Интегрални схеми, модули и компоненти за NFC - част II

• Energy Harvesting технологията дава възможност за захранване на допълнителни елементи в NFC приемника – светодиоди, сензори и др.
  
  
• NFC интегралните схеми са няколко основни вида – пасивни тагове, динамични тагове, NFC четци, NFC контролери
  
  
• Демонстрационни и развойни модули се предлагат както от производителите на интегрални схеми, така и от компании, които интегрират готови NFC чипове

Димитър Колев

В първата част на статията, публикувана в бр. 4/2021 на списанието бяха разгледани основните принципи на функциониране и типовете NFC устройства – тагове и предаватели, както и антенните системи. Тук продължаваме с характерните особености на захранващите решения за NFC приемници и представяме типични прибори от съвременната елементна база за реализиране на NFC системи – интегрални схеми и развойни модули.

Външно захранване – Energy harvesting

Както бе споменато NFC технологията дава възможност на физически малки обекти да съхраняват и обменят данни. Малките размери са възможни, защото те не включват вътрешно захранване – например батерии. Активната част (четецът) има постоянно захранване и периодично създава електромагнитно поле, едновременно отправяйки запитване. При попадане на пасивната NFC част в полето, тя получава и извлича енергия от това поле, която е достатъчна да захрани и стартира вградения микроконтролер, който на свой ред отговаря на запитването от четеца. Този вид комуникация работи, докато полето от четеца съществува и четецът и приемникът са достатъчно близко, т.е. полето е достатъчно силно, за да може приемникът да извлича енергия от него.

Този начин на външно захранване (Energy harvesting) дава възможност за:

• Малки размери на NFC продуктите, без нужда от батерии
  
  
• Защита от вода, прах и замърсяване – продуктите са капсуловани
  
  
• Понижаване консумацията на устройства с батерийно захранване
  
  
• Автоматично събуждане при приближаване на NFC приемник (ако предавателят работи постоянно, но това консумира повече енергия...)
  
  
• Възможност за захранване на допълнителни елементи в приемника, например бистабилни дисплеи, светодиоди, сензори, дори зареждане на батерии. Възможната консумация е до няколко mA.
  
  

Пример е показан на фиг. 1

Стандарти

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 фамилии и чипове

NFC интегралните схеми (ИС) са няколко основни вида – пасивни тагове (Passive Tag), динамични тагове (Dynamic Tag), NFC четци, NFC контролери. Можем да приемем, че съществува и специален случай – Charging/PWM Tag.

Сред основните производители на NFC тагове, четци и контролери са NXP, Sony, ST Microelectronics, Infineon, Texas Instruments, EM Microelectronic, Qualcomm, Renesas, Panthronics, AMS и др. Подробна информация за всички ИС, както и продукти, в които са използвани, може да се намери в NFC Forum. Ако не са вече интегрирани в краен продукт, NFC ИС се предлагат в стандартни корпуси или като некорпусирани чипове, а дори и като цели силициеви пластини. В последните два случая клиентът трябва да има предвид изискванията за минимално закупено количество, както и да разполага с индустриална възможност за нарязване, бондиране и корпусиране. Достъпът до пълната документация и осигуряването на NFC, предназначени за специални приложения като кредитни карти, пропуски и лични документи, са възможни само след проучване и подписване на споразумения за поверителност (NDA).

В таблица 1 са събрани типични NFC ИС, разпределени по производители и приложения.

NFC ИС като тагове, четци и контролери се произвеждат в значително разнообразие, като тук ще разгледаме само някои по-интересни типове и техните възможности.

NFC М24LRxx и ST25 фамилията на ST Microelectronics включва NFC EEPROM памети, които могат да се четат и записват както безжично, така и чрез стандартен жичен интерфейс.

Например М24LR04E-R, която е динамичен RFID/NFC таг с 4Kbit EEPROM, поддържа energy harvesting, I2C шина, ISO 15693 радио интерфейс. ST25TA64K e 64kbit EEPROM таг тип 4, като достъпът е само безжичен.

NFC интегралната схема NTAG 5 switch на NFC е пасивен таг, предназначен за игрови и осветителни приложения, без нужда от микроконтролер (Фиг. 2) ИС има универсален цифров вход/изход (който може да управлява светодиод или да чете състоянието на бутон) и PWM (ШИМ) изход, който може да управлява яркост на светодиод или обороти на електромотор.

Поддръжката на стандарта ISO/IEC 15693 дава възможност за два типа комуникация – на относително голяма дистанция (до 60 cm) със специализирани индустриални четци или с мобилни апарати на разстояния под 10 cm. Тази възможност за двойна комуникация позволява отдалечено програмиране и калибровка при производителя. ИС е снабдена и с 512 байта памет, която може да се раздели на три отделни области с различно кодиране и ниво на сигурност. Подобни са и NFCNLM0010/11 на Infineon.

NTAG5 boost e пасивен таг на NXP, който може да се захранва и комуникира с външен контролер през I2C slave, но има и I2C master, който може да се свърже директно към сензор или изпълнително устройство, без необходимост от междинен микроконтролер.

