NFC от STMicroelectronics: руководство по использованию ST25

Технология беспроводного взаимодействия NFC, впервые представленная рынку в 2003 году, описывается несколькими стандартами. Помочь разработчику разобраться в них и выбрать нужные для своего проекта, а также подобрать метки и считыватели NFC/RFID серии ST25 производства STMicroelectronics поможет данное руководство.

Коммуникационная технология ближнего радиуса действия (Near-Field Communication или NFC) разработана для двухстороннего беспроводного взаимодействия между электронными устройствами на очень близком расстоянии.

NFC поддерживается и продвигается некоммерческой отраслевой ассоциацией «Форум NFC», созданной с целью расширения применений этой технологии в бытовой и коммерческой электронике, мобильных устройствах и компьютерах. «Форум NFC» способствует внедрению и стандартизации данной технологии, обеспечивающей взаимодействие между устройствами и сервисами.

NFC – это усовершенствованная разновидность технологии RFID (радиочастотная идентификация) с дополнительным набором специфических стандартов, обеспечивающих взаимную совместимость оборудования с поддержкой NFC. Стандарты NFC определяют, помимо прочего, рабочую среду, форматы данных, скорости передачи и тип модуляции.

Для взаимодействия устройств технология NFC использует индуктивную связь между ними и работает с электромагнитным полем на частоте 13,56 МГц, расположенной в нелицензируемом участке радиочастотного спектра. Устройство NFC может извлекать энергию из электромагнитного поля, генерируемого другим устройством NFC, и, следовательно, не требует источника электропитания. Такие устройства могут размещаться в формфакторах меток, наклеек, пультов  дистанционного управления или платежных карт.

Поскольку диапазон расстояний передачи невелик, транзакции NFC по своей природе более безопасны, чем транзакции с использованием других беспроводных технологий. При незначительной энергии, требуемой для создания зоны взаимодействия, устройства NFC имеют очень малое энергопотребление, что идеально для устройств с питанием от батареи, например, для смартфонов.

В руководстве также представлены электронные компоненты производства компании STMicroelectronics (NFC-/RFID-метки и считыватели серии ST25), разработанные для встраивания в различные устройства. В статью не включено детальное объяснение элементов криптографии и безопасности бесконтактных смарт-карт.

Обзор

Коммуникационная технология ближнего радиуса действия определяет два типа NFC-устройств. Они называются «инициатор» (ридер) и «целевой объект» (метка). Как следует из названия, инициатором является устройство, которое инициирует коммуникацию. Оно также управляет процессом обмена данными. Целевое устройство отвечает на запрос от инициатора и принимает участие в коммуникации (сеансе связи).

Инициатором NFC может быть, например, считыватель RFID или смартфон. Инициатор, находясь в непосредственной близости от другого устройства NFC, начинает с ним сеанс связи, а затем получает от него информацию или запускает какое-либо действие в соответствии с этой информацией. Идентификация товара, имеющего NFC-метку, является хорошим примером сбора информации. Удачным примером действия в результате транзакции NFC является соединение через Bluetooth музыкального плеера (инициатор NFC) с беспроводной колонкой (целевое устройство NFC).

Для того чтобы обеспечить технологии NFC функциональную совместимость и широкое применение среди множества приложений, система была определена таким образом, чтобы соответствовать ряду общепризнанных международных стандартов. Первоначальная задача «Форума NFC» заключалось в дополнении устаревших стандартов ISO/IEC для устройств RFID новым режимом работы в формате равноправной (peer-to-peer) бесконтактной коммуникации. Сегодня международные стандарты NFC, такие как ISO/IEC 18092, и спецификации «Форума NFC» уже выходят за рамки этой первоначальной задачи. Более подробная информация о наборе стандартов и спецификаций, формирующих технологию NFC, дана в разделе «Стандарты».

На рисунке 1 обобщенно представлены примеры использования технологии NFC.

Рис. 1. Примеры использования NFC

Рис. 1. Примеры использования NFC

NFC имеет два рабочих режима: пассивный и активный (подробнее об этом написано в разделе «Режимы работы») и три режима коммуникаций: чтение/запись, эмуляция карты и равноправное (peer-to-peer) соединение (раздел «Режимы коммуникации»). NFC также определяет типы меток, о чем подробнее рассказывается в разделе «Типы меток».

Глоссарий

В таблице 1 перечислены использованные в этом документе термины, касающиеся технологии NFC.

