新闻中心

EEPW首页 > 设计应用 > 悄悄的,NFC/RFID就把我们包围了

悄悄的,NFC/RFID就把我们包围了

作者:时间:2017-06-03来源:网络

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/347405.htm

大多数设备还不支持/,立即行动吧!

近场通信()仍然处在炒作与权衡状态吗?显然不是!该项技术之前仅仅被看作是新一代的条形码,事实证明其实用性和可靠性要高得多。在许多消费类和工业市场,需要和射频识别()功能。这些应用不再局限于传统的简单、直观、安全的非接触式交换,两个支持NFC/的设备之间可以灵活地交换信息(电话号码、照片、海报等),您需要做的就是将其靠近在一起。NFC/RFID的主要概念和传统应用正伴随着崭新的,非传统思维方式而发展。实际上,我们正处在一个创新的年代。

您可能时常听到“NFC与传统的RFID有何不同?”的问题,在物理层或RF层,差别确实不太大!NFC本质上是RFID的一种进化形式。实际上,NFC工作在RFID的13.56MHz频段(HF)。行业联盟NFC论坛1从RFID物理层协议开始,通过将几个新层添加到协议栈对其进行改进。增加了NFC交换格式(NDEF),以识别、封装并在支持NFC的设备之间交换应用数据。这种标准化的格式使得NFC/RFID成为一种应用前途远大的新兴无线通信技术,适应将来的普适计算。

为涵盖较宽的应用,RFID和NFC在本文的随后讨论中可互换使用。我们将简要介绍NFC/RFID技术,给出常见的电路模块,OEM可用来在便携式电子产品中实现新型非接触式NFC/RFID功能。示例电路基于DeepCover MAX66242双接口安全。利用给出的电路,很容易将NFC/RFID短距离无线技术增加到嵌入式电子平台。我们将结合几种实际使用情况展开讨论。

和标签:NFC/RFID基础

是一种标准的近距离无线通信技术,支持彼此位置相对距离较近的手持或其它设备之间的通信。NFC/RFID工作距离为几英寸到1米。该技术采用电感耦合,是通过两个设备之间的公共磁场传递能量的过程。这一过程实际上与空心变压器的工作原理相同,天线线圈相当于原边,标签的天线线圈相当于副边。利用电磁感应产生标签能够检测得到的无线电波。因此,当标签靠近读卡器时,读卡器天线线圈产生的电波将耦合到标签天线线圈。在标签内感应产生电压,然后对其进行整流并为标签内部电路供电。


图1所示为读卡器对电波进行调制并与标签交换数据的方式。为了将数据从标签传输至读卡器,标签电路改变其线圈负载(同时读卡器的未调制载波保持打开);互耦使得读卡器可检测到这一变化。这种负载变化法称为负载调制。NFC/RFID的工作载频为13.56 MHz,属于全球范围内无需许可的ISM频段。关于该技术,有几个已经颁布的标准规范,包括ISO/IEC 14443 Types AB和ISO/IEC 15693。

图1. NFC/RFID标签(MAX66242)耦合到读卡器(MAX66300)的磁场。

本例中,MAX66242为无源IC,无需外部电源即可工作的。实际上,从读卡器的磁场获得能量。使用这种NFC/RFID技术的典型应用包括接入控制、智能海报、会员卡和优惠券、移动支付(非接触式信用卡)、票务和运输收费。


工作原理——无源标签认证器

设计者现在可利用便携式电子产品收集、交换安全系统的配置/校准数据,即使便携设备主电源断电。图1所示方案允许任何嵌入式电子产品通过无线方式与周围任何设备进行连接,并通过I?C接口与网络连接。

几种功能对于无线NFC/RFID应用非常重要:集成到无源标签认证器的高级安全性(图2)、集成无线NFC/RFID接口和I?C接口、数据保护模式、高速数据传输、标签能量收集;MAX66242集成了SHA-256加密引擎,提供基于安全密钥的对称式质询-应答安全认证。是控制NFC/RFID读卡器与那些设备通信,以及如何与MAX66242通信的最好途径。32字节SRAM缓存器有利于通过I?C接口进行高速数据传输。标签上的能量收集引脚VOUT使其利用天线从读卡器的HF场收集能量。

由于采用SHA-256安全加密、高速数据传输以及能量收集——突出优势,对于希望将NFC/RFID嵌入式便携系统用于开放式可扩展平台的OEM来说,该无源标签具有极大吸引力。

