Entwicklungsplatine mit Software für den Schnellstart

Bild 2:

Bild 2: NFC-Entwicklungsboards bestehen aus Antenne, NFC-Frontend und 32-Bit-Mikrocontroller samt Firmware, der frei programmierbar die gesamte Applikation laden kann. NXP

Für die Prototypen-Entwicklung bietet NXP verschiedene NFC-Entwicklungsboards an und erklärt die Entwicklungsschritte am Beispiel des verbreiteten CLEV663B (Bild 2). Die Schaltung verwendet den NFC-Frontend-Chip CLRC663, den Mikrocontroller LPC1769 zu dessen Ansteuerung sowie eine Antenne. Für erste Versuche ermöglicht die PC-basierte Benutzeroberfläche NFC Cockpit eine einfache Ansteuerung ohne Programmierkenntnisse.

Die am Entwicklungsboard befindliche Antenne ist allerdings nur für erste Funktionstests geeignet und wird den Anforderungen des Entwicklers an den Formfaktor kaum entsprechen. Hierzu lässt sich die angegliederte Antenne einfach abschneiden und durch eine Eigenentwicklung ersetzen. Nach entsprechender Antennenanpassung (Matching) lässt sich die erzielte Lesereichweite einfach und ohne Programmieraufwand überprüfen. Die Implementierung der eigentlichen Applikation auf einem Mikrocontroller kann auf einem LPC1769 erfolgen oder der Entwickler steuert das NFC-Frontend mit einem eigenen Mikrocontroller über das SPI-Interface an.

Sind Antenne und die Transponderkommunikation bereits nach oben aufgeführter Methode verifiziert, entfällt für die folgende Weiterentwicklung des Design die Unsicherheit bei der Fehlersuche nach Software- oder Kommunikationsproblemen der drahtlosen Schnittstelle. Nun kann der Entwickler im nächsten Schritt einen eigenen Mikrocontroller mit eigener Software, und eigener Antenne in das Zielgerät integrieren.

Zur Beschleunigung der Software-Entwicklung Libraries ist die NFC-Reader-Library von NXP verfügbar. Damit entfällt das Programmieren zur Ansteuerung des NFC-Chips auf Registerebene und der Entwicklungsfokus bleibt mehr auf die Applikation gerichtet.

Anforderungen an das Antennen-Design

Beim Design eines Gerätes mit intelligentem Zubehör sind die geometrischen Verhältnisse zu berücksichtigen. Für eine gute Kopplung zwischen Basiseinheit im Gerät und Transponder im Zubehörteil sollte die Distanz zwischen den Antennen kurz sein. Eine geschickte Antennengeometrie berücksichtigt dabei besondere Anforderungen. Beispielsweise kann sich ein Tag in einem Anschraubteil an verschiedenen Winkelpositionen befinden und ist trotzdem positionsunabhängig auslesbar. Kurze Entfernungen von wenigen Zentimetern zwischen Schreib-/Lese-IC und Antenne sind direkt mit Leiterbahnen auf der Platine oder auf einem Flex-PCB realisierbar. Bei größeren Entfernungen bis etwa 10 cm sind Twisted-Pair-Leitungen zu empfehlen. Letztere bergen zwar aufgrund ungleichmäßiger Verdrillung das Risiko einer erhöhten Dämpfung und somit einer Reichweiteneinschränkung der Antenne. Dieser Effekt fällt aber kaum ins Gewicht, wenn der Abstand zwischen beiden Antennen gering ist.

Der Anschluss der geräteseitigen Antenne erfolgt über ein Impedanz-Anpassungsnetzwerk. Als erste Abschätzung der erforderlichen Bauteilewerte genügen Überschlagsrechnungen – in der Praxis bedarf es jedoch immer noch einer leichten Korrektur. Der Grund liegt typischerweise in nicht korrekt geschätzter Antennen-Induktivität und -Kapazität durch die konkrete Einbausituation. Wichtig ist es, die Antenne an der tatsächlichen Einbauposition zu vermessen, um spätere Schaltungsänderungen zu vermeiden, weil die Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften durch Metall in der Umgebung (Leiterplatten, Gehäuseteile) nicht berücksichtigt wurde.

Die tatsächliche Antennen-Impedanz messen

Bild 3: Kleinstausführung einer Drahtwickel-Antenne für eine NFC-Leseeinheit.

Bild 3: Kleinstausführung einer Drahtwickel-Antenne für eine NFC-Leseeinheit. NXP

Um hier zu befriedigenden Ergebnissen zu gelangen, ist es unbedingt notwendig, einen Netzwerk-Analyzer zum Überprüfen der Anpassungsschaltung heranzuziehen. Typische Matching-Impedanzen der Antenne liegen im Bereich von 20 bis 80 Ω. Da die Impedanz der Antenne wesentlich für den Stromverbrauch, aber auch die Lesereichweite des RFID-Systems ist, muss diese den Systemanforderungen entsprechend gewählt werden. Die Messung der Impedanz und der richtigen Abstimmung muss nicht zwingend mit einem Netzwerkanalysator der Oberklasse erfolgen, mit Abstrichen beim Messkomfort – etwa die fehlende Echtzeitdarstellung der Impedanz im Smithchart – tun es auch kostengünstige portable Messgeräte mit Messwertdarstellung auf dem PC.

Die Antennenbauart muss ebenfalls berücksichtigt werden, hier stehen Drahtantennen und PCB-basierte Antennen zur Auswahl. Die Montage der Antenne kann durch Kleben, Löten und Eingießen erfolgen. Bei Drahtwickelantennen wie in Bild 3 ist zu berücksichtigen, dass sich Wickeltoleranzen auf die Induktivität und Kapazität auswirken, und damit eine Antenne mit ursprünglich guter Antennenabstimmung eine schlechte Reichweite erzielen kann. Leiterplatten oder Flex-Antennen sind hier wesentlich reprodzierbarer zu fertigen und daher die technisch bessere Lösung.

 

Wie Ferritfolien die Dämpfung im Metall verringern und was bei der Auswahl der Foliendicke zu beachten ist, beschreibt der Beitrag auf der nächsten Seite.

Seite 3 von 512345