Таблица 1. Терминология для технологии NFC

Термин Определение
NFC Коммуникационная технология ближнего радиуса действия (Near-Field Communication)
«Форум NFC» Ассоциация производителей, обеспечивающих развитие технологии NFC
Устройство «Форума NFC» Устройство, соответствующее спецификациям «Форума NFC»
Активность Процесс внутри устройства NFC с заранее определенными предварительными и конечными условиями. Активность начинается только тогда, когда выполняются предварительные условия. По завершении активности оказываются выполненными конечные условия
Инициатор Функция NFC-устройства в режиме опроса, когда устройство обменивается данными, используя протокол NDEP
Целевое устройство Функция устройства «Форума NFC» в ряде действий, когда устройство обменивается данными, используя протокол NDEP
Режим опроса Первоначальный режим устройства NFC, когда оно генерирует несущую частоту и опрашивает другие устройства
Опрашивающее устройство (poller) Устройство «Форума NFC» в режиме опроса, также используемое в качестве PCD, определенного в соответствии с ISO/IEC
Режим прослушивания Первоначальный режим для устройства NFC, когда оно не генерирует несущую частоту. В этом режиме устройство «прослушивает» РЧ-поле другого устройства
Прослушивающее устройство Устройство «Форума NFC» в режиме прослушивания, также используемое в качестве PICC, определенного в соответствии с ISO/IEC
PCD – Proximity coupling device (VCD – Vicinity Coupling Device) Вплотную (Proximity) или на удалении (Vicinity) взаимодействующее устройство, – ряд технологий, определенных в стандартах ISO/IEC для устройств считывания/записи с определенным набором команд
PICC – Proximity inductive coupling card (VICC – vicinity integrated circuit card) Карта с ИС, действующая при касании или на удалении (Proximity, Vicinity) – ряд технологий, определенных в стандартах ISO/IEC для карт, с определенным набором команд
Карта PICC в форме кредитной карты без собственного источника питания, не генерирующая электромагнитное РЧ-поле и способная взаимодействовать с устройством считывания/записи
Метка PICC в форме наклейки, электронного брелока и других подобных устройств, без собственного источника питания, не генерирующая электромагнитное РЧ-поле и способная взаимодействовать с устройством считывания/записи
Peer Одно из двух взаимодействующих NFC-устройств в режиме равноправной коммуникации
Режим считывания/записи Режим, в котором NFC-устройство, находясь в состоянии опроса, выполняет ряд действий и ведет себя как PCD
Эмулятор карты Режим, в котором NFC-устройство, находясь в состоянии прослушивания, выполняет ряд действий и ведет себя как PICC
Равноправное соединение (Peer-to-peer, P2P) Определенный «Форумом NFC» коммуникационный режим, который используется для связи между двумя устройствами и обеспечивает наиболее быстрый обмен данными
Активное устройство Одно из взаимодействующих устройств NFC, которое временно генерирует собственное электромагнитное РЧ-поле
Пассивное устройство Одно из взаимодействующих устройств NFC, которое не генерирует собственное электромагнитное РЧ-поле
Активный режим Один из двух режимов работы (по определению «Форума NFC»), в которых активное устройство взаимодействует с пассивным
Пассивный режим Один из двух режимов работы (по определению «Форума NFC»), в которых активное устройство взаимодействует с пассивным.
RF Радиочастотное поле (радиочастота, РЧ)
RFID (Radio-Frequency Identification) Радиочастотная идентификация – стандартизированная технология, являющаяся основой для технологии NFC
NDEP (NFC Data Exchange Protocol) Протокол обмена данными NFC, определенный в ISO/IEC 18092 как полудуплексный протокол поблочной передачи данных
NFCIP (NFC Interface and Protocol) Интерфейс и протокол NFC
NDEF (NFC Data Exchange Format) Формат обмена данными NFC
DEP (Data Exchange Protocol) Протокол обмена данными
SNEP (Simple NDEF Exchange Protocol) Простой протокол обмена NDEF
HF Высокая частота
MCU Микроконтроллер, МК
ISO (International Standardization Organization) Международная организация по стандартизации
IEC (International Electro-technical Commission) Международная электротехническая комиссия
ASK (Amplitude Shift Keying) Амплитудная манипуляция, АМ
FSK (Frequency Shift Keying) Частотная манипуляция, ЧМ
PSK (Phase Shift Keying) Фазовая манипуляция, ФМ
OOK (On-Off Keying) Передача сигнала с амплитудной манипуляцией
VHBR (Very High Bit Rate) Сверхскоростная передача данных
ECMA (European Computer Manufacturers Association) Европейская ассоциация производителей компьютеров
URI Унифицированный идентификатор ресурса: URL для унифицированного адреса ресурса; URN для унифицированного названия ресурса
MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions) Многоцелевые расширения электронной почты, стандарт интернета, расширяющий формат электронной почты
FELICA®, net FeliCa® Система смарт-карт RFID от компании Sony

Технология

Режимы работы

Пассивный режим

В пассивном режиме работы (рисунок 2) только одно устройство NFC генерирует РЧ-поле. В этом смысле оно активно и всегда играет роль инициатора NFC. Другое устройство является пассивным и всегда играет роль объекта NFC.

Рис. 2. Пассивный режим передачи

Рис. 2. Пассивный режим передачи

Активное устройство передает данные путем модуляции генерируемой им несущей радиочастоты. Обнаруженная пассивным устройством модуляция интерпретируется как данные. Пассивное устройство передает данные активному устройству путем модуляции нагрузкой интенсивности электромагнитного поля. Активное устройство обнаруживает изменения и интерпретирует их как данные.

Рабочие расстояния и скорость передачи данных зависят от размера антенны и величины модуляции поля, эти параметры указаны в таблице 2.

Таблица 2. Рабочие состояния устройств NFC в пассивном режиме

Режим Максимальное рабочее расстояние, см Скорость дискретных данных, кбит/с
Ближняя зона 10 106…848
Удаленная зона 20 6…53

Данные для передачи в любом направлении кодируются методами, определенными в RFID ISO/IEC и конкретно в стандарте NFC.

Этот режим обычно используется для считывания бесконтактных меток и смарт-карт.

Активный режим

В активном режиме работы оба устройства NFC генерируют радиочастотное электромагнитное поле. Каждая сторона передает данные методом амплитудной манипуляции (ASK). В сравнении с пассивным режимом здесь достижимо увеличенное до 1 м рабочее расстояние (зависит от протокола). Наиболее высокие скорости передачи данных до 6,78 Мбит/с, называемые VHBR (Very High Bbit Rate), достижимы при использовании PSK (фазовой манипуляции). Чтобы ответить инициатору запроса, в этом режиме целевое устройство NFC выполняет модуляцию поля нагрузкой.

Радиопередачи являются полудуплексными, поскольку один и тот же радиоканал используется как для передачи, так и для приема. Во избежание появления конфликтов устройства работают по принципу прослушивание перед передачей (Listen Before Talk, LBT).

Режимы коммуникации

На рисунке 3 в центре представлен смартфон, использующий один из трех режимов коммуникации по рекомендации «Форума NFC»: чтение/запись, эмуляция карты и режим равноправного (peer-to-peer) соединения.

Рис. 3. Режимы работы и коммуникаций для устройств NFC

Рис. 3. Режимы работы и коммуникаций для устройств NFC

Режим чтения/записи

Взаимодействующее в режиме чтения/записи устройство NFC считывает данные из объекта или записывает их в него. Затем оно может действовать с учетом информации, считанной с объекта. Например, смартфон с поддержкой NFC, находясь в непосредственной близости от NFC-метки, способен извлечь URL и перейти по нему на соответствующий веб-сайт. Он может отправлять текст SMS без прямого ввода текста, получать купоны, запускать сопряжение устройств, получать электронную визитку и так далее.

Этот режим использует формат сообщения, определенный «Форумом NFC». Передача данных не защищена.

Режим эмуляции карты

В этом режиме устройство NFC ведет себя как стандартная бесконтактная смарт-карта. Это позволяет использовать его с существующими бесконтактными считывателями смарт-карт для таких операций как контроль доступа, бесконтактные платежи, обмен прошивкой или передача данных. Эмулирующие смарт-карты NFC-устройства обычно работают в пассивном режиме и передача данных защищена.

Режим взаимодействия равноправных устройств

В процессе равноправного взаимодействия (Peer-to-peer, P2P) устройства находятся в активном режиме. Одно из устройств инициализирует коммуникационное соединение. Как только соединение установлено, это устройство передает сообщения другому устройству, применяя правило «послушай, прежде чем говорить». Обмен данными в этом коммуникационном режиме является ускоренным в сравнении с другими режимами, так что может быть передано большее количество данных.

Типы меток

«Форумом NFC» изначально определены четыре типа меток NFC. Дополнительный, пятый тип относится к технологии NFC-V и сейчас также включен в спецификации Форума.

