【導讀】近場通信(NFC)仍然處于炒作與權衡的狀態嗎？顯然不是！NFC之前僅僅被看作是新一代的條形碼，事實證明其實用性和可靠性要高得多。在許多消費類和工業應用，需要NFC和射頻識別(RFID)功能。這些應用不再局限于傳統的簡單、直觀、安全的非接觸式數據交換，兩個支持NFC/RFID的設備之間可以靈活地交換信息，需要做的就是將其靠近在一起。NFC/RFID的主要概念和傳統應用正伴隨著嶄新的，非傳統思維方式而發展。實際上，我們正處在一個創新的年代。
你可能時常聽到“NFC與傳統的RFID有何不同？”的問題，在物理層或RF層，差別確實不太大！NFC本質上是RFID的一種進化形式。實際上，NFC工作在RFID的13.56MHz頻段(HF)。行業聯盟NFC論壇1從RFID物理層協議開始，通過將幾個新層添加到協議棧對其進行改進。增加了NFC數據交換格式(NDEF)，以識別、封裝并在支持NFC的設備之間交換應用數據。這種標準化的格式使得NFC/RFID成為一種應用前途遠大的新興無線通信技術，適應將來的普適計算。
為涵蓋較寬的應用，RFID和NFC在本文的隨后討論中可互換使用。我們將簡要介紹NFC/RFID技術，給出常見的電路模塊，OEM可用來在便攜式電子產品中實現新型非接觸式NFC/RFID功能。示例電路基于DeepCover MAX66242雙接口安全無源標簽。利用給出的電路，很容易將NFC/RFID短距離無線技術增加到嵌入式電子平臺。我們將結合幾種實際使用情況展開討論。
讀卡器和標簽：NFC/RFID基礎
是一種標準的近距離無線通信技術，支持彼此位置相對距離較近的手持或其它設備之間的通信。NFC/RFID工作距離為幾英寸到1米。該技術采用電感耦合，是通過兩個設備之間的公共磁場傳遞能量的過程。這一過程實際上與空心變壓器的工作原理相同，讀卡器天線線圈相當于原邊，標簽的天線線圈相當于副邊。讀卡器利用電磁感應產生標簽能夠檢測得到的無線電波。因此，當標簽靠近讀卡器時，讀卡器天線線圈產生的電波將耦合到標簽天線線圈。在標簽內感應產生電壓，然后對其進行整流并為標簽內部電路供電。
圖1所示為讀卡器對電波進行調制并與標簽交換數據的方式。為了將數據從標簽傳輸至讀卡器，標簽電路改變其線圈負載(同時讀卡器的未調制載波保持打開)；互耦使得讀卡器可檢測到這一變化。這種負載變化法稱為負載調制。NFC/RFID的工作載頻為13.56 MHz，屬于全球范圍內無需許可的ISM頻段。關于該技術，有幾個已經頒布的標準規范，包括ISO/IEC 14443 Types A&B和ISO/IEC 15693。
圖1. NFC/RFID標簽(MAX66242)耦合到讀卡器(MAX66300)的磁場。
本例中，MAX66242為無源IC，無需外部電源即可工作的無源標簽。實際上，無源標簽從讀卡器的磁場獲得能量。使用這種NFC/RFID技術的典型應用包括接入控制、智能海報、會員卡和優惠券、移動支付(非接觸式信用卡)、票務和運輸收費。
工作原理——無源標簽認證器
設計者現在可利用便攜式電子產品收集、交換安全系統的配置/校準數據，即使便攜設備主電源斷電。圖1所示方案允許任何嵌入式電子產品通過無線方式與周圍任何設備進行連接，并通過I?C接口與網絡連接。
幾種功能對于無線NFC/RFID應用非常重要：集成到無源標簽認證器的高級安全性(圖2)、集成無線NFC/RFID接口和I?C接口、數據保護模式、高速數據傳輸、標簽能量收集；MAX66242集成了SHA-256加密引擎，提供基于安全密鑰的對稱式質詢-應答安全認證。是控制NFC/RFID讀卡器與那些設備通信，以及如何與MAX66242通信的最好途徑。32字節SRAM緩存器有利于通過I?C接口進行高速數據傳輸。標簽上的能量收集引腳VOUT使其利用天線從讀卡器的HF場收集能量。
