Hardware

Prototyp

Dieses Bild zeigt links den zugekauften Arygon-Reader und rechts den von uns entwickelten Prototypen mit dem Bluemod+B20. Sowhol der Arygon als auch der Prototyp wurden an einem PC angeschlossen und über die serielle Schnittstelle konfiguriert. Die Kommandos und Daten sind dabei die gleichen, die auch bei der finalen Platine gesendet werden.

Schaltplan

Mit dem CAD-Tool Eagle wurden folgende Schaltpläne entwickelt. Für den Schaltplan wurden zahlreiche Bauteile neu gezeichnet d.h.: es wurden neue Symbole und Packages erstellt. Der PN532 und der Bluemod B20 sind Beispiele dafür. 

Beim Schaltplanentwurf wurde weiters darauf geachtet, Pins von Anfang an so zu verbinden, dass sie im späteren Layout-Design komfortabel zu routen sind. Dies gilt vor allem für den µC AVR ATXMEGA64-A3. So wurden beispielsweise bei Verbindungen zu anderen Chips (PN532, FTDI, B20) die Leitungen Port-weise and den µC angeschlossen.

 

Die Beschaltung des PN532-Bausteins wurde dem Datenblatt entnommen und entspricht der HSU-Grundbeschaltung des PN532.

Aufällig im Schaltplan ist die Reset-Schaltung. Es gibt ein globales Reset >>RESET_PDI_CLK<<, welches alle Bausteine zurücksetzt. Dieser Reset wird vom JTAG verwendet, sowie von einem Hardware-Taster.

Um mit dem µC den PN532 und den Bluemod B20 zurückzusetzen benötigt man nun zusätzlichen Aufwand in Form einer Diode. Mit dieser ist es nun möglich den B20 sowie den PN532 seperat zurückzusetzen.     

Auch gut erkenntlich sind die im Schaltplan verzeichneten Testpads, um später das Verhalten der Schaltung überwachen, debuggen zu können. Testpads wurden vorwiegend an den Kommunikationsschnittstellen (UARTs, usw.) angebracht.

 

Platine

Nach Fertigstellung des Schaltplans wurde die Platine entworfen. Dies erfolgte ebenfalls mit dem Design Tool Eagle Cadsoft. Der Entwurf basiert auf vier Layer: TOP-Signal Layer, VCC-Versorgungs Layer, GND Layer und BOTTOM-Signal Layer.  Die Entscheidung ein Vier-Layer-Design zu verwenden beruht darauf, dass die Größe des Geräts das ID1-Format (Kreditkartenformat, Bankomatkarte, etc. ) nicht überschreiten soll.

Folgendes wurde beim Design der Platine beachtet:

  • Status-LEDs, Taster, Schieber (Main-Switch), Test-GND, Testpads, sowie JTAG sollen auf dem TOP-Layer untergebracht werden, um komfortabeln Überblick zu haben.
  • Die Platine wurde in funktionale Gruppen geteilt: Spannungsversorgung, µC, PN532, Bluemod B20, LEDs, Antennen-Matching. Dies erleichterte das 'Routen' und sorgt für eine saubere Strukturierung.
  • Leiterbahnen und Kupferflächen durften den 'verbotenen Bereich' der Antennen (PN532-Antenna: Top-Layer rechte Seite der bluNFC Platine, B20-Antenna: Top-Layer links oben)  nicht kreuzen, überdecken. 
  • Trennung der verschiedenen Versorgungspotentiale: +5V und +3V3. Hierzu wurde der VCC-Versorgungs Layer gesplittet in zwei Teile. Einen für die +5V Versorgungsspannung und einen für die +3V3.
  • Pads wurden vergrößert um das Einlöten zu vereinfachen.

Layouts:

Top Layer:

Bottom Layer:

Fertig Bestückte Platine

Top Layer

Bottom Layer

 

Antenne

In Absprache mit dem NFC Lab wurde eine Rechteckantenne mit 6 Windungen entworfen.

 

Die Antenne wirkt als ein Spule + ein Widerstand. Um die Anteuerung der Antenne zu optimieren wird der induktive Anteil der Gesamtimpedanz mittels einer Matchingschaltung kompensiert. Diese Kompensation erfolgt mittels eines seriellen und eines parallelen Kondensatorpaares. Die Kondensatoren eines Paares besitzen die selben Werte um eine symmetrische Antenne zu erhalten. Für die einzelnen Kondensatoren wurden wiederum eine Parallelschaltung aus zwei Kondensatoren eingesetzt um die Werte mittels Kombination zweier Kondensatoren genauer Abstimmen zu können. Diese Kompensation findet bei der Betriebsfrequenz von NFC f = 13.56 MHz statt.

 

Zusätzlich wird eine Filterschaltung vor der Antenne platziert, dieser Filter ist bereits durch das Datenblatt des PN532 gegeben und wurde daraus übernommen.

 
 
 
 
Nach Fertigung der Platine wurde die Antenne in Zusammenarbeit mit dem NFC Lab vermessen und aufgrund der Messdaten die ersten Werte für die Matchingschaltung berechnet. Diese Werte wurden verbaut und die Antenne inklusive Beschaltung wurde erneut gemessen.
 
 
Diese Messungen ergeben jeweils ein Smithchart, in diesem wird die normierte Impedanz der Antenne dargestellt. Bei Antennen wird die Impedanz auf 50 Ohm normiert. Durch Veränderung der Frequenz erhält man nun den Verlauf der Impedanz.
 
 
 
Bei der ersten Messung wurde ersichtlich, dass diese Werte noch nicht einem optimalen Matching entsprechen. Dies ist aus der obigen Abbildung erkenntlich, da der Punkt M1 bei 13.56 MHz sich nicht im gewünschten Punkt von 50 Ohm befindet. Dann wurde mittels Messungen mit verschiedenen Kapazitätswerte die optimalen Werte ermittelt.
Es wurden folgende Werte ermittelt:
  • serielle Kapazität C1 = 16 pF
  • paralelle Kapazität C2 = 94 pF

Mit diesen Werte wurde folgene Messung aufgenommen, in der man erkennt, dass sich der Arbeitpunkt so nahe wie möglich bei 50 Ohm befindet und die Matchingschaltung daher optimal dimensioniert wurde.