CH585手把手进行NFC硬件调试

01 概述

CH585 的 EVT 资料包中，《CH585 系列 NFC 读卡器应用指南》已系统介绍了 NFC 读卡器（PCD）的硬件设计全流程，本文基于 CH585M-EVT-R1 评估板与 CH585EVT 例程包，对该指南涉及的硬件调试环节逐一进行实际操作演示，包括发送档位调节、接收电路调试、天线测量与匹配网络调试等内容。

尽管官方的 CH585M-EVT-R1 评估板已经进行了 NFC 硬件调试，但出于教学目的，本文将基于不使用原有匹配元件参数的基础重新进行硬件调试过程。

本文涉及的硬件调试工具如下表：

• 矢量网络分析仪（VNA）（要求带宽覆盖1~100MHz，S11 SNR >50dB）
• 适用于该矢量网络分析仪的校准件
• 一条与该网络分析仪接口适配的射频馈线尾线，推荐选择 RG316 或 RF1.13 馈线
• 至少 70MHz 带宽的示波器及低寄生电容探头
• ISO14443A 测试卡（如 Mifare Classic）
• USB 转串口工具
• （可选）包含 1-330pF 范围的 NPO/C0G 贴片电容本（用于快速迭代调试，免于反复购买的麻烦）

注意：天线匹配调试依赖矢量网络分析仪，没有 VNA 将无法对天线进行测量与调试。对于要求不苛刻的场景，可使用 NanoVNA 等低成本手持设备。

02 认识 EVT 板上的 NFC 电路

CH585M-EVT-R1 评估板的 NFC 天线位于板卡左侧，包含 13.56MHz 线圈天线、EMC 低通滤波、匹配网络与接收分压电路。CH585 采用双端天线驱动方式，不支持单端天线。

本文将基于 NFC 电路中的匹配部分已拆除的情况进行阐述。

02.1 电路结构

NFC 电路的原理图如下：

完整的评估板原理图位于资料包 EVT/PUB/CH585SCH.pdf。

各部分作用说明：

• EMC 低通滤波器：由 L2/L3 与 C9/C13 组成，抑制高次谐波辐射，截止频率设计在 14~18MHz 范围内即可，常用 1uH/100pF 的组合；
• 匹配网络：由 C4/C10 与 C12/C14 组成，将天线谐振调整至 13.56MHz；
• 接收电路：由 R12、R15、R16 组成分压网络，将天线信号分压后送入 NFCI 引脚；
• 阻尼电阻：R13/R14 用于调节天线回路 Q 值。

02.2 官方推荐器件参数

官方推荐器件参数如下表：

元件位号	推荐值	备注
L2、L3	1.0μH ±5%	Idc > 50mA
C9、C13	100pF ±2%	NP0/C0G 材料电容
C4、C10	30pF ±2%	NP0/C0G 材料电容，需要根据实际测试调整
C12、C14	200pF ±2%	NP0/C0G 材料电容，需要根据实际测试调整
R13、R14	2Ω ±5%	需要根据实际测试调整
R12	1kΩ ±5%	需要根据实际测试调整
R15	NC	需要根据实际测试调整
R16	2kΩ ±5%	需要根据实际测试调整

提示：NFC 应用中信号频率较高，电容的材质必须是 NP0/C0G，且精度符合上表要求，否则性能有损失。

02.3 C6/C17 拆分焊盘

由于计算出的电容值不一定能找到合适的成品电容，电路板预留了 C6 与 C17 焊盘，匹配调试时可将 C12/C14 的部分电容值拆分到 C6/C17 上，并联后得到目标电容值。例如原 200pF 可拆分为：

元器件	推荐值	备注
C12、C14	180pF ±2%	NP0/C0G 材料电容
C6、C17	20pF ±2%	NP0/C0G 材料电容

在开发阶段也推荐采取这样预留的设计，便于调试。

03 天线设计与测量

由于本文的主要内容是以官方 EVT 评估板为 PCB 样品进行硬件调试，故本章仅简述天线设计的重要事项。

03.1 天线设计要点

天线设计时需注意以下要点：

• CH585 采用双端天线，不支持单端天线；
• 推荐使用 PCB 天线，FPC 天线成本高、选型难、不易匹配；
• 一般来说，线圈面积、匝数越大，等效感值越大，耦合能量越大，传输距离越远；
• 但是，天线等效电感应设计在 1~1.5μH 范围内：感值过小，场强低，刷卡通信距离短；感值过大，匹配所需的电容较小，且Q值容易偏高，难以调节。