Интегралната схема RF430FRL15xH на Texas Instruments представлява 13,56 MHz транспондер с интегриран MSP430 микроконтролер. Интересното тук е, че енергонезависимата памет е тип FRAM и се използва както за програмния код, така и като памет за калибровка и данни от измервания. RF430FRL15xH поддържа безжична конфигурация и обмен на данни съгласно ISO/IEC 15693, ISO/IEC 18000-3, както и жични SPI или I2C интерфейси. Поддържа режими на работа със и без допълнителна батерия.

Интересни с възможността за двойна комуникация – както от страна на таговете, така и от страна на четците, са NFC интегралните схеми на EM Microelectronics. По-конкретно, тези ИС са съвместими с ISO15963 и ISO14443. EM4333 e таг, а ЕМ4094 е четец. ЕМ4830 едновременно поддържа безконтактна комуникация през NFC и контактна в съответствие с ISO7816.

NFC ИС NHS3100 на NXP са ориентирани към сензорни приложения.

Развойни и демо модули

Демонстрационни и развойни модули и китове се предлагат директно от производителите, както и от компании, които се занимават с интегриране на готови NFC ИС. Фирми, които предлагат предимно развойни китове, са SEEED, Spark Fun Electronics, Adafruit Industries, DFRobot и др.

Разширителната карта HydraNFC на SEEED (фиг. 3) е базирана на универсалния четец TRF7970, който може да чете/записва, емулира и прослушва комуникация на 13,56 MHz. Подходяща е за разработка, експериментиране и дебъгинг за NFC. Предвидена е специално за HydraBus, но може да работи и с други микроконтролери. HydraNFC има възможностите на инструменти като Proxmark3, но е физически по-малка, автономна, с повече опции за разширения (използван е CortexM4 контролер, който да слуша и декодира в реално време NFC трафика).

Картата може да работи в 3 режима като RFID и NFC четец, като NFCpeer, или в режим на картова емулация. Поддържа NFC стандарти NFCIP-1 (ISO/IEC 18092) и NFCIP-2 (ISO/IEC 21481), напълно поддържа протоколите за ISO15693, ISO18000-3, ISO14443A/B и FeliCa, поддържа всички кодери, декодери, и пакетиране на NFC Initiator, активни и пасивни операции за скорости от 106 kbps, 212 kbps, 424 kbps. Програмируема изходна мощност +20 dBm (100 mW), +23 dBm (200 mW), програмируем делител от системния осцилатор (RF, RF/2, RF/4) от кристала на 13,56 MHz, външна антена през U.FL/IPEX или SMA.

Фамилията инструменти за развой и дебъгинг на RFID и NFC Proxmark 3 е базирана на АТ91SAM7S512 и XilinxSpartan FPGA, като приемо-предавателната част е осъществена без специализирани четци.

През NFC се конфигурират и обновяват E-ink дисплеите на SEEED (фиг.4), които се отличават с минимална консумация, защото са бистабилни – нуждаят се от енергия само когато се обновяват, а това може да не се случи в продължение на дни или седмици. Разбира се, изображенията са предимно статични. Захранването и обменът на информация стават чрез доближаване на телефон, таблет или четец, които поддържат NFC. Приложенията обикновено са ценови или информационни етикети, часовници, термометри, указателни знаци др.

Широка е гамата демо и развойни комплекти за серията NHS3100 на NXP – SENSOR ADK, TEMO ADK, THAD ADK, UCODE ADK (фиг. 5). Първият има инсталирани сензори за температура, удар, вибрации, наклон и влажност. През радио интерфейса може да се наблюдава текущото състояние, а през локален NFC интерфейс сензорите могат да се конфигурират, стартират, както и да се прехвърлят данни към съответен интернет базиран архив.

По-голяма работна дистанция осигуряват дизайнът на антената и излъчваната мощност (до 1,4 W) на развойния комплект от SEEED, базиран на ST25R3911B. Снабден с STM32F103R контролер, OLED дисплей, бутони и интерфейси за външна комуникация, той поддържа ISO18092, ISO14443A, ISO14443B, ISO15693, FeliCa стандарти.

Към приложения с RaspberryPi е ориентиран развойният комплект PN532 NFC HAT на SEEED (Фиг. 6). Базиран на универсалния четец PN532 от NXP, той поддържа NFC стандарти ISO/IEC 14443A/B/MIFARE, FeliCa, ISO/IEC18092, ECM340, както и три серийни интерфейса – I2C, SPI, UART.

Забавни експерименти с NFC

В края на тази статия ви предлагаме едно предизвикателство – независимо дали имате Android или iOS, можете да инсталирате NFC приложение на телефона или таблета си (ако вече не използвате такова), или дори няколко – просто потърсете NFCreader и други подобни. Примерни приложения може да са TagInfo на NXP, NFC/RFIDreader на RSOnline, STNFCSensor на ST Microelectronics и други. Сега отворете портфейла си, извадете няколко смарткарти и опитайте да ги прочетете. Можете да направите същото с пропуска за работното си място, международния си паспорт, и евентуално с книга от библиотеката... Резултатите ще можете да сравните с всичко написано до тук. Не се опитвайте да записвате или променяте стойности, освен ако не знаете точно какво правите – не носим отговорност за повреди!