图2. MAX66342无源标签的功能框图。

保证数据安全——只信任正版的从机设备

使用SHA-256加密引擎实现读卡器与从设备之间的安全、对称、双向安全认证。SHA-256散列算法基于美国国家标准与技术研究院(NIST)颁布的安全散列标准FIPS PUB 180-4。SHA-256质询-应答安全机制在主机和从机器件之间交换数据,是控制NFC/RFID读卡器与哪些设备通信,以及如何与MAX66242无源标签通信的最好途径。

基于对称密钥进行双向、安全认证,读卡器(即发起者)仅接受正品标签;只有正品读卡器可更改标签的存储器。该方法假设便携设备(采用MAX66242)和读卡器系统具有相同的SHA-256安全算法。激活SHA-256时,便携设备必须首先向NFC/RFID读卡器提供有效应答或响应,以进行安全认证。并且便携设备的应答与接收到的质询及其储存的密钥相关。如果便携设备应答质询不正确,那么读卡器系统(例如智能电话)将拒绝该便携设备。

这种安全认证机制的主要元素包括256位随机质询、MAX66242的ROM ID以及密钥本身。ROM ID为唯一的64位序列号,在制造过程中嵌入到标签中。读卡器中必须设置相同的密钥并进行保护。图3所示为安全门卡应用示例,其中NFC/RFID在打开房间门、防火门或防弹门之前发起质询-应答认证。

为确保以最经济的形式预防对此类安全IC的(不可避免的)恶意攻击,无源标签采用专有的管芯级物理技术和相应的电路、加密方法。这些防护技术可防止攻击者为了克隆密钥或更改专有的校准数据而提取密钥(破坏系统的安全机制)。

图3. 基于NFC/RFID的电子锁安全认证是MAX66242无源标签的核心。

确保数据保护措施的安全性

保护数据安全至关重要,所以MAX66242提供4K位的用户EEPROM,可划分为开放式访问区域(例如无保护)或读卡器必须通过EEPROM写操作安全认证才可访问的区域。提供多种保护模式,包括EPROM仿真(EM)模式,允许使用不可复位的计数器,限制使用次数。激活EM模式时,标签中的个体存储器位只能从1变为0,但不能从0变为1。一旦选中EM模式,则不可逆。这一过程是实现倒计数或限制便携设备使用次数的最佳方式,可能是最具挑战的工作。

模式也使OEM能够更好地控制允许哪个NFC/RFID读卡器系统连接,无疑是保护设备中储存的校准、配置以及诊断数据的绝佳方式。

高速数据传输,无需外部微控制器

MAX66242无源标签是I?C至NFC/RFID协议转换器网关。标签的I?C端口可作为主机端口或从机端口进行数据交换。在图3所示应用中,NFC/RFID读卡器可访问基于I?C的电子元件,后者直接连接至MAX66242。所以不需要附加微控制器(例如安装在传感器卡上)即可访问数据。

如上所述,IC集成的32字节SRAM缓存器有助于加快I?C至HF数据传输。与必须通过其EEPROM单元传输数据的方案类似,示例中的MAX66242利用其SRAM缓存器管理此类传输。SRAM的访问时间比EEPROM快,这是相对于其它方案的一项优势,加速系统的总体事务处理。

IC也提供可编程输入/输出(PIO)引脚,实现多功能用途,包括在特定应用中中断便携设备的微控制器。该PIO引脚可配置作为RF Busy或RF-Access-In-Progress报警信号。报警信号的一项极好用途是在出现13.56MHz HF电磁场时唤醒正在休眠的嵌入式系统。简而言之,该多功能PIO引脚提供更好地控制系统数据流的途径。

能量收集,提高灵活性和扩展性

能量收集非常有用,使MAX66242成为高度灵活、可扩展的方案,适用于宽范围NFC/RFID应用。

IC作为通用无源标签,不要求外部供电;仅消耗极低功率即可工作,大约50?A,或根据支持的功能略有变化。标签从读卡器的13.56MHzHF电磁场收集能量。针对高效、优化链路正确构造和调谐天线时,无源标签获得的能量远高于本身所需的功率。剩余能量往往被分流至地。相反,在MAX66242中,整流器未使用的收集能量可通过IC的VOUT引脚输出到IC的外部电路。即收集能量可用于IC外围供电,如温度传感器,也从该传感器中收集温度转换数据。IC的VOUT引脚可配置为提供1.8V或3.3V (典型值)电压,磁场足够强时,可配置电源输出提供高达5mA电流。

