采用MCU的NFC能量收集PCB名片

# 带有MCU的NFC能量采集PCB名片 来源：https://wilsonharper.net/projects/businesscard/ 和大多数名片一样，我的名片没有电池。但当它与手机触碰时，21颗LED会启动一场动画，仅靠NFC供电。 这个项目始于约三个月前，作为学习KiCad的简单入门，以便日后应对更复杂的设计。“简单”的状态并未持续太久。最终成品让我对PCB流程的方方面面有了超乎预期的认识，成果也远比想象中出色。完整代码库在此（https://github.com/WiHarper/nfc_card）。 （您的浏览器不支持视频标签。） 我见过各种各样的PCB名片。大多数我见过的（https://salvagedcircuitry.com/pcb-business-card.html）都利用丝印层甚至裸露的铜层来展示联系方式和二维码。这些非常酷——但它们更偏向平面设计而非电气工程。另一些（https://mrdrprofbolt.wordpress.com/2020/04/16/an-electronic-business-card/）则包含更复杂的功能，如显示屏、电池和输入设备——超级酷，但既昂贵又厚重。 我想制作一些简单且足够廉价的名片，可以分发给人们。最终，我偶然发现了NFC名片（https://www.instructables.com/PCB-Business-Card-With-NFC/）。这个概念很完美：无需电池，涉及一些基础的射频工程，且物料清单成本低廉。当我开始研究具体的NFC芯片时，发现其中一些甚至能够为其他组件采集NFC能量——最引人注目的是恩智浦NTAG I2C Plus和意法半导体ST25DV-KC。 我应该解释一下NFC的工作原理：你的手机会持续发射一个小型磁场。NFC卡片会接收该磁场，使你的手机充当一个微型无线充电器。卡片实际上从不向手机发回消息，而是改变它从磁场中吸收的能量多少，手机则检测这些功率下降并将其转换为二进制数据。大多数NFC标签仅利用采集到的能量运行其内部电路，但某些NFC芯片能够取出多余的直流电压并将其输送至外部硬件。这张名片正是利用了后一项功能。 理论上似乎并不复杂。我迅速在KiCad中绘制了原理图。ATtiny412微控制器是一个简单选择，它尺寸紧凑、GPIO数量充足且功耗极低。 LED的连接采用了一种名为Charlieplexing（查理复用）（https://en.wikipedia.org/wiki/Charlieplexing）的技术，它利用了二极管固有的单向导电性。那篇维基百科文章是一个很好的指南，但其关键是使用三态逻辑可以用几个GPIO控制多个LED。具体公式是：y = x⋅(x-1)，其中y表示可独立控制的LED数量，x表示GPIO数量。主要缺点是同一时间只能点亮一个LED，但这可以通过使用PWM（脉冲宽度调制）并将占空比分散到多个LED上来缓解。在这个初稿中，我使用了4个GPIO（`GPIO_A`到`GPIO_D`）来控制12颗LED。 --- ## 系统架构 虽然我最初选择了ATtiny412 MCU，但我意识到它不太理想，有几个原因。它只有5个GPIO，而且仅提供直插式/带引脚封装，而非QFN封装，这导致它从PCB板上凸起的高度更高。 由于这个夏天我不在学校，没有条件自行组装PCB，所以我需要让JLCPCB为我组装。另外，如果我打算把这些名片送人，我不想在其中含铅，即便在学校我也无权使用无铅电子工作区。JLCPCB支持完全符合RoHS标准，因此很容易做出选择。 既然已经交给专业组装，我何不选用小得多的QFN封装呢，而ATtiny412没有这种封装。经过一些研究，我找到了ATtiny816。它与ATtiny412类似，但拥有17个GPIO和更薄的3mm × 3mm封装。现在，我可以分配6个GPIO用于LED，从而能够拥有20个Charlieplexed LED和一个简单的指示灯LED（直接从一个GPIO连接到`GND`）。我还换用了恩智浦NTAG I2C Plus NFC芯片，因为它支持更近距离、更高功率的NFC标准。 