В таблице 3 представлен обзор типов NFC-меток. Скорость передачи данных выше 100 кбит/с, отображаемая в таблице 2, а также используемая в этом документе, округляется до ближайшего целого числа кбит/с.

Таблица 3. Типы NFC-меток

Особенности Тип 1 Тип 2 Тип 3 Тип 4 Тип 5
Стандарт ISO/
IEC 14443A
ISO/
IEC 14443A
ISO/
IEC 18092,
JIS X 6319-4, FELICA
ISO/IEC 14443A
ISO/IEC 14443A
ISO/
IEC 15693
Память, кбайт 0,96…2 48…2 2 32 64
Скорость передачи данных, кбит/с 106 106 212; 424 106; 212; 424 26,48
Возможности Чтение; чтение/запись; только чтение Чтение; чтение/запись; только чтение Чтение; чтение/запись; только чтение Чтение; чтение/запись; только чтение; заводская конфигурация Чтение; чтение/запись; только чтение
Предотвращение конфликтов Нет Да Да Да Да
Примечания Простота, невысокая эффективность Высокая цена, комплекс приложений Удаленная зона (vicinity)

Метки типа 1 соответствуют требованиям ISO/IEC 14443A. Они способны работать в режиме чтения/записи и могут настраиваться пользователем для режима «только чтение». Размер памяти варьируется от 93 байт до 2 кбайт, а скорость коммуникации или передачи данных составляет 106 кбит/с. Метки типа 1 не поддерживают механизм предотвращения конфликтов.

Метки типа 2 соответствуют требованиям ISO/IEC 14443A. Они способны работать в режиме чтения/записи и могут настраиваться пользователем для режима «только чтение». Размер памяти варьируется от 48 байт до 2 кбайт, а скорость коммуникации или передачи данных составляет 106 кбит/с. Метки типа 2 поддерживают механизм предотвращения конфликтов.

Метки типа 3 соответствуют стандартам ISO/IEC 18092 и JIS X 6319-4 за исключением поддержки шифрования и аутентификации. Даже если имеется возможность чтения/записи, метка типа 3 может быть настроена на режим «только чтение». В процессе эксплуатации метки типа 3 может использоваться специальное сервисное оборудование для повторной записи данных. Метка типа 3 содержит 2 килобайта памяти. Скорость передачи данных составляет 212 или 424 кбит/с. Метки типа 3 поддерживают механизм предотвращения конфликтов.

Метки типа 4 соответствуют стандарту ISO/IEC 14443 версий A/B. Режим работы метки типа 4 «только для чтения» устанавливается на заводе-изготовителе, и для обновления данных метки требуется специальное сервисное оборудование. Размер памяти метки типа 4 — до 32 кбайт, а скорость передачи данных составляет 106 кбит/с, 212 кбит/с и 424 кбит/с. Метки типа 4 поддерживают механизм предотвращения конфликтов.

Метки типа 5 (NFC-V) недавно были добавлены в спецификацию «Форума NFC». Такая метка основана на стандарте ISO/IEC 15693, содержит более 64 кбайт памяти, поддерживает скорость передачи данных 26,48 кбит/с и механизм предотвращения конфликтов.

РЧ-поле и беспроводной интерфейс

Индуктивная связь

Технология NFC использует электромагнитную индукцию между двумя рамочными антеннами, расположенными в ближнем поле двух взаимодействующих устройств, эффективно формируя трансформатор с воздушным сердечником. Устройства NFC работают в нелицензированном радиочастотном диапазоне 13,56 МГц. Большая часть радиочастотной энергии сосредоточена в разрешенном диапазоне с полосой пропускания ±7 кГц, но полная спектральная огибающая при использовании модуляции ASK может достигать 1,8 МГц.

Взаимная индукция позволяет не только реализовать канал связи между расположенными в непосредственной близости (PCD, PICC) или на некотором удалении (VCD, VICC) устройствами для обмена информацией, но также передает электрическую энергию от подключенного устройства (PCD, VCD) к карте (PICC, VICC).

Поскольку устройство связи передает данные на карту посредством прямой модуляции радиочастотного поля, средняя энергия радиочастотного поля при передаче данных уменьшается. Различные методы модуляции и кодирования данных приводят к разным уровням средних потерь энергии РЧ-поля. Выбранные для VCD и VICC технологии, описанные в разделе «Передача данных», направлены на минимизацию потерь энергии РЧ-поля при передаче данных VCD-VICC. Это больше необходимо для устройств, действующих на удалении, чем для прикладываемых вплотную друг к другу. Нельзя бесконечно увеличивать расстояние связи путем простого повышения мощности генерируемого радиочастотного поля, так как существуют законодательные ограничения величины радиочастотного излучения.

Прямая и непрямая модуляции

Передающее устройство передает данные устройству, прослушивающему канал связи, путем непосредственной модуляции интенсивности радиочастотного поля. Слушающее устройство передает ответ устанавливающему сеанс связи устройству путем модулирования нагрузкой РЧ-поля, меняя нагрузку для своей антенны, как бы замыкая вторичную обмотку трансформатора. Такая непрямая модуляция вызывает обнаруживаемые другим устройством изменения интенсивности поля, которые интерпретируются как данные.

Индекс модуляции

ISO/IEC 14443-2 определяет индекс модуляции. Модуляция NFC-B 10% означает, что индекс модуляции равен 10%, но спецификация допускает отклонения в диапазоне 8…14%. Способ вычисления индекса модуляции, а также широко используемой глубины модуляции показан на рисунке 4. Между двумя измерениями существует детерминированная связь, показанная в таблице 4.

Рис. 4. Индекс модуляции в сравнении с глубиной модуляции

Рис. 4. Индекс модуляции в сравнении с глубиной модуляции

Таблица 4. Индекс модуляции в сравнении с глубиной модуляции

Индекс модуляции, % Глубина модуляции, %
8 85,2
9 83,5
10 81,8
11 80,2
12 78,6
13 77
14 75,4

Величина индекса модуляции составляет примерно половину того, что предполагает соответствующая диаграмма. Например, разница между значениями A и B на рисунке 4 составляет около 30%, тогда как реальная величина индекса модуляции для отображаемого сигнала составляет всего около 15%.

Разработчики, впервые создающие считыватели NFC-B, часто неправильно интерпретируют требование наличия индекса модуляции 10% и устанавливают глубину модуляции 90%, что соответствует примерно 5% индекса модуляции. В результате их конструкция не соответствует спецификации.

Как указано в разделе 9.1.2 ISO/IEC 14443-2, времена нарастания и спада огибающей модуляции должно составлять две микросекунды или менее. Разница между верхним и нижним амплитудными значениями (A — B) не может превышать 10%. Рисунок 4 иллюстрирует определение A и B.

