到该内容后将自动进行蓝牙配对的连接过程。

蓝牙的OOB 数据格式如图7 所示。包括OOB 数据长度，蓝牙设备地址与名称，设备种类以及UUID。

蓝牙的NDEF 写入信息数据结构如下：

Unsigned char NDEF_Application_Data[] =

{

//NDEF Tag Application Name

0xD2, 0x76, 0x00, 0x00, 0x85, 0x01, 0x01,

//Capability Container ID

0xE1, 0x03,

//Capability Container

0x00, 0x0F, //CCLEN

0x20, //Mapping version 2.0

0x00, 0x3B, //MLe (49 bytes); Maximum R-APDU data size

0x00, 0x34, //MLc (52 bytes); Maximum C-APDU data size

0x04, //Tag, File Control TLV (4 = NDEF file)

0x06, //Length, File Control TLV (6 = 6 bytes of data for this tag)

0xE1, 0x04, //File Identifier

0x0C, 0x02, //Max NDEF size (3072 bytes)

0x00, //NDEF file read access condition, read access without any security

0x00, //NDEF file write access condition; write access without any security

//NDEF File ID

0xE1, 0x04,

0x00, 0x44, //NLEN; NDEF length (68 byte long message)

0xD2, //MB=1b, ME=1b, CF=0b, SR=1b, IL=0b, TNF=010b

0x20, //Record Type Length: 32 octets

0x21, //payload length: 33 octets;

0x61, 0x70, 0x70, 0x6C, 0x69, 0x63, 0x61, 0x74, 0x69, 0x6F, 0x6E, 0x2F, 0x76,

0x6E, 0x64, 0x2E, 0x62, 0x6C, 0x75, 0x65, 0x74, 0x6F, 0x6F, 0x74, 0x68, 0x2E,

0x65, 0x70, 0x2E, 0x6F, 0x6F, 0x62, //Record Type Name: application/vnd.blue

//tooth.ep.oob

0x21, 0x00, //OOB optional data length: 33 octets

0x06, 0x05, 0x04, 0x03, 0x02, 0x01, //bluetooth device address:

//01:02:03:04:05:06 (example address only)

0x0D, //EIR Data Length: 13 octets

0x09, //EIR Data Type: Complete Local Name

0x48, 0x65, 0x61, 0x64, 0x53, 0x65, 0x74, 0x20, 0x4E, 0x61,0x6D, 0x65, //

//Bluetooth Local Name: HeadSet Name

0x04, //EIR Data Length: 4 octets

0x0D, //EIR Data Type: Class of device

0x04, 0x04, 0x20, //Class of Device: 0x20:Service Class=

//Audio, 0x04:Major Device Class=Audio/Video, 0x04: Minor Device Class=Wearable //Headset Device

0x05, //EIR Data Length: 5 octets

0x03, //EIR Data type: 16-bit Service Class UUID list (complete)

0x1E, 0x11, 0x0B, 0x11 //16-bit Service Class UUID list (complete) ;0x111E –

//HFP-HF, 0x011B ?A2DP-SNK

};

3.3 Peer to Peer

P2P 是基于NFC 论坛定义的Simple NDEF Exchange Protocol(NFCForum-TS-SNEP)规范，其主要流程如下。手机可以通过P2P 的功能将相关的信息例如图片，链接等与电视进行快速交互。

图8 P2P 的软件操作流程

在P2P 中设备分为主动模式Initiator 和被动模式Target。TRF7970A 既可以作为Initiator 也可以作为Target。相对来说Target 模式下能够有效节约功耗。

1. 主动模式：设备本身会产生RF 电磁场

2. 被动模式：设备使用感应的电磁场进行数据传输

图9 P2P 的工作模式

3.4 Firmware Update

将MCU 的BSL 功能与NFC 的技术互相结合，通过P2P 的方式实现软件升级。以TI 的MSP430 为例，BSL 的软件主要包括Peripheral Interface(PI)，Command Interface 以及BSL_API。BSL 的软件升级接口可以通过UART，SPI，那么将NFC 的接口与SPI 结合即可实现通过NFC 对软件的升级。如图10 所示。

图10 BSL 软件升级方式

其中NFC 的PI 主要包括三层：SPI 驱动，RFID 硬件接口(与TRF7970A 的接口)以及NFC(NFC 协议的实现，P2P)功能。

图11 NFC PI 结构

4 总结

随着NFC 近场通信功能的不断普及，以其传输速率快，安全性高等特点，在不同的领域都有着广泛的应用。尤其在授权，支付，蓝牙以及WIFI 配对方面有着突出的优势，将NFC 的应用引入智能电视，使得信息分享，通信连接更加方便快捷，将能够极大提升用户体验。