03.2 感值估算公式

板载天线（圆环状或矩形）的电感值可用以下公式估算：

$$L=2l_1N^{1.8}((ln\frac{l_1}{D_1})-K)$$

各参数含义：

参数	含义	单位
L	天线电感估算值	nH
l1	一圈天线导线环的长度	cm
D1	PCB 线圈导线直径或覆铜宽度	cm
K	天线形状系数（圆环状 K=1.07，矩形 K=1.47）	—
N	线圈匝数，一般不少于 2	—

此公式是一个经验性公式，计算的结果会与实际测试值有所偏差。

04 VNA 测量与参数反推

PCB 打样完成后即可得到实际的线圈。将线圈焊接射频馈线尾线，使用矢量网络分析仪（VNA）测量线圈的 R+jX 阻抗与自谐振频率，再反推出计算表所需要的相应等效参数，供匹配计算使用。

本文测量方式适用于所有支持 S11 测量且支持端口延伸的 VNA。鉴于 NanoVNA 等手持式仪器成本低，且在所需频率范围内精度可满足一般调试需求，本文的 VNA 相关使用图片以 NanoVNA 为例。

04.1 测量准备

1. 将 VNA 的频率范围设置为 1~100MHz，中频带宽 1kHz；
   
2. 对 VNA 进行 OSL（Open-Short-Load）校准，消除测试端口自身的系统误差；
   
3. 将待使用的射频馈线尾线连接到 VNA 测试端口，进行端口延伸或电延迟修正（具体的设置方法因仪器而异），消除射频馈线尾线引入的相位延迟，确保测量参考面位于射频馈线尾线末端；
   
   
4. 取下射频馈线尾线，将板载天线的一端焊接在射频馈线尾线的内芯线上，另一端焊接在射频馈线尾线的屏蔽层上，并将射频馈线连接到 VNA 测试端口。
   

焊接时需要小心不要短路或虚焊，建议使用热熔胶或其他方法固定射频馈线尾线，避免测量过程中线缆晃动导致焊盘脱落。

注意：测量前必须完成 OSL 校准与端口延伸（或电延迟修正），否则测量结果包含测试端口及线缆的寄生参数，将导致误差偏大。

提示：NanoVNA 尚不支持自动进行端口延伸或电延迟修正，需要手动调整电延迟数值。常用的 E5071C 等标准 VNA 一般带有自动端口延伸，使用开路方式进行自动端口延伸即可。

然后设置以下 S11 迹线：

• 史密斯图（R+jX）
• 虚部幅度（或相位）

04.2 测量自谐振频率

在 VNA 上观察虚部幅度（或相位）迹线（图中为紫色），该迹线过零点的频率，即为天线自谐振频率 $f_0$。

为了测量的准确性，建议使用光标功能跟踪虚部幅度（或相位）迹线的过零点，并记录光标跟踪到的频率值。本例中，自谐振频率为 68.32MHz。

04.3 读取 13.56MHz 处的 R+jX

将光标固定在 13.56MHz，读取并记录该光标处天线的复阻抗 $Z_{meas} = R + jX$。为了方便观察，可以重新设置 VNA 的频率参数，将中心频率设置为 13.56MHz，扫宽设置为 10MHz。本例中，复阻抗为 2.168+j101.6Ω。

04.4 反推计算表所需的等效参数

匹配计算表需要的是线圈的等效电感 $L_a$、等效寄生电容 $C_a$ 与等效损耗电阻 $R_a$。VNA 直接读到的阻抗和其定义方式不同，不能直接使用：线圈存在匝间寄生电容，VNA 显示的阻抗是对于等效电路为电感支路（$R_a + j\omega L_a$）与寄生电容 $C_a$ 并联而言的。

【把这图给老子换成真图】

      +--- [ R_a ] ---[ L_a ]---+
      |                         |
In ---+                         +--- Out
      |                         |
      +-----------[ C_a ]-------+

第一步：将测量阻抗转换为导纳

反推在并联模型下进行，先将 13.56MHz 处读取的串联等效阻抗 $Z_1 = R + jX$ 转换为导纳：

$$Y_1 = \frac{1}{Z_1} = \frac{R - jX}{R^2 + X^2} = G_1 + jB_1$$

记 $G_1$ 为电导（实部）、$B_1$ 为电纳（虚部）。这两个值连同自谐振频率 $f_0$，就是反推所需的全部输入量。

第二步：高 Q 近似求解

上述并联结构的复导纳为：

$$Y(\omega) = \frac{1}{R_a + j\omega L_a} + j\omega C_a$$

分离实部（电导 G）与虚部（电纳 B）：

$$G(\omega) = \frac{R_a}{R_a^2 + \omega^2 L_a^2}, \quad B(\omega) = \omega C_a - \frac{\omega L_a}{R_a^2 + \omega^2 L_a^2}$$