在阅读NTAG I2C Plus数据手册时，我注意到它规定`VOUT`上的电容不应超过220nF，因为更大的电容会导致电压轨下降，产生永远无法上电的振荡环路。然而，我想要超过220nF的电容，因此我设计了这个电路： 底部的大容量10μF电容有助于平滑`VCC`，但它在启动时会吸取过大电流。`R3`将浪涌电流限制在几毫安。然而，一旦电容充满电，`R3`也会使电容充电速度过慢。MOSFET `Q1`充当开关。120毫秒后，`C3`完全充电。MCU将`GATE`拉低，为电容提供了一条低阻抗路径以平滑电压下降。`R2`只是一个上拉电阻，用于在最初的120毫秒内保持`GATE`为高电平。这样既获得了大电容的好处，又没有忽视数据手册的规定。 我决定在Charlieplexed走线上使用100Ω电阻。由于电流必须从一个GPIO流出，经过电阻、LED，再经过另一个电阻，因此总电阻实际上翻倍了。我还意识到，如果100Ω电阻允许的电流过大，我可以以高频PWM驱动LED。配合10μF电容，这些脉冲会平滑成稳定电流，防止`VOUT`崩溃。在1kHz刷新率和20%占空比下，计算表明`VOUT`下降约0.2V。 --- ## 制作天线 我使用意法半导体的天线电感计算工具（https://eds.st.com/antenna/#/）确定了天线的尺寸和特性。我希望天线占据整张名片的空间，因此我尝试了不同的匝数、走线宽度和走线间距，直到找到一组效果良好的组合。我需要电感接近2.75μH，以便它与NTAG内部50pF电容在13.56MHz下谐振。结果如下： 由于这个电感值略低，它给了我将其调谐到精确频率的能力。如果它已经是精确的2.75μF，我可以并联一个电容来降低谐振频率——但无法提高它。我焊接了一个1.5pF的电容，以便在需要时将其调低。 我接着进行了PCB布线。令我惊讶的是，KiCad没有提供内置的天线或线圈生成工具，而我尝试的所有插件都无法生成矩形螺旋。KiPython脚本成为了答案。一个LLM（大语言模型）帮助创建了脚本，经过几分钟对话后就能工作了。它生成了一个简单的矩形螺旋走线，与我在SMT计算器中输入的数值相符。我已经将`.py`文件包含在代码库中（https://github.com/WiHarper/nfc_card/blob/main/coil.py），我认为它对其他人可能也确实有用。之后，我手工将角落修圆——这个改动只改变了包围面积的百分之几。 --- ## 布局 我认为将所有IC和无源元件保持在PCB的左侧四分之一区域在美学上会很赏心悦目。我为LED走线布线、删除并重新布线了大约六次，最终确定了这个设计。虽然有可能以一种使平均走线长度更短的方式布线，但我希望避免形成完整的回路——同时我也想最小化回路面积。形成完整回路时，走线会与NFC磁场耦合并产生破坏性的涡电流。通过在回路顶部中间留出缺口，无法形成任何电流，因此天线不受宏观尺度射频干扰的影响。 网络颜色使得理解走线走向更容易（也更有趣）。带状拓扑结构仍然会在每条走线之间产生闭合电流，这是一种与主回路不同的效应。保持最小的走线间距和宽度有所帮助。 --- ## 背面设计 我决定在名片背面展示所有走线。我还绘制了一个简单的框图和IC物料清单。为了将走线复制到`B.Silkscreen`层，我将`F.Cu`和`B.Cu`导出为`.SVG`文件，并导入到`B.Silkscreen`层，通过目测对齐。这种布线方式在许多方面都很特别，我确信经验丰富的电气工程师会注意到值得改进的地方。我确信不止一个人在阅读时会想：*他为什么不用接地平面？*接地平面会阻止所有穿过天线的磁通量，从而杀死它。 考虑到我最小化闭合电流并创造有趣且美观的美学目标，我认为最终结果是可靠的。 --- ## 制造与组装 这些名片的尺寸与信用卡相同，我额外支付了一些费用使它们同样薄。我还选择了高精度丝印和ENIG（化学镍金）表面处理。通过最后这个选择，名片完全符合RoHS标准——不含铅或其他有害物质。 在购买时，我必须做一个决定：是只订购几张看看能否工作，还是直接全力投入？在JLCPCB的报价工具里花了几个小时后，我意识到每增加一张名片的边际成本很低，购买五张和三十张之间的差异并不大。我下定决心，祈祷好运，订购了三十张。 刚收到时，我首先测试它是否能采集到能量。