Принцип модуляции нагрузкой

Слушающее устройство NFC передает данные путем обратного рассеяния радиочастотного поля, то есть путем изменения его интенсивности. Это достигается за счет поглощения большей или меньшей части энергии поля посредством технологии, называемой нагрузочной модуляцией, то есть модуляцией нагрузкой, которую слушающее устройство помещает в РЧ-поле, генерируемое считывателем.

Реализовать нагрузочную модуляцию слушающее устройство может двумя способами. Увеличить нагрузку антенны можно подключаемыми к ее выводам резистором или конденсатором. Подключение резистора имеет эффект отвода тока от антенны во всем диапазоне частот. В нормальных условиях резонансная частота цепи LC, образованной антенной, и суммарная емкость на ее выходе соответствуют несущей частоте NFC, равной 13,56 МГц, что минимизирует поглощение энергии из поля. Подключение дополнительного конденсатора к выводам антенны вызывает изменение резонансной частоты, что приводит к увеличению энергии, выведенной из поля в диапазоне 13,56 МГц.

На рисунке 5 приведен пример антенных схем, связанных с такими активными или пассивными NFC-устройствами как смартфон, устройство считывания карт, метка или смарт-карта.

Рис. 5. Пример РЧ-схемы в устройствах NFC

Рис. 5. Пример РЧ-схемы в устройствах NFC

Антенна

ISO/IEC 14443 определяет 6 классов антенн (показанных на рисунке 6), также упоминаемых в ISO/IEC 15693. Для каждого устройства NFC необходимо выбрать подходящую антенную конструкцию, чтобы обеспечить оптимальные параметры в заданной среде.

Рис. 6. Классы антенн PICC, определенные в ISO/IEC 14443

Рис. 6. Классы антенн PICC, определенные в ISO/IEC 14443

Большие антенны Класса 1 имеют форму и размеры смарт-карты. Они обеспечивают наилучшие показатели в отношении электромагнитного РЧ-поля. На другом конце стандартизованного ряда антенн находится Класс 6. Такая антенна является самой маленькой и обладает наилучшими возможностями для встраивания, с учетом потерь в качественных характеристиках.

«Форум NFC» предоставляет свои собственные конструкции PCD – Proximity coupling device (передатчики, называемые «опрашивателями» – poller) и PICC – Proximity coupling device  (называемые «слушателями» – listener), описанные в NFC Forum-TS-Analog-1.0 (папка 2.2.1, таблица 16).

При подключении к соответствующему генератору и усилителю мощности эталонного PCD от «Форума NFC» он позволяет посылать команды к PICC. Реакция PICC затем может быть зафиксирована и проанализирована посредством связанного измерительного оборудования. Эталонный PCD от «Форума NFC» с тремя различными конструкциями антенных катушек основан на стандартном PCD класса 0 и двух компенсированных версиях антенных катушек PICC-3 и PICC-6, стандартизированных ISO/IEC. Эти катушки, называемые Poller-0, Poller-3 и Poller-6, представлены в соответствующем порядке слева-направо на рисунке 7.

Рис. 7. Образцы конструкций PCD от «Форума NFC»

Рис. 7. Образцы конструкций PCD от «Форума NFC»

Образцы конструкций PICC от «Форума NFC» определены с тремя проектными геометрическими формами антенной катушки. Геометрия катушек Listener-1, Listener-3 и Listener-6, как показано на рисунке 8 в порядке слева направо, основана на размерах внешней оболочки PICC-1, PICC-3 и PICC-6, утвержденных ISO/IEC. Конструкции катушек на печатной плате не обязательно должны быть идентичными. Эталонный PICC «Форума NFC» позволяет анализировать сигнал, отправленный PCD. Для анализа частоты и формы этих сигналов эталонный PICC «Форума NFC» оснащен встроенной измерительной катушкой. Он может отправлять информацию обратно к PCD, используя различные уровни модуляции нагрузкой, управляемые с помощью подходящего источника сигнала. Также он может быть настроен на использование ряда постоянных резистивных нагрузок. Эти значения резистивной нагрузки можно использовать для представления как типичных, так и наихудших вариантов для PCD.

Рис. 8. Образцы конструкций PICC от «Форума NFC»

Рис. 8. Образцы конструкций PICC от «Форума NFC»

Эталонные конструкции «Форума NFC» следует использовать при тестировании и проверке устройства NFC в качестве эталона или ориентира, таким образом помогая разработчикам оптимизировать конструкции антенн.

Накопление энергии

Как описано в предыдущих разделах, технология NFC позволяет использовать миниатюрные и тонкие устройства в виде смарт-карт, вкладок, брелоков и других аналогичных устройств для хранения и передачи данных. Это связано с тем, что не нужен внутренний источник питания, такой как аккумулятор. Во время передачи данных пассивное NFC-устройство потребляет энергию из радиочастотного поля, генерируемого активным устройством.

На рисунке 9 показано, как это происходит. При появлении РЧ-поля в зоне антенны ИС преобразует индуцированную энергию в электрический ток для питания ИС-метки, микроконтроллера и, возможно, других компонентов, таких как датчик. Эти компоненты работают до тех пор, пока присутствует достаточно мощное для их питания РЧ-поле. Микросхема метки может использовать другой выход GPO, чтобы разбудить микроконтроллер, когда радиочастотное поле становится достаточно мощным.

Рис. 9. Накопление энергии из РЧ-поля

Рис. 9. Накопление энергии из РЧ-поля

Функция накопления энергии дает целый ряд преимуществ, включая:

  • использование без батареи таких NFC-устройств как метки или смарт-карты;
  • гидроизоляция: нет необходимости в разъемах или батарейном отсеке;
  • продление времени автономной работы от аккумуляторных батарей;
  • автоматическое пробуждение при приближении NFC-устройства;
  • ток для питания других компонентов в диапазоне до 3 мА.

Передача данных

Передача данных между NFC-считывателем (устройством опроса) и NFC-слушателем (меткой или смарт-картой) обеспечивается с помощью формирования сигналов и кодирования данных. Целью формирования сигналов данных является надежное распознавание двоичных состояний. Целью кодирования данных является организация двоичных состояний таким образом, чтобы формировать двоичный поток данных из логических нулей и единиц, который может быть надежно интерпретирован принимающей данные стороной. Для формирования сигналов данных используются такие методики как прямая модуляция РЧ-поля (считыватель) и косвенная модуляция РЧ-поля (слушатель). Битовое кодирование двоичного потока данных в единицы и нули выполняется с использованием известных методов кодирования. Различные типы NFC (NFC-A, NFC-B, NFC-V) могут использовать и разные методики или значения.