优化天线设计,最大程度提高功率和效率

只有实现最优的RF电路设计,最大程度传输RF能量时,无源标签的能量提取方法才更有效。读卡器与标签天线线圈之间的能量传输效率很大程度上取决于谐振电路的精度和/或天线调谐方式。天线线圈之间能量的有效吸收或传递是靠电谐振实现的。此时,使MAX66242标签的天线线圈及其调谐电容在13.56 MHz工作频率下产生谐振是关键。

天线设计原理相对简单、明确。必须在PCB (或内层基片)上构建标签的天线电感(LINDUCTOR),使其与片上调谐电容(CTUNING)相匹配,实现13.56MHz的IC谐振。所以,所有电容和电感电抗之和必须为零。当LCw? = LC (2πf)?= 1 (with f = fRES)时,满足该条件。这在理论上表示流入MAX66242标签的能量流(IRF流)达到最大,或者说阻抗达到最小。由此得到式1中的谐振频率fRES和LINDUCTOR。

式1. PCB上集成的外部天线电感(LINDUCTOR)必须与标签的内部调谐电容(CTUNING)相匹配,使电路谐振点为13.56MHz。

满足上式,意味着调谐电路发生谐振。式1也可以作为已知CTUNING值时计算实际LINDUCTOR的例子。计算得到L值后,设计者将构建外部天线,得到L值。实现以上条件后,说明天线设计已经使LC环路接收到的电流最大化。

值得注意的是,实际应用中,设计工程师总是通过设计NFC/RFID天线线圈,使真实系统的功率最大化。由于将标签安装在HF场中,往往存在标签“加载效应”。为考虑该加载效应,天线线圈设计师可能不得不将其设计在超调或欠调,即略微低于或高于13.56MHz的频率,使电路效率较高。关于如何构建天线,超出了本文的讨论范围。

在便携设备中嵌入

客观地说,NFC/RFID正在开启可穿戴技术的市场大门。在物联网(IoT)大潮下,将涌现出越来越多支持传感器的嵌入式系统,通过网络上的各种系统收集用户的生物及其它数据;将会有非常多支持NFC/RFID的医疗和工业应用涌现出来,我们对其规模尚不得而知。

在我们讨论特定应用之前,首先了解一下嵌入式设计中支持NFC/RFID的基本电路结构(图4)。注意,系统需要具备与外部世界通信的途径。

图4. 嵌入式设计中支持NFC/RFID功能的典型电路图。该电路与MAX66242安全认证器标签的主要功能相结合,使嵌入式系统能够支持当今便携式以及安全、嵌入式系统的新型非接触应用。

图4中,I?C接口(SDL和SDA)和PIO信号(RF-AIP和RF-BUSY功能的多路复用线)是连接主机微控制器所必须的,RFID_VCC_ANABLE和SYS_ALERT_INT#信号可选。MOSFET Q1用于隔离。由于可通过RF和I?C接口访问标签内部的EEPROM,当主机微控制器必须在存在HF场的情况下进行连接时,Q1为标签供电。然而,可选的Q2利用电路板上的稳压VCC切换开漏SYS_ALERT_INT# (这种情况下不安装R4)。

在设备原理图中利用该电路(图4)的各种变型,OEM产品可与任何NFC/RFID读卡器或发起方系统进行通信。一旦电路板进入HF场,VOUT升高并导通Q2。开漏信号SYS_ALERT_INT#变为低电平,中断或唤醒主机微控制器,由此表示系统处于HF场中。然后主机微控制器将RFID_VCC_ANABLE驱动为逻辑高状态,将MOSFET Q1导通。此时,主机微控制器即可与产生HF场的NFC/RFID读卡器交换数据。同样,MAX66242的VCC引脚不需要连接电源,因为IC的内部电路由从HF场收集的能量供电。然而,VCC引脚如图4所示连接,所以主机微控制器能够在没有HF场的情况下访问IC。就像有线至无线转换器一样,I?C信号将数据传输至外部。数据流由RF-AIP (RF-Access-In-Progress)引脚控制,也与RF-BUSY引脚多路复用。