由于采用SHA-256安全加密、高速數據傳輸以及能量收集——突出優勢，對于希望將NFC/RFID嵌入式便攜系統用于開放式可擴展平臺的OEM來說，該無源標簽具有極大吸引力。
圖2. MAX66342無源標簽的功能框圖。
保證數據安全——只信任正版的從機設備
使用SHA-256加密引擎實現讀卡器與從設備之間的安全、對稱、雙向安全認證。SHA-256散列算法基于美國國家標準與技術研究院(NIST)頒布的安全散列標準FIPS PUB 180-4。SHA-256質詢-應答安全機制在主機和從機器件之間交換數據，是控制NFC/RFID讀卡器與哪些設備通信，以及如何與MAX66242無源標簽通信的最好途徑。
基于對稱密鑰進行雙向、安全認證，讀卡器(即發起者)僅接受正品標簽；只有正品讀卡器可更改標簽的存儲器。該方法假設便攜設備(采用MAX66242)和讀卡器系統具有相同的SHA-256安全算法。激活SHA-256時，便攜設備必須首先向NFC/RFID讀卡器提供有效應答或響應，以進行安全認證。并且便攜設備的應答與接收到的質詢及其儲存的密鑰相關。如果便攜設備應答質詢不正確，那么讀卡器系統(例如智能電話)將拒絕該便攜設備。
這種安全認證機制的主要元素包括256位隨機質詢、MAX66242的ROM ID以及密鑰本身。ROM ID為唯一的64位序列號，在制造過程中嵌入到標簽中。讀卡器中必須設置相同的密鑰并進行保護。圖3所示為安全門卡應用示例，其中NFC/RFID在打開房間門、防火門或防彈門之前發起質詢-應答認證。
為確保以最經濟的形式預防對此類安全IC的(不可避免的)惡意攻擊，無源標簽采用專有的管芯級物理技術和相應的電路、加密方法。這些防護技術可防止攻擊者為了克隆密鑰或更改專有的校準數據而提取密鑰(破壞系統的安全機制)。
圖3. 基于NFC/RFID的電子鎖安全認證是MAX66242無源標簽的核心。
確保數據保護措施的安全性
保護數據安全至關重要，所以MAX66242提供4K位的用戶EEPROM，可劃分為開放式訪問區域(例如無保護)或讀卡器必須通過EEPROM寫操作安全認證才可訪問的區域。提供多種保護模式，包括EPROM仿真(EM)模式，允許使用不可復位的計數器，限制使用次數。激活EM模式時，標簽中的個體存儲器位只能從1變為0，但不能從0變為1。一旦選中EM模式，則不可逆。這一過程是實現倒計數或限制便攜設備使用次數的最佳方式，可能是最具挑戰的工作。
模式也使OEM能夠更好地控制允許哪個NFC/RFID讀卡器系統連接，無疑是保護設備中儲存的校準、配置以及診斷數據的絕佳方式。
高速數據傳輸，無需外部微控制器
MAX66242無源標簽是I?C至NFC/RFID協議轉換器網關。標簽的I?C端口可作為主機端口或從機端口進行數據交換。在圖3所示應用中，NFC/RFID讀卡器可訪問基于I?C的電子元件，后者直接連接至MAX66242。所以不需要附加微控制器(例如安裝在傳感器卡上)即可訪問數據。
如上所述，IC集成的32字節SRAM緩存器有助于加快I?C至HF數據傳輸。與必須通過其EEPROM單元傳輸數據的方案類似，示例中的MAX66242利用其SRAM緩存器管理此類傳輸。SRAM的訪問時間比EEPROM快，這是相對于其它方案的一項優勢，加速系統的總體事務處理。