Передача данных NFC-A

Передача данных от PCD к PICC в NFC-A

Передаваемые от PCD к PICC в режиме NFC-A сигналы данных формируются с использованием 100% амплитудной модуляции (индекс модуляции 100%) с несущей частотой 13,56 МГц. Биты в двоичном потоке данных кодируются  модифицированным кодом Миллера, как показано на рисунке 10.

Рис. 10. Передача данных PCD к PICC в NFC-A

Рис. 10. Передача данных PCD к PICC в NFC-A

При 100% амплитудной модуляции (ASK) радиочастотное поле полностью пропадает на короткие периоды времени. Во время пропадания поля прослушивающее устройство (карта) не может получать электромагнитную энергию поля. В процессе активной фазы 100%-амплитудной модуляции схема на карте NFC должна сохранить необходимое количество энергии, чтобы при пропадании поля продолжить электропитание таких слушающих устройств как метки или карты.

Передача данных от PICC к PCD в режиме NFC-A

Передача сигналов данных от PICC к PCD в режиме NFC-A происходит через изменение нагрузки, которую антенная схема слушающего устройства налагает на РЧ-поле, что приводит к изменению его интенсивности. Скорость изменения составляет 848 кГц, то есть является восьмикратной скоростью передачи данных, что создает поднесущую в РЧ-поле. Затем слушающее устройство NFC-A отключает поднесущую методом амплитудной манипуляции (On-Off Keying, OOK), чередуя периоды без поднесущей с периодами с поднесущей (дополнительная нагрузка на частоте поднесущей). Согласование по времени в процессе манипуляции обеспечивает кодирование логических 0 и 1 в битовый поток, при этом используется Манчестерский код. На рисунке 11 показаны все аспекты передачи данных от PICC к PCD в режиме NFC-A.

Рис. 11. Передача данных от PICC к PCD в режиме NFC-A

Рис. 11. Передача данных от PICC к PCD в режиме NFC-A

 

Передача данных NFC-B

Передача данных от PCD к PICC в режиме NFC-B

Передача сигналов данных от PCD к PICC в режиме NFC-B основана на 10%-модуляции методом амплитудной манипуляции (ASK). РЧ-поле здесь постоянно присутствует, что позволяет использовать для кодирования данных метод NRZ (без возврата к нулю), как показано на рисунке 12.

Рис. 12. Передача данных PCD к PICC в NFC-B

Рис. 12. Передача данных PCD к PICC в NFC-B

Передача данных от PICC к PCD в режиме NFC-B

Передача сигналов данных от PICC к PCD в режиме NFC-B использует, как и в случае с NFC-A, ту же самую модуляцию ASK нагрузкой с поднесущей на частоте 848 кГц. Однако вместо амплитудной манипуляции поднесущей, слушающее устройство NFC-B использует методику под названием BPSK (двухпозиционная фазовая манипуляция), сдвигая на полупериод фазу поднесущей в заданные моменты. Временные интервалы фазовых смещений BPSK поддерживают кодирование NRZ и обеспечивают надежное определение логических уровней в потоке двоичных данных. На рисунке 13 показаны все аспекты передачи данных от PICC к PCD в режиме NFC-B.

Рис. 13. Передача данных от PICC к PCD в режиме NFC-B

Рис. 13. Передача данных от PICC к PCD в режиме NFC-B

Передача данных NFC-V

Передача данных от VCD к VICC в режиме NFC-V. Передача сигналов данных от VCD к VICC в режиме NFC-V основана на 10%- или 100%-модуляции методом амплитудной манипуляции (ASK). Двоичное кодирование использует метод импульсно-позиционной модуляции (Pulse Position Modulation, PPM) «один-из-четырех» или «один-из-256». На рисунке 14 показана передача данных от VCD к VICC с использованием кодирования методом PPM «один-из-четырех». Сигнал, в сущности, является интервалом, занимающим одну восьмую символьного периода. Один символ кодирует битовую пару. Импульс каждого из четырех значений битовой пары занимает временной интервал, зарезервированный для него в символьном периоде. Символы «Начало кадра» (SOF) и «Конец кадра» (EOF) располагаются в неиспользованных битовыми парами временных слотах.

Рис. 14. Передача данных от VCD к VICC в режиме NFC-V

Рис. 14. Передача данных от VCD к VICC в режиме NFC-V

Использование PPM для кодирования данных обеспечивает высокий коэффициент заполнения РЧ-поля, в особенности в случае системы «один-из-256». Это позволяет использовать высокий индекс модуляции, обеспечивая устойчивые сигналы передачи данных как в NFC-A, сохраняя при этом низкий уровень РЧ-энергии, как в режиме NFC-B.

Передача данных от VICC к VCD в режиме NFC-V. Передача сигналов данных от VICC к VCD в режиме NFC-V выполняется с 10%-модуляцией ASK, создавая поднесущую 424 кГц и амплитудную манипуляцию (OOK) на поднесущей. Для кодирования битового потока данных используется манчестерский код. Другой вариант технологии NFC-V основан на добавлении частотной манипуляции (FSK), чередуя две поднесущие – 424 и 484 кГц.

Для кодирования двоичного потока данных используется манчестерский код. В этом режиме скорость передачи данных немного изменяется. На рисунке 15 показано, как VICC передает данные к CD с использованием OOK. В случае использования FSK вместо OOK состояние выключенного периода поднесущей заменяется поднесущей на частоте 484 кГц.

Рис. 15. Передача данных от VICC к VCD в режиме NFC-V

Рис. 15. Передача данных от VICC к VCD в режиме NFC-V

Этот стандарт позволяет VCD и VICC выбирать наилучшие условия для коммуникации в соответствии с различными эксплуатационными требованиями, начиная от использования на ближнем расстоянии при высоком уровне РЧ-шума и заканчивая удаленным расстоянием при пониженном уровне РЧ-шума. Этот выбор касается индекса модуляции, скорости передачи битов, а также передачи сигнальных данных от VICC к VCD с использованием OOK или FSK.

Резюме по передаче данных

На рисунке 16 дан обзор различных схем передачи данных. В таблице 5 представлен обзор различных схем модуляции, методов двоичного кодирования и связанных частот и скоростей передачи данных.