该NFC/RFID标签IC带有集成调谐电容。电路中所示的外部调谐电容CEXT-TUNE可选。然而,CEXT-TUNE电容为设计者提供了重新快速调谐系统的途径,取决于标签所处环境下的加载效应。


标签催生新应用

如上所述,NFC/RFID有望催生工业和医疗领域的新型市场。其中部分新应用包括自动设备配置(也称为行为设置)、使用次数设置、系统报警设置(例如系统唤醒)、从设备安全认证以及传感器标签实现等。

支持传感器的NFC/RFID标签——传感器标签

快速增长的一个领域是传感器标签。传感器标签是包含传感器IC的组件(例如插件),从用户行为及周围环境监测规定的物理参数(图5)。这些参数包括温度、压力、光、冲击、振动、湿度、加速度以及化学特性等。这些检测操作附加在标签的标准识别功能之外。安全传感器标签极具吸引力的一个特性是无需连线,即可收集和报告物理参数测量值。这里有一项极大好处: MAX66242是传感器标签方案的关键元件。

传感器标签在医疗消耗品应用中的两个例子是:温度传感器和防晒指数传感器(SPF)。病人戴上一次性温度传感器标签后,护士无需接触病人即可测量体温。鉴于隐蔽的、危险的病毒传播问题,这种方式在一定程度上可以减轻或彻底避免医院或诊所内的交叉感染。按照相同的方式,SFP传感器标签可帮助沙滩上的游人正确使用防晒霜,避免太阳灼伤,用户只需利用智能手机读取SPF传感器即可。

传感器标签也有助于监测货物运输的完整性。例如,在运输贵重和/或易碎货物期间,冲击或振动传感器标签可测量发生的冲击。

本例中,MAX66242是此类应用的关键元件,创新设计可支持主机I?C端口。如果没有主机I?C端口,就需要小型微控制器收集温度转换数据,然后将数据写入到标签的存储器,随后由读卡器收集数据(图5)。

图5. 通用分立式传感器标签的示意电路图。MAX66242主机I?C端口允许智能手机访问传感器并收集温度数据,无需使用微控制器。

如上所述,传感器标签将模拟物理量转换(或变换)为数字输出。此时,MAX66242实际上是连接这些外部模拟参数转换与有用信息的桥梁或管道,用户可在智能电话或平板电脑的屏幕上读取信息。同样,使用该IC的传感器标签无需外部能源,而是使用其能量收集引脚VOUT作为传感器IC的电源。图6所示为典型的分立式传感器标签原理图。

图6. 分立式嵌入传感器标签结构。

诊断和错误数据收集解决长期稳定性问题

简而言之,MAX66242标签真正地支持嵌入式系统与支持NFC功能的便携式通信设备进行通信。NFC/RFID端口也可向服务人员提供报警,类似于汽车仪表盘上的“立即检修引擎”指示灯。

在嵌入式设计中实现了图4所示的电路结构后,系统即能够以无线方式与外部交换信息,包括诊断和误码校验、从失效电路收集数据、运行状态报警,以及其它系统配置/调试和校准数据。这种灵活性为OEM提供了终端产品的增值功能。

设计者可利用MAX66242储存对系统运行至关重要的诊断和故障数据。在系统“死机”后或未上电时,可上传该数据。这种系统健康和故障数据的收集是通过NFC/RFID标签的接口实现的。图7所示为典型的电源管理系统,其中每个负载点(POL)稳压器由公共电源管理总线(PMBus)进行配置和监测。PMBus仅仅是I?C总线的一种变体。系统正常工作期间,持续监测每个POL的关键工作参数。在持续监测模式下,系统管理器也可执行修正措施,以响应故障或工作报警。

图7. 电源转换系统的方框图,利用MAX66242 NFC/RFID标签进行故障记录。

利用该结构中的MAX66242,OEM可创建“瓶中信”或“黑匣子飞行记录仪”,可储存超容限参数(例如所有被监测故障保护电路的触发点参数)。现在,技术人员利用RFID/NFC读卡器读取发生故障之前记录的测量值。该数据也可用于随后预测特定的故障,帮助识别异常工作条件。附加的智能诊断故障功能有助于在下一代产品中预测、缓解甚至消除灾难性故障的根源。