对于高 Q 线圈（$R_a^2 \ll \omega^2 L_a^2$），$R_a^2$ 项可以忽略，13.56MHz 处的电导与电纳简化为：

$$G_1 \approx \frac{R_a}{\omega_1^2 L_a^2}, \quad B_1 \approx \omega_1 C_a - \frac{1}{\omega_1 L_a}$$

在自谐振频率 $f_0$ 处电纳为零，即 $\omega_0 C_a \approx \frac{1}{\omega_0 L_a}$，代入 $B_1$ 的表达式消去 $C_a$：

$$B_1 \approx \frac{\omega_1}{\omega_0^2 L_a} - \frac{1}{\omega_1 L_a} = \frac{1}{L_a}\left(\frac{\omega_1}{\omega_0^2} - \frac{1}{\omega_1}\right)$$

整理得到电感：

$$L_a \approx \frac{1 - \left(\frac{f_1}{f_0}\right)^2}{-\omega_1 B_1}$$

回代即可得到寄生电容与损耗电阻：

$$C_a \approx \frac{1}{\omega_0^2 L_a}, \quad R_a \approx G_1 \cdot (\omega_1 L_a)^2$$

其中 $\omega_1$ 为 13.56MHz 对应的角频率，$\omega_0$ 为自谐振频率对应的角频率。

计算示例

以上文实测数据为例：自谐振频率 $f_0 = 68.32\ \text{MHz}$，13.56MHz 处复阻抗 $Z_1 = 2.168 + j101.6\ \Omega$。

1. 转换为导纳：$Y_1 = \frac{1}{2.168 + j101.6} \approx 2.099\times10^{-4} - j9.838\times10^{-3}\ \text{S}$，即 $G_1 \approx 2.099\times10^{-4}$、$B_1 \approx -9.838\times10^{-3}$；
2. 代入高 Q 近似公式，得到 $L_a \approx 1.146\ \mu\text{H}$、$C_a \approx 4.735\ \text{pF}$、$R_a \approx 2.001\ \Omega$。

反推结果汇总如下：

参数	值
自谐振频率 $f_0$	68.32 MHz
13.56MHz 处测量阻抗	$2.168 + j101.6\ \Omega$
等效电感 $L_a$	1.146 μH
等效寄生电容 $C_a$	4.735 pF
等效损耗电阻 $R_a$	2.001 Ω

提示：本例中 VNA 直接读出的电阻为 2.168Ω，而按计算表定义方式的等效损耗电阻为 2.001Ω，两者偏差约 8%。若将直读电阻直接填入匹配计算工具，会计算出不正确的值，影响匹配效果。

05 匹配网络计算

【待完成，以下内容均为 AI 生成。】

05.1 匹配结构与计算工具

匹配网络采用经典的二电容结构，与 02.1 节电路结构对应。使用配套计算工具 NFC-Reader Antenna Tuning.xls 计算匹配元件初始值。

说明：计算表中的 C1/C2 为匹配拓扑中的代号（对应串联电容位置），并非电路板上的实际位号，实际焊接时需对照原理图将计算值落到对应位号（如 C4/C10、C12/C14）上。

05.2 计算表填写演示

计算表输入参数如下表：

参数	说明	示例值
L	天线电感（实测 $L_a$ 或估算）	1.146 μH
Cpa	天线寄生电容（实测 $C_a$）	4.735 pF
Rcoil	天线电阻（实测 $R_a$）	2.001 Ω
Q	设计 Q 值	20（建议 10~35）
Target Impedance	目标阻抗	50 Ω
Femc	EMC 滤波截止频率	13.56 MHz
L0	匹配电感	1000 nH
C01、C02	EMC 滤波电容	与 C9/C13 对应

输出结果 C1、C2 与 Rq 为理想计算值，作为调试初始值使用，需通过后续测试调整。

【我图呢：计算表填写完成后的界面截图】

06 匹配网络焊接与验证

06.1 焊接要点

按照 05.2 节的计算值焊接匹配元件，此阶段注意：

1. 不焊接主控芯片，或将匹配电感（L2/L3）翘起一边断开与主控的连接，使天线与匹配网络在 VNA 测量时不受芯片引脚寄生参数影响；
2. 将射频馈线尾线连接到电感靠近主控一侧，两个电感的一侧各自连接到 04.1 节中使用的射频馈线尾线的内芯线和屏蔽层，以保持与 04.1 节测量相同的参考面；
3. 焊接后检查焊点质量，避免虚焊，也要小心避免短路到其它元件。