Рис. 16. Сводная схема методов передачи данных NFC

Рис. 16. Сводная схема методов передачи данных NFC

Таблица 5. Битовые сигналы, кодирование и скорости передачи данных NFC

Передатчик данных Особенности NFC-A NFC-B NFC-V
PCD или VCD Частота, МГц 13,56 13,56 13,56
Сигналы данных 100% ASK-модуляция 10% ASK-модуляция 10% или 100% ASK-модуляция
Двоичное кодирование Модифицированный код Миллера NRZ 1/4 PPM или 1/256 PPM
Скорость передачи данных, кбит/с 106…424* 106…424 26,48…1, 65
PICC или VICC Сигналы данных Модуляция ASK нагрузкой OOK поднесущей Модуляция ASK нагрузкой BPSK поднесущей Модуляция ASK нагрузкой OOK/FSK поднесущей
Поднесущая 848 кГц 848 кГц 424/848 кГц
Двоичное кодирование Манчестерский код NRZ-код (без возвращения к нулю) Манчестерский код
Скорость передачи данных, кбит/с 106 (тип.)…424* 106 (тип.)…424* OOK: 6,62 или 26,4; FSK: 6,67 или 26,69
  * – 848 кбит/с при подтверждении «Форумом NFC».

Системная архитектура NFC

Как и многие другие системы, технология NFC построена на основе функциональных уровней в виде структурированного логического стека, простирающегося от физической до программной реализации, как показано на рисунке 17.

Рис. 17. Системный функциональный стек NFC

Рис. 17. Системный функциональный стек NFC

Самые нижние уровни представляют собой физические инфраструктуры CPU, MCU (микроконтроллер), коммуникационные интерфейсы и радиосхемы, как определено в ISO/IEC 14443-2 A и B и ISO/IEC 15693-2.

Средние уровни включают в себя пакетирование данных в соответствии с ISO/IEC 14443-3 A и B и ISO/IEC 15693-2, а также формирование команд в соответствии с NFC-A, NFC-B, NFC-V и NFC-F. До этого пункта не существует специфики, непосредственно связанной с технологией NFC, и система соответствует требованиям обычной технологии RFID. Впервые специфика, связанная с технологией NFC, начинается со средних уровней, предназначенных для поддержки коммуникационного режима P2P. Это протокол управления логической связью (LLCP) и простой протокол обмена NDEP (SNEP), как определено в ISO/IEC 18092. Поскольку ISO/IEC 18092 также охватывает один из командных протоколов, NFC-F, LLCP и SNEP на рисунке 17 отображаются на одном уровне.

Также спецификой NFC являются последующие, на более высоком уровне стека, сообщения и записи NDEF. Они обычно реализуются в ПО и доступны через пользовательский интерфейс самого верхнего уровня логического функционального стека NFC. Раздел «Структура NDEF» содержит дополнительную информацию о NDEF.

Структура NDEF

Формат обмена данными NDEF (рисунок 18) является одним из основных элементов, который стандарт NFC добавляет к обычному RFID. NDEF используется во всех устройствах NFC независимо от типа базовой метки или технологии устройств NFC.

Рис. 18. Структура сообщений NDEF

Рис. 18. Структура сообщений NDEF

Записи NDEF стандартизированы, поэтому устройства NFC знают, как их интерпретировать. Вот некоторые из записей NDEF:

  • запись простым текстом;
  • URI;
  • смарт-постер;
  • подпись;
  • vCard (в формате стандартной электронной платежной карты);
  • сопряжение через Bluetooth или Wi-Fi.

NDEF является компактным форматом двоичных сообщений, разработанным для инкапсулирования полезной нагрузки приложения, содержащей в одном сообщении NDEF одну из множества записей. Записи NDEF могут быть одного или разных типов, а размер каждой из них ограничен (232 – 1) байтами.

Сообщение NDEF представляет собой цепочку записей NDEF, что можно рассматривать как абзац с дискретным объемом информации, а записи NDEF в качестве предложений этого абзаца, каждое из которых передает один фрагмент информации. Как количество, так и размер предложений в абзаце являются переменной величиной.

Запись NDEF состоит из заголовка и полезной нагрузки. Заголовок описывает полезную нагрузку с тремя элементами метаданных: длиной полезной нагрузки, типом полезной нагрузки и, опционально, идентификатором полезной нагрузки.

Длина полезной нагрузки (основы) представляет собой четырехбайтное беззнаковое целое число, указывающее на количество байтов в полезной нагрузке. Компактная, короткая запись (один байт) предусмотрена для очень маленьких полезных нагрузок. Чтобы оперативно обнаружить границу записи NDEF, длина полезной нагрузки предоставляется в первых восьми байтах записи NDEF.

Тип полезной нагрузки NDEF указывает идентификатор. В качестве идентификаторов типа NDEF поддерживает унифицированные индикаторы ресурса (URI), конструкцию медиатипа MIME и определенный тип формата NFC. Указывая тип полезной нагрузки, можно отправить ее в соответствующее пользовательское приложение.

Идентификатор полезной нагрузки

Полезной нагрузке (основе) может быть присвоен опциональный идентификатор в форме абсолютного или относительного URI. Использование идентификатора позволяет использовать полезные нагрузки, поддерживающие технологии привязки через URI, для перекрестной ссылки на другие полезные нагрузки.

Стандарты

Технология NFC основана на таких стандартах как ISO/IEC 14443, ISO/IEC 15693, ISO/IEC 18092, ECMA-340, ECMA-352 и других.

Соответствие вариантам ISO/IEC 14443A (тип A) и ISO/IEC 14443B (тип B) обозначается в этом документе как NFC-A и NFC-B. Соответствие JIS X 6319 4 и протоколу FELICA обозначаются NFC-F. Соответствие ISO/IEC 15693 обозначается NFC-V, где «V» означает удаленное рабочее расстояние (максимум 1 метр). Описанный в ISO/IEC 18092 более подробно равноправный коммуникационный режим обозначается как P2P. Интерфейс и протокол NFC соответствуют ISO/IEC 18092, ECMA-340 и ECMA-352 и называются NFCIP.

Сфера применения стандартизована в трех коммуникационных режимах NFC с их протоколами, форматами обмена данными и скоростью передачи битов. В настоящее время скорость передачи данных составляет 106, 212, 424 и 848 кбит/с, а в пределах NFC-V — 1,65, 6,62 (ASK с OOK), 6,67 (ASK с FSK), 26,48 (ASK с OOK) и 26,69 (ASK с FSK) кбит/с.

В дополнение к стандартам международных организаций «Форум NFC» предоставляет ряд технических спецификаций протоколов, формат обмена данными, типы меток, тип записей и так далее.

NFC позволяет смартфонам работать на базовом уровне с помощью устаревших считывателей RFID. При коммуникации в режиме эмуляции карты NFC-устройство должно передавать считывателю прежнего поколения как минимум уникальный ID-номер. «Форум NFC» определил общий формат данных, называемый NFC Data Exchange Format (NDEF), который сохраняет и переносит различные элементы. «Форум NFC» также добавил в спецификацию простой протокол обмена NDEF (SNEP), чтобы разрешить отправку и прием сообщений между двумя устройствами NFC в равноправном коммуникационном режиме.