IC也提供可編程輸入/輸出(PIO)引腳，實現多功能用途，包括在特定應用中中斷便攜設備的微控制器。該PIO引腳可配置作為RF Busy或RF-Access-In-Progress報警信號。報警信號的一項極好用途是在出現13.56MHz HF電磁場時喚醒正在休眠的嵌入式系統。簡而言之，該多功能PIO引腳提供更好地控制系統數據流的途徑。
能量收集，提高靈活性和擴展性
能量收集非常有用，使MAX66242成為高度靈活、可擴展的方案，適用于寬范圍NFC/RFID應用。
IC作為通用無源標簽，不要求外部供電；僅消耗極低功率即可工作，大約50?A，或根據支持的功能略有變化。標簽從讀卡器的13.56MHzHF電磁場收集能量。針對高效、優化鏈路正確構造和調諧天線時，無源標簽獲得的能量遠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過IC的VOUT引腳輸出到IC的外部電路。即收集能量可用于IC外圍供電，如溫度傳感器，也從該傳感器中收集溫度轉換數據。IC的VOUT引腳可配置為提供1.8V或3.3V (典型值)電壓，磁場足夠強時，可配置電源輸出提供高達5mA電流。
優化天線設計，最大程度提高功率和效率
只有實現最優的RF電路設計，最大程度傳輸RF能量時，無源標簽的能量提取方法才更有效。讀卡器與標簽天線線圈之間的能量傳輸效率很大程度上取決于諧振電路的精度和/或天線調諧方式。天線線圈之間能量的有效吸收或傳遞是靠電諧振實現的。此時，使MAX66242標簽的天線線圈及其調諧電容在13.56 MHz工作頻率下產生諧振是關鍵。
天線設計原理相對簡單、明確。必須在PCB (或內層基片)上構建標簽的天線電感(LINDUCTOR)，使其與片上調諧電容(CTUNING)相匹配，實現13.56MHz的IC諧振。所以，所有電容和電感電抗之和必須為零。當LCw? = LC (2πf)?= 1 (with f = fRES)時，滿足該條件。這在理論上表示流入MAX66242標簽的能量流(IRF流)達到最大，或者說阻抗達到最小。由此得到式1中的諧振頻率fRES和LINDUCTOR。
式1. PCB上集成的外部天線電感(LINDUCTOR)必須與標簽的內部調諧電容(CTUNING)相匹配，使電路諧振點為13.56MHz。
滿足上式，意味著調諧電路發生諧振。式1也可以作為已知CTUNING值時計算實際LINDUCTOR的例子。計算得到L值后，設計者將構建外部天線，得到L值。實現以上條件后，說明天線設計已經使LC環路接收到的電流最大化。
值得注意的是，實際應用中，設計工程師總是通過設計NFC/RFID天線線圈，使真實系統的功率最大化。由于將標簽安裝在HF場中，往往存在標簽“加載效應”。為考慮該加載效應，天線線圈設計師可能不得不將其設計在超調或欠調，即略微低于或高于13.56MHz的頻率，使電路效率較高。關于如何構建天線，超出了本文的討論范圍。
在便攜設備中嵌入
客觀地說，NFC/RFID正在開啟可穿戴技術的市場大門。在物聯網(IoT)大潮下，將涌現出越來越多支持傳感器的嵌入式系統，通過網絡上的各種系統收集用戶的生物及其它數據；將會有非常多支持NFC/RFID的醫療和工業應用涌現出來，我們對其規模尚不得而知。
在我們討論特定應用之前，首先了解一下嵌入式設計中支持NFC/RFID的基本電路結構(圖4)。注意，系統需要具備與外部世界通信的途徑。