【我图呢：断开主控连接后的焊接实物图】

06.2 VNA 验证

焊接完成后，使用 VNA 验证匹配结果：

1. 测试频率范围设置为 10~20MHz；
2. 添加 Marker 并定位至 13.56MHz；
3. 观察 S11 对数幅度，理想情况下应小于 -10dB；
4. 观察史密斯图，迹线应经过 50Ω 附近。

【我图呢：匹配后 VNA S11 曲线截图】
【我图呢：匹配后史密斯图截图】

06.3 迭代调试

实际焊接后谐振频率偏离 13.56MHz 属于正常现象，主要原因是 PCB 走线寄生参数、元件容差以及产品结构对天线近场环境的影响。微调方向如下：

• 谐振频率偏高 → 增大匹配电容；
• 谐振频率偏低 → 减小匹配电容。

调试时还需注意以下事项：

• Q 值越高谐振越尖锐，但 13.56MHz ISM 频段有 ±7kHz 带宽要求，Q 值过高会导致带宽过窄，可通过调整阻尼电阻 Rq 展宽带宽，在读卡距离与通信稳定性之间取平衡；
• 匹配电容使用 NPO/C0G 材质，精度 1%~5%；
• 天线下方禁止铺铜，周围留出净空区；
• NFC 走线避开蓝牙天线、晶振电路与高速 USB 信号线；
• 匹配应在最终装配状态下进行，壳体、电池等周边环境会影响匹配效果。

07 测试固件与发送档位

07.1 编译烧录 NFCA 例程

匹配验证完成后，恢复主控与匹配网络的连接，烧录 EVT/EXAM/NFCA/PCD/MifareClassic 例程工程作为测试固件，编译与烧录方法见《CH585 快速开始指南》04 节。

该例程的功能为循环寻卡，检测到卡片后通过日志串口打印卡片 UID 与各扇区块数据。

07.2 接线与日志

日志串口引脚与波特率以例程实际配置为准，接线方式见《CH585 快速开始指南》附录”关于日志输出”一节。

07.3 自动档位选择

例程启动时根据电源电压自动选择发送档位，档位与电压对应关系如下表：

发送档位	Vdd 范围（V）
Level3	2.4 ≤ Vdd < 2.6
Level2	2.6 ≤ Vdd < 3.0
Level1	3.0 ≤ Vdd < 3.4
Level0	3.4 ≤ Vdd ≤ 3.6

烧录后可通过日志串口观察实际选择的档位，与供电电压对照验证。

07.4 实测：不同档位下天线信号峰峰值

使用示波器在 NFCP/NFCI 处测量各发送档位下的天线信号幅度，对比结果如下：

发送档位	天线信号峰峰值（V）
Level0	【待实测】
Level1	【待实测】
Level2	【待实测】
Level3	【待实测】

【我图呢：四个发送档位下天线信号波形对比截图】

07.5 档位补偿技巧

对于电感量偏小的天线，可通过提升发送档位来补偿信号强度。发送档位通过 nfca_pcd_set_out_drv() 函数设置。

08 接收电路调试

08.1 分压原理与判定标准

接收分压网络将天线信号按比例分压后送入 NFCI 引脚，分压关系如下：

$$V_{nfci_pp} = V_{ant_pp} \cdot \frac{R15}{R15 + R16}$$

判定标准：

• 无卡时，NFCI 引脚输入电压峰峰值在 $(3.6 + VDD) / 2$ 左右，且小于 $VDD + 1.4V$；
• 有卡时，载波电压峰峰值在 1.0V 以上。

08.2 正确测量方法

测量 NFCI 引脚信号时，需注意以下事项：

1. 使用寄生电容极小的示波器探头，寄生电容过大会导致测量结果不准确；
2. 测量应在无卡片环境中进行，避免卡片对天线信号幅度造成衰减；
3. 同时测量天线信号与 NFCI 引脚信号，便于对照分压比例是否正确。

08.3 实测：无卡 / 有卡 NFCI 波形对比

【我图呢：无卡时 NFCI 引脚波形截图】
【我图呢：有卡时 NFCI 引脚波形截图】

08.4 调整 R16 的实操

当接收信号不满足判定标准时，调整 R16 的阻值。固定 R15 为 1kΩ，R16 越大，NFCI 引脚峰峰值越低。将支持电压范围内的天线信号都调整到符合要求即可。