我在`VCC`和`GND`之间接了一个LED，它工作了，无需调谐。 当然，很难在名片贴着手机背面时拍照。 --- ## 编程 在背面我有三个小的裸露焊盘：`GND`、`VCC`和`UPDI`。这种焊盘顺序——类似于RC舵机——可以防止连接反转180度时造成任何损坏。每个焊盘直径为1.8mm，中心间距为0.1英寸/0.254mm。这种标准的面包板间距允许我使用Pogo Pin弹簧针夹（https://www.adafruit.com/product/5434）连接它，而无需添加额外的元件。名片会被粗暴对待并扔进静电多的钱包和口袋，因此我在`UPDI`和`GND`之间加了一个TVS二极管，这样任何高压都会直接流入地线，而不是烧毁MCU。 ATtiny816通过UPDI（https://onlinedocs.microchip.com/oxy/GUID-19DFE3E8-6314-4CFE-BA69-1357E28C8092-en-US-1/GUID-A2FD739F-A1D8-4C2F-9482-0B8AF9DCF435.html）——统一编程和调试接口进行编程。它基本上就是单线格式的UART。有官方调试器，USB转串口适配器也可以使用。人们也使用过Arduino和树莓派Pico作为编程器，最后一种选择听起来最有趣。大多数支持jtag2updi固件的Arduino使用5V逻辑电平，所以我不得不选择Pico。我找到了一个`UF2`文件，连接好一切，然后……毫无反应。我花了几个小时研究IDE设置并尝试不同的引脚。最后，我灵机一动，将它的输出接到示波器上。仍然毫无反应。我感到非常傻，于是决定购买Adafruit UPDI Friend（https://www.adafruit.com/product/5879）。它立即就能工作了。 代码本身（https://github.com/WiHarper/nfc_card/blob/main/nfc_card.ino）在某些方面类似于一个基础的Arduino闪烁草图。然而，我用裸机C编写了主循环，以便Charlieplexed矩阵能尽可能快速地循环，将闪烁降至最低。代码中还有一个彩蛋——看看你能否找到它。我将ATtiny降频至1MHz以节省功耗。 具有讽刺意味的是，NTAG I2C Plus并未通过I2C连接到ATtiny。为了编程它，我最初使用了著名的NFC Tools（https://play.google.com/store/apps/details?id=com.wakdev.wdnfc&hl=en_US）Android应用。出现一些错误后，我意识到NXP TagWriter（https://play.google.com/store/search?q=nxp+tagwriter&c=apps&hl=en_US）应用在格式化和写入我的联系信息到卡片方面效果更好。 二维码和NFC链接都将设备引导至https://connect.wilsonharper.net/。目前，它只是重定向到https://wilsonharper.net/，但我可以在Cloudflare中配置它，无需任何硬件更改就能路由到任何URL。 --- ## 物料清单 在此查看完整BOM详情（https://wilsonharper.net/assets/html/ibom.html）。 --- ## 经验教训 我现在拥有的这三十张名片应该能用很久。不过一旦用完，我计划制作V2版本。`VOUT`将保持足够高的电压以驱动任何颜色的LED，绿色或黄色可能会很有趣。我还考虑添加一两个薄型按钮以增加互动性，并且可以用一圈LED制作几个街机风格的游戏。 “硬件很难”是我经常听到的一句话，这个项目让我意识到它有多么正确。单独来看，这个项目中的任何事物都不是新颖甚至特别复杂的：NFC PCB天线、带MCU的闪烁LED和PCB名片都已有先例。但据我所知，还没有人将它们组合成一个美观的包——或者至少，我在网上找不到任何例子（有几个具备NFC能量采集、天线中的电路或Charlieplexing，但没有同时具备这三者）。有些时刻我确实觉得这超出了我的能力。在反复检查了所有可能的问题之后，我意识到我只需要把它发出去，而我非常庆幸我这么做了。