На рисунке 19 показан упрощенный набор уровней, формирующих технологию NFC. Верхние уровни относятся конкретно к NFC, тогда как нижние слои применимы и к таким технологиям как RFID.

Рис. 19. Упрощенный многоуровневый стек технологий NFC

Рис. 19. Упрощенный многоуровневый стек технологий NFC

На рисунке 20 представлен обзор стандартов и спецификаций, связанных с NFC.

Рис. 20. Карта стандартов и спецификаций, связанных с NFC

Рис. 20. Карта стандартов и спецификаций, связанных с NFC

Устаревшие стандарты ISO/IEC

В этом разделе перечислены стандарты, которые существовали до появления технологии NFC и приняты ею впоследствии. Их основным предназначением была стандартизация технологии RFID.

ISO/IEC 14443 – бесконтактные карты

Стандарт включает четыре раздела:

  • ISO/IEC 14443-1:2008 – физические характеристики. Этот раздел стандарта ISO/IEC 14443 определяет размер и физические характеристики карты. В нем также перечислены некоторые экстремальные условия окружающей среды, которые карта должна выдерживать без прерывающих использование карты дефектов. Эти тесты предназначены для выполнения на уровне карты и зависят от конструкции карты и конструкции антенны. Большинство требований не может быть напрямую переведено на уровень ИС или кристалла.
  • ISO/IEC 14443-2: 2015 – радиочастотная мощность и баланс сигнала. Этот раздел определяет РЧ-мощность и сигнальный интерфейс для двух схем передачи сигналов: типа A и типа B. Обе схемы являются полудуплексными со скоростью передачи данных 106 кбит/с в каждом направлении. Данные с карты передаются посредством модулированной нагрузки с поднесущей 848 кГц. Электропитание карты происходит от РЧ-поля. Батарея не требуется.
  • ISO/IEC 14443-3: 2014 – инициализация и механизм предотвращения конфликтов. В этом разделе описаны протоколы инициализации и предотвращения конфликтов для PICC типов A и B. Определены команды предотвращения конфликтов, отклики, пакеты данных и синхронизация. Схема инициализации и предотвращения конфликтов разработана таким образом, что позволяет создавать мультипротокольные считыватели, способные связываться с картами типов A и B. Находясь в РЧ-поле, карты обоих типов пассивно ожидают команды опроса (Polling). Мультипротокольный считыватель опрашивает один тип карт, завершает все транзакции с ответившими картами, а затем проводит опрос для другого типа карт.
  • ISO/IEC 14443-4:2015 – протокол передачи. Этот раздел определяет высокоуровневые протоколы передачи данных для PICC Типов A и B. Эти протоколы являются опциональными, поэтому PICC могут быть спроектированы как с их поддержкой, так и без нее. PICC сообщает PCD о возможности ответа на команду опроса, как определено в разделе 3 стандарта. Таким образом, PCD знает, поддерживает ли PICC протоколы высокого уровня, определенные в этом разделе стандарта ISO/IEC 14443.

Протоколы, определенные в разделе 4, также позволяют передавать блоки данных приложений, как определено в ISO/IEC 7816-4, и выбор приложения, как определено в ISO/IEC 7816-5. ISO/IEC 7816 является стандартом контактной смарт-карты на основе интегральной схемы.

ISO/IEC 14443 – бесконтактные карты удаленного действия

Стандарт ISO/IEC 15693 входит в ряд международных стандартов, которые описывают бесконтактные смарт-карты ближнего (vicinity) радиуса действия. Он состоит из трех разделов:

  • ISO/IEC 15693-1:2010(E). Этот раздел стандарта ISO/IEC 15693 определяет физические характеристики карт удаленного радиуса действия (VICC). Он применим к идентификационным картам типа ID-1 (определено в ISO/IEC 7810), действующим на небольшом удалении от сопрягаемого устройства.
  • ISO/IEC 15693-2:2009 определяет природу и характеристики поля, которое предусматривается для двунаправленной коммуникации между соединенным на удалении устройством (vicinity coupling device, VCD) и VICC, а также электропитание VICC от энергии поля.
  • ISO/IEC 15693-3:2010 определяет команды инициализации и предотвращения конфликтов, интерпретируемые VICC и VCD.

Стандарты, специфичные для NFC

Интерфейс и протокол NFC (NFCIP) определены в ISO/IEC 18092, а также в ECMA-340 и ECMA-352, в стандартах Европейской ассоциации производителей компьютеров (ECMA). Они определяют схемы модуляции, кодирование, скорость передачи данных и форматы кадров радиочастотного интерфейса, схемы инициализации и условия, необходимые для предотвращения конфликта управления данными во время инициализации как для пассивных, так и для активных режимов работы NFC. Они также определяют транспортный протокол, включая методы активации протокола и обмена данными.

ISO/IEC 18092 – интерфейс и протокол 1 NFC (NFCIP-1)

Этот стандарт определяет режимы коммуникации для интерфейса и протокола NFC (NFCIP -1), используя работающие на центральной частоте 13,56 МГц устройства с индуктивной связью для соединения компьютерной периферии.

ISO/IEC 18092 также определяет активный и пассивный режимы работы NFCIP-1 для настройки коммуникационной сети с использованием устройств NFC в виде сетевого и бытового оборудования.

В частности, он определяет схемы модуляции, кодирование, скорость передачи и формат кадра РЧ-интерфейса. В нем также описаны схемы и условия инициализации, необходимые для управления данными защиты от конфликтов во время инициализации, а также транспортный протокол, включая его активацию и методы обмена данными.

ISO/IEC 18092 согласован с ISO/IEC 13157 – 1:2010 (службы безопасности NFCIP-1 и протокол), а также соответствует ISO/IEC 14443-2, ISO/IEC 14443-3 и ISO/IEC 14443-4, как и ISO/IEC 15693-1, ISO/IEC 15693-2 и ISO/IEC 15693-3.

  • ECMA-340: 2013 – интерфейс и протокол 1 NFC (NFCIP-1) описывает интерфейс NFC и протокол 1 (NFCIP-1) и является совместимым с ISO/IEC 18092.
  • ECMA-352: 2013 – интерфейс и протокол 2 NFC (NFCIP-2) описывает интерфейс NFC и протокол 2 (NFCIP-2) и является совместимым с ISO/IEC 21481.