【我图呢：R16 调整前后 NFCI 峰峰值变化对比截图】

08.5 NFC_CTR 动态分压（进阶）

当需要支持宽电压范围时，可使用 NFC_CTR 动态分压方案。读卡器开始工作时 NFC_CTR 输出低电平，R12 与 R16 形成分压；当 NFCI 引脚电压峰峰值过低时，将 NFC_CTR 设置为模拟输入，此时天线峰峰值不再分压。

09 低功耗检卡

对于电池供电的场景，读卡器通常不会持续开启射频场，而是周期性检测是否有卡片靠近，检测到卡片后才建立通讯。CH585 提供常规低功耗检卡与超低功耗检卡两种方案，本节对这两种方案作简要说明，重点介绍超低功耗检卡对硬件的要求。

09.1 两种低功耗检卡方案

方案	原理	特点
常规低功耗检卡	周期性发送 WUPA 命令，检测是否有卡片回复	功耗较高，但兼容性好
超低功耗检卡	检测天线信号 ADC 值的变化	功耗极低，适用于电池供电场景，一般与蓝牙睡眠同步使用

常规低功耗检卡需要工作一段时间才能判断有卡无卡，功耗偏高；超低功耗检卡不持续发射射频场，仅在短时间内检测天线信号，功耗显著更低。

09.2 超低功耗检卡原理

超低功耗检卡的检测过程如下：

1. 打开 13.56MHz 信号发送；
2. 检测 NFC 内部 ADC 的值；
3. 通过阈值变化判断有卡无卡：有卡则进行后续通讯，无卡则关闭射频场。

09.3 超低功耗检卡的硬件要求

超低功耗检卡对硬件有两项要求，直接影响检卡灵敏度：

• 分压电阻调整：无卡时，分压电阻需调整到 NFCI 引脚峰峰值为 2.9V 左右为佳。该目标值与 08.1 节常规工作的判定标准不同，调整方法相同（固定 R15，调整 R16）；
• 天线匹配：天线必须匹配到 13.56MHz 附近，且回波损耗越大越好。否则天线信号的变化不明显，无法有效检测到卡片靠近。

09.4 注意事项

超低功耗检卡与蓝牙、触摸功能共用 ADC 与引脚资源，使用时需注意以下事项：

• 与蓝牙共存：蓝牙例程中使能 HAL_SLEEP 后，初始化时不可将蓝牙代码中关于 NFC 的 4 个引脚默认上拉，否则会影响超低功耗检卡的基线校准；
• 与触摸共存：寄存器 R8_TKEY_CFG 的 RB_TKEY_PWR_ON 位使能期间，R8_ADC_CHANNEL 不可以为 NFC 的检测通道，否则会影响 NFC 检卡，需要一段时间才能恢复。

10 实际卡片测试

09.1 测试方法

1. 读卡成功率：卡片在固定位置连续读卡 100 次，统计成功次数；
2. 极限距离：逐渐拉远卡片距离，直到读卡失败，记录最大可读距离；
3. 日志验证：观察串口日志中的 UID 与扇区块数据是否正确。

09.2 测试记录

测试项	结果
读卡成功率	【待实测】
最大读卡距离	【待实测】

11 常见问题 FAQ

现象	可能原因	解决措施
读卡距离短	匹配谐振点偏移	VNA 验证并微调匹配电容
读卡距离短	发送档位过低	按电压表提升发送档位
读卡不稳定	Q 值过高/带宽不足	调整阻尼电阻展宽带宽
读卡不稳定	天线被金属遮挡	检查天线下方净空区与壳体金属件
NFCI 信号幅值异常	分压电阻比例不当	按 08.4 节调整 R16
谐振频率偏移	元件容差/结构环境变化	按 06.3 节方向微调电容
VNA 测量结果异常	未做校准/端口延伸	完成 OSL 校准与端口延伸后重新测量
检卡不灵敏（超低功耗）	天线谐振偏移或回波损耗不足	重新匹配天线到 13.56MHz 附近
超低功耗检卡误唤醒	检测阈值过小	增大阈值参数（如 NFCA_PCD_LPCD_THRESHOLD_PERMIL）

附录

附录 A：NFC 电路器件参数速查表

同 02.2 节表格。

附录 B：接线速查表

用途	接口 / 引脚	说明
固件烧录	USB 全速口 / 高速口	冷启动进入 ISP 后下载
日志观察	例程日志串口	见《CH585 快速开始指南》附录

附录 C：参考资料

• 官方《CH585 系列 NFC 读卡器应用指南》（CH585EVT 资料包内 PDF）
• CH585EVT 例程包（EXAM/NFCA 目录）
• 《CH585 快速开始指南》（本文姊妹篇）