圖4. 嵌入式設計中支持NFC/RFID功能的典型電路圖。該電路與MAX66242安全認證器標簽的主要功能相結合，使嵌入式系統能夠支持當今便攜式以及安全、嵌入式系統的新型非接觸應用。
圖4中，I?C接口(SDL和SDA)和PIO信號(RF-AIP和RF-BUSY功能的多路復用線)是連接主機微控制器所必須的，RFID_VCC_ANABLE和SYS_ALERT_INT#信號可選。MOSFET Q1用于隔離。由于可通過RF和I?C接口訪問標簽內部的EEPROM，當主機微控制器必須在存在HF場的情況下進行連接時，Q1為標簽供電。然而，可選的Q2利用電路板上的穩壓VCC切換開漏SYS_ALERT_INT# (這種情況下不安裝R4)。
在設備原理圖中利用該電路(圖4)的各種變型，OEM產品可與任何NFC/RFID讀卡器或發起方系統進行通信。一旦電路板進入HF場，VOUT升高并導通Q2。開漏信號SYS_ALERT_INT#變為低電平，中斷或喚醒主機微控制器，由此表示系統處于HF場中。然后主機微控制器將RFID_VCC_ANABLE驅動為邏輯高狀態，將MOSFET Q1導通。此時，主機微控制器即可與產生HF場的NFC/RFID讀卡器交換數據。同樣，MAX66242的VCC引腳不需要連接電源，因為IC的內部電路由從HF場收集的能量供電。然而，VCC引腳如圖4所示連接，所以主機微控制器能夠在沒有HF場的情況下訪問IC。就像有線至無線轉換器一樣，I?C信號將數據傳輸至外部。數據流由RF-AIP (RF-Access-In-Progress)引腳控制，也與RF-BUSY引腳多路復用。
該NFC/RFID標簽IC帶有集成調諧電容。電路中所示的外部調諧電容CEXT-TUNE可選。然而，CEXT-TUNE電容為設計者提供了重新快速調諧系統的途徑，取決于標簽所處環境下的加載效應。
標簽催生新應用
如上所述，NFC/RFID有望催生工業和醫療領域的新型市場。其中部分新應用包括自動設備配置(也稱為行為設置)、使用次數設置、系統報警設置(例如系統喚醒)、從設備安全認證以及傳感器標簽實現等。
支持傳感器的NFC/RFID標簽——傳感器標簽
快速增長的一個領域是傳感器標簽。傳感器標簽是包含傳感器IC的組件(例如插件)，從用戶行為及周圍環境監測規定的物理參數(圖5)。這些參數包括溫度、壓力、光、沖擊、振動、濕度、加速度以及化學特性等。這些檢測操作附加在標簽的標準識別功能之外。安全傳感器標簽極具吸引力的一個特性是無需連線，即可收集和報告物理參數測量值。這里有一項極大好處： MAX66242是傳感器標簽方案的關鍵元件。
傳感器標簽在醫療消耗品應用中的兩個例子是：溫度傳感器和防曬指數傳感器(SPF)。病人戴上一次性溫度傳感器標簽后，護士無需接觸病人即可測量體溫。鑒于隱蔽的、危險的病毒傳播問題，這種方式在一定程度上可以減輕或徹底避免醫院或診所內的交叉感染。按照相同的方式，SFP傳感器標簽可幫助沙灘上的游人正確使用防曬霜，避免太陽灼傷，用戶只需利用智能手機讀取SPF傳感器即可。
傳感器標簽也有助于監測貨物運輸的完整性。例如，在運輸貴重和/或易碎貨物期間，沖擊或振動傳感器標簽可測量發生的沖擊。
本例中，MAX66242是此類應用的關鍵元件，創新設計可支持主機I?C端口。如果沒有主機I?C端口，就需要小型微控制器收集溫度轉換數據，然后將數據寫入到標簽的存儲器，隨后由讀卡器收集數據(圖5)。
圖5. 通用分立式傳感器標簽的示意電路圖。MAX66242主機I?C端口允許智能手機訪問傳感器并收集溫度數據，無需使用微控制器。