应用常见于工业控制和自动化领域的现场传感器和I/O卡。MAX66242标签允许调试传感器卡,同时设备在货架上可保持不上电。只是在安装之前,利用智能电话将模拟校准数据、关键参数或其它系统级信息下载到传感器或I/O卡上的标签中。所以,消费者可利用其智能电话购买特定设备点卡,然后利用智能电话应用程序(app)装载点卡,或通过便携式设备的NFC/RFID连接激活功能。

总结

最近几年,NFC/RFID技术的普及率已经大幅提高。但为什么为便携式设备增加NFC/RFID功能呢?因为这将使嵌入式平台向更多应用开放,催生了新兴的安全便携式通信应用;为OEM提供绝佳的商业机会。毫无疑问,随着该技术的快速发展,潜在应用也越来越多;NFC/RFID被认为是IoT的关键基石之一。

我们给出了以DeepCoverMAX66242安全认证为核心的NFC/RFIC应用电路。使用这种新方法,嵌入式便携系统很容易连接外部世界。OEM可增强其产品差异化。随着智能电话和平板电脑制造商不断在其产品中增加NFC/RFID技术,将逐步完善生态系统。

如果每个人都拥有NFC/RFID读卡器,每个人都可以读取一些信息。这正是OEM的用武之地,再次获益!MAX66242标签示例为设计者提供了灵活配置、安全认证以及报告诊断数据的能力,是在嵌入式系统中简单、明确实现NFC/RFID功能的核心。抓紧行动,趁着多数支持NFC/RFID的设备尚未实现。

以下是与非网精选原创系列,从产业到八卦,从技术到深度观察都应有尽有,更多精彩,请进入与非原创查看。

《2016年注定不会平静》

面对2016年不明朗的市场前景,每个厂商也都有自己的看法和小算盘,随着半导体产业的加速整合,企业并购的步伐不会停止,有着高增长潜力的应用也必将掀起一场血雨腥风。此专题就带大家了解半导体厂商们对2016年产业大势的看法以及它们的应对...

《快充江湖演义》

手机、平板,移动电源等移动设备的快速充电,在2015年已经爆出了火花,去淘宝上看看就能一目了然。以手机和移动电源为例,大有不支持快充就等同于OUT了之势。当前快充处于军阀混战年代,今天“彩云追月”就给大家带来一段“快充江湖演义”...

《盘点中国“芯”》

纵观中国集成电路产业20多年来的风雨历练,我们到底做的咋样了?是不是有一些产品和技术真的拿得出手了?相信你也和小编一样,在心里画上了大大的问号。 为此,与非网特别策划了这个《我的中国“芯”》系列,每周精选一款国产芯片,并列举市场上同类型的主流芯片做对比。咱们来看看国产芯片到底哪些地方做得 好,哪些地方还差点火候...

《中关村故事》

100年前,这里是一片专属于明清太监的荒凉坟场,叫做“中官坟”。100年后,这里是见证中国高新技术发展的“硅谷”,叫做“中关村”。冬去春来,四季更替,让我们一起聆听那些发生在中关村的故事...

《科技新观察:我有我观点》

以最新的视角来进行半导体行业市场观察...

《程序员“趣”事一箩筐》

程序员在工作中到底是怎样的?他们会遇到怎样的奇葩上司和逗比下属?他们是否只会呆板地修补Bug?我们不防听工程师自己来说说自己工作中的那些开心的不开心的事儿,说不定会和你产生共鸣...

《微话题》

电子圈的话题不比娱乐圈少。从宏观产业到微观技术,从职业理想到生活点滴每个人都有自己独到的见解。与非网开设《微话题》栏目和大家一体闲聊电子圈的是是非非,这里没有对错,只有你想不到的、不敢说的……

《芯闻联播》

本周开始,与非网将推出一档全新的资讯点评栏目《芯闻联播》。我们将集合汇总一月内最劲爆的产业事件、最重磅的企业动向、最独家的新闻报道以及最直接的点评,在每周为各位网友奉上电子产业的饕餮大餐...

《显微镜下的嵌入式产业》

在我们门外汉看来繁荣的表象背后,哪些技术真正经得起市场的考验,哪些产业又将惨遭淘汰,需要明眼人为我们拨开迷雾。为此,与非网特邀嵌入式产业的践行者 和观察家何小庆老师坐阵,为我们带来他对这一产业的一系列前沿观察和深入分析,了解更多行业走势、发展脉络,敬请持续关注!



评论

技术专区

关闭