Интегрални схеми, модули и компоненти за NFC - част I

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 4/2021 • 24.06.2021

 

  • NFC използва индуктивната връзка между две електронни устройства, като NFC приемникът модулира полето, генерирано от четеца

  • При попадане на пасивен NFC таг в полето, той получава и извлича от него енергия, която е достатъчна да захрани вградения микроконтролер, който на свой ред отговаря на запитването от четеца

  • NFC антените изискват внимателен подбор и проектиране, за да се постигнат оптимални показатели в съответното приложение и работна среда

 

Димитър Колев

Ден като всеки друг – отключваме и стартираме колата, отваряме вратата на офиса и регистрираме работното си време, плащаме в магазина, влизаме във фитнеса, проверяват документите ни, разменяме си контакти, включваме се към локална безжична мрежа или принтер. Какво е общото между всички тези действия, които искаме да се случват за секунди и обикновено изискват доближаване на карта, ключодържател, документ, ключ, телефон до телефон, таблет, специализиран четец. Разбира се, това става с помощта на силициев чип, наричан таг, който съдържа уникална информация под формата на цифрова комбинация, парола, броячи т.н. Комуникацията се извършва безжично, чрез радиовълни – затова всеки чип се нуждае и от антена. Обикновено тагът е пасивен, няма постоянно или батерийно захранване и не излъчва информация, докато не попадне в електромагнитно поле със съответната носеща честота и не бъде запитан, опознат и прочетен по съответния начин.

От другата страна има антена и друг чип, този път активен – наричан четец. Той периодично създава електромагнитно поле, излъчва запитване и спира за момент (polling), за да приеме отговора от намиращ се в близост таг. Четецът се нуждае от постоянен източник на енергия, както и връзка с външния свят (ако не съдържа съответните данни локално) за потвърждаване и промяна на информацията в тага.

Този тип комуникация e известна като RFID/NFC (Radio Frequency Identification, подклас Near Field Communication), а таговете са снабдени винаги с антена и понякога с допълнителни сензори, светодиоди, бутони, дисплеи, дори батерия. Всички тези компоненти се вграждат и фиксират по подходящ начин в кредитни карти, карти за достъп, гривни, пръстени, ключодържатели и т.н. Завършеният продукт се нарича още Proximity таг.

Възможни са следните ситуации:

  • Reader/Writer – имаме активен четец и пасивен таг. Четецът може да запитва, чете, конфигурира и записва тага, но тагът може само да отговаря, не и да създава самостоятелно поле или да запитва четеца.

  • Peer to Peer – пълноправна комуникация между две NFC устройства, всяко може да бъде четец или таг.

  • Card Emulation Mode – мобилно устройство със съответната NFC фунционалност, може да емулира таг фунционалност спрямо четец.

 

Администрация, спецификации и термини

NFC като интерфейс и протокол е надстройка към съществуващите RFID стандарти и това е причината те да бъдат съвместими. Основни са специфичните разлики като начина и средата на функциониране, форматирането на данните, скоростите на обмен и модулацията.

Организацията, която сертифицира NFC продуктите днес, се нарича NFC Forum и в нея членуват повече от 130 компании. Занимава се с обучение, сертифициране, стандартизиране, както и публикува списък на одобрените лаборатории и продукти. Организацията е официално некомерсиална, създадена с цел да развива и подобрява използването на NFC технологията в потребителската електроника, мобилните устройства и компютърните системи.

NFC се базира на серия от стандарти, като ISO/IEC 14443, ISOIEC 15693, ISO/IEC 189092, ECMA-340, ECMA-352 и други. Изчерпателна информация може да се намери в специализираната литература.

NFC използва индуктивната връзка между две електронни устройства, като NFC приемникът модулира полето, генерирано от четеца. Така приемникът не се нуждае от собствен източник на енергия, което прави възможно интегрирането му в малки и тънки обекти. В същото време чрез директно или индиректно модулиране на полето на предавателя се осъществява и обмен на данни.

Глобално се използва централна (носеща) честота 13,56 MHz (ISM нелицензиран публичен честотен канал), като повечето енергия се концентрира в 14 kHz около централната честота, а при използване на ASK модулация лентата може да достигне до 1,8 MHz. Поддържат се скорости на обмен 106/212/424/26,5 kbit/sec. Използва се CSMA (Carrier Sense Multiple Access) протокол, за да бъдат избегнати конфликти/колизии.

NFC функционира на разстояния до 20 cm (Vicinity, 6-53 kbit/s), или до 10 cm (Proximity), като практически връзката често се установява на разстояния под 4 cm или по-малко – често при докосване между двете устройства, наречено още Tap-On. Съществуват специализирани решения, които могат да работят и на по-големи дистанции. Късото работно разстояние означава също по-голяма сигурност, по-малки смущения и по-ниска консумация на енергия, което прави NFC подходящ избор за мобилни и портативни устройства с батерийно захранване.

 

 

 

В таблица 1 са представени видовете NFC тагове, а в таблица 2 – типовете използвани модулации според режим на работа и комуникация и типа таг.

Данните в едно NFC устройство са организирани в записи в съответствие със структуриран формат, наречен NFC Data Exchange Format (NDEF). Записите съдържат информация, която е кодирана според Record Type Definition (RTD) спецификацията:

  • Device information – например версия на фърмуера

  • Text – текстови стрингове

  • Universal Resource Identifiers – например връзка към Интернет страница

  • Connection Handovers – използвани за изграждане на връзка, също както в GSM мрежата

  • Signature – използва се за опознаване и сигурност

  • Smart poster – текст, като SMS съобщение

NDEF също дефинира как записът се форматира в съобщение с цел да бъде изпратен към друго устройство. NDEF се поддържа от всички съвместими NFC устройства независимо от типа им. При мобилните телефони NDEF съобщението се интерпретира от вградения софтуер и стартира съответното действие като например изпращане на e-mail или SMS, отваряне на интернет страница, осъществяване на обаждане, стартиране на приложение.

 

Антени за NFC

Антените са съществен елемент от всяко NFC устройство. Стандартът ISO/IEC 14443 дефинира 6 класа антени (фиг. 1), включени също и в ISO/IEC 15693. За всяко NFC устройство се изисква внимателен подбор, проектиране и измервания с оглед постигане на оптимални показатели в съответното приложение и среда.

 

 

Антените от клас 1 (с най-голяма площ) обикновено се използват за вграждане в карти. Те са с относително големи габарити и с тях могат да се постигнат максимална чувствителност и работно разстояние. Антените от клас 6 са с най-малки габарити, което ги прави лесни за интегриране, но това е за сметка на по-ниската чувствителност и по-малкото работно разстояние. Стандартните антени трябва да се използват при тестови изпитания и валидиране на NFC устройства, като референтни такива и като общи указания към конструкторите при проектиране и оптимизиране на съответните специфични антенни проекти.

Статията продължава в следващия брой на сп. Инженеринг ревю



ЕКСКЛУЗИВНО

Top