如上所述，傳感器標簽將模擬物理量轉換(或變換)為數字輸出。此時，MAX66242實際上是連接這些外部模擬參數轉換與有用信息的橋梁或管道，用戶可在智能電話或平板電腦的屏幕上讀取信息。同樣，使用該IC的傳感器標簽無需外部能源，而是使用其能量收集引腳VOUT作為傳感器IC的電源。圖6所示為典型的分立式傳感器標簽原理圖。
圖6. 分立式嵌入傳感器標簽結構。
診斷和錯誤數據收集解決長期穩定性問題
簡而言之，MAX66242標簽真正地支持嵌入式系統與支持NFC功能的便攜式通信設備進行通信。NFC/RFID端口也可向服務人員提供報警，類似于汽車儀表盤上的“立即檢修引擎”指示燈。
在嵌入式設計中實現了圖4所示的電路結構后，系統即能夠以無線方式與外部交換信息，包括診斷和誤碼校驗、從失效電路收集數據、運行狀態報警，以及其它系統配置/調試和校準數據。這種靈活性為OEM提供了終端產品的增值功能。
設計者可利用MAX66242儲存對系統運行至關重要的診斷和故障數據。在系統“死機”后或未上電時，可上傳該數據。這種系統健康和故障數據的收集是通過NFC/RFID標簽的接口實現的。圖7所示為典型的電源管理系統，其中每個負載點(POL)穩壓器由公共電源管理總線(PMBus)進行配置和監測。PMBus僅僅是I?C總線的一種變體。系統正常工作期間，持續監測每個POL的關鍵工作參數。在持續監測模式下，系統管理器也可執行修正措施，以響應故障或工作報警。
圖7. 電源轉換系統的方框圖，利用MAX66242 NFC/RFID標簽進行故障記錄。
利用該結構中的MAX66242，OEM可創建“瓶中信”或“黑匣子飛行記錄儀”，可儲存超容限參數(例如所有被監測故障保護電路的觸發點參數)。現在，技術人員利用RFID/NFC讀卡器讀取發生故障之前記錄的測量值。該數據也可用于隨后預測特定的故障，幫助識別異常工作條件。附加的智能診斷故障功能有助于在下一代產品中預測、緩解甚至消除災難性故障的根源。
應用常見于工業控制和自動化領域的現場傳感器和I/O卡。MAX66242標簽允許調試傳感器卡，同時設備在貨架上可保持不上電。只是在安裝之前，利用智能電話將模擬校準數據、關鍵參數或其它系統級信息下載到傳感器或I/O卡上的標簽中。所以，消費者可利用其智能電話購買特定設備點卡，然后利用智能電話應用程序(app)裝載點卡，或通過便攜式設備的NFC/RFID連接激活功能。
總結
最近幾年，NFC/RFID技術的普及率已經大幅提高。但為什么為便攜式設備增加NFC/RFID功能呢？因為這將使嵌入式平臺向更多應用開放，催生了新興的安全便攜式通信應用；為OEM提供絕佳的商業機會。毫無疑問，隨著該技術的快速發展，潛在應用也越來越多；NFC/RFID被認為是IoT的關鍵基石之一。
我們給出了以DeepCoverMAX66242安全認證為核心的NFC/RFIC應用電路。使用這種新方法，嵌入式便攜系統很容易連接外部世界。OEM可增強其產品差異化。隨著智能電話和平板電腦制造商不斷在其產品中增加NFC/RFID技術，將逐步完善生態系統。
如果每個人都擁有NFC/RFID讀卡器，每個人都可以讀取一些信息。這正是OEM的用武之地，再次獲益！MAX66242標簽示例為設計者提供了靈活配置、安全認證以及報告診斷數據的能力，是在嵌入式系統中簡單、明確實現NFC/RFID功能的核心。抓緊行動，趁著多數支持NFC/RFID的設備尚未實現。
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