Интерфейсные ИС для NFC

Различные типы периферийных интегральных схем (ИС) с поддержкой NFC используют в широком спектре электронных устройств от простых меток до таких сложных продуктов как смартфоны. Это могут быть ИС статических и динамических меток, считыватели/контроллеры NFC.

Компания STMicroelectronics разрабатывает и производит полупроводниковые компоненты для каждой из этих категорий продуктов.

Микросхемы для меток

Интегральные схемы специального типа обеспечивают функционирование статической метки NFC. Статическая NFC-метка является пассивным устройством в том смысле, что она не может генерировать РЧ-поле. Хранящиеся в метке данные могут быть прочитаны или изменены активным устройством NFC, таким как считыватель или смартфон. Для передачи сигналов считывателю такая метка использует модуляцию нагрузкой. Такая метка может быть автономной в виде наклейки, ключа дистанционного управления, или встроенной в более крупное устройство. Не имея собственного источника питания, она черпает энергию из РЧ-поля. Метка использует энергонезависимую память, например, EEPROM.

На рисунке 21 показана типичная блок-схема ИС для метки. Среди электронных компонентов STMicroelectronics есть серия ST25Tx, специально разработанная и оптимизированная для использования в пассивных метках.

Рис. 21. ИС для метки

Рис. 21. ИС для метки

ИС для динамических меток

ИС подобного типа обеспечивают функционирование динамической метки NFC. Динамические метки обычно встраивают в электронное устройство.

Они имеют такие же свойства и ведут себя так же, как статические метки при взаимодействии с NFC-устройством (считывателем). Помимо полностью поддерживаемой функциональности статических меток, устройство, в которое встроена динамическая метка, имеет возможность чтения и записи содержимого памяти метки. Для этого в ИС динамической метки интегрированы такие интерфейсы как последовательная коммуникационная шина для взаимодействия с MCU на базовом электронном устройстве.

Чтение/запись другим устройством NFC и чтение/запись MCU основного устройства не обязательно происходят в один и тот же момент времени. Например, содержимое динамической метки может быть изменено, когда питание основного устройства метки выключено, а чтение/запись локального MCU может произойти, когда включится питание основного устройства метки, причем это может случиться через несколько часов. Это напоминает обмен сообщениями по электронной почте между внешним устройством NFC и MCU основного устройства NFC, на котором размещена метка, где память (EEPROM) ИС метки играет роль почтового ящика.

На рисунке 22 показана типичная блок-схема ИС для динамической метки. ИС STMicroelectronics серий M24LR, M24SR и ST25D разработаны и оптимизированы для использования в динамических метках. Опционально для пробуждения микроконтроллера доступен сигнал GPO/прерывания, чтобы оптимизировать энергопотребление.

Рис. 22. ИС для динамических меток

Рис. 22. ИС для динамических меток

Считыватели и контроллеры NFC

Технология NFC включает в себя два типа устройств доступа, это считыватели и контроллеры.

Считыватели NFC

Считыватель NFC может устанавливать и поддерживать коммуникации с меткой или контроллером во всех режимах NFC.

Продукция STMicroelectronics ориентирована для всех основных рыночных сегментов использования NFC:

  • физический доступ – поддержка всех типов меток и карт NFC с 1 по 5 и всех протоколов;
  • общественный транспорт – обработка ISO 14443A, открытые системы;
  • автомобильные системы, включая контроль доступа, запуск двигателя, возможности сопряжения;
  • потребительские устройства, соединяемые для коммуникаций с телефонами через Wi-Fi или Bluetooth;
  • промышленные устройства, инициирующие коммуникации P2P с мобильным телефоном, метки объектов и отслеживание;
  • игровая индустрия;
  • торговля – мост к Pure EMV (Europay Mastercard Visa), оплата, включая купоны P2P.

Режим равноправной связи (P2P) – это активный режим работы двух устройств NFC. Оба устройства также поддерживают модуляцию нагрузкой, которая требуется для начальной фазы настройки равноправной связи. Устройство, которое первым успешно выполняет процесс опроса, становится инициатором и сохраняет эту роль до конца транзакции P2P. Другое устройство выполняет роль целевого объекта.

Сразу после создания канала коммуникации равноправные устройства максимизируют использование прямой модуляции, поочередно генерируют РЧ-поле и передают данные, затем отключают РЧ-поле и принимают данные от другого равноправного устройства. Этот процесс напоминает живое человеческое обсуждение, поскольку обязательно происходит в одном сеансе. Использование прямой модуляции поля обеспечивает повышенную скорость и эффективность коммуникации. Интерфейсная ИС с режимом коммуникации P2P должна поддерживать, помимо функциональных возможностей ИС динамической метки, генерацию собственного РЧ-поля, и предоставлять такие физические ресурсы как буфер ОЗУ.

Устройства (например, смартфоны), которые должны поддерживать режим P2P, используют этот вид интерфейсной ИС NFC, отвечающей требованиям для интерфейсных ИС динамических и статических меток.

На рисунке 23 показана типичная блок-схема ИС интерфейса P2P NFC. Выпускаемая STMicroelectronics микросхема ST95HF отвечает всем требованиям, предъявляемым к P2P-интерфейсу NFC. Опционально для пробуждения микроконтроллера доступен сигнал GPO/прерывания, чтобы оптимизировать энергопотребление системы.

Рис. 23. Интерфейсная ИС P2P

Рис. 23. Интерфейсная ИС P2P

ST25R39xx – это считыватели NFC, совместимые со стандартом EMV. Они отличаются высокой производительностью и повышенной выходной мощностью. Для ускоренной передачи данных применяется технология Very High Bit Rate (VHBR). Скорость передачи данных – до 6,8 Мбит/с. Как показано на рисунке 24, они используют емкостное/индуктивное пробуждение, приводящее к очень малому току в ждущем режиме и низкому энергопотреблению, автонастройку антенны для очень чувствительного и точного обнаружения метки и коммуникацию P2P в режиме активного целевого объекта.

Рис. 24. Особенности считывателей ST25R39xx

Рис. 24. Особенности считывателей ST25R39xx

Контроллер NFC

Контроллеры NFC (рисунок 25) поддерживают следующие требования:

  • режим считывателя: T1, T2, T3, ISO14443 A/B, T4, T5, как определено в разделе 7.3.1,;
  • эмуляция карт ISO 14443 A/B, тип F. Контроллер NFC позволяет отправлять данные на разные хосты, включая Device Host (эмуляция хост-карты) или хост SWP (SIM карта или встроенный защищенный элемент);
  • P2P в пассивном и активном режимах (ISO 18092).

Рис. 25. Контроллер NFC

Рис. 25. Контроллер NFC

Форум NFC описывает механизм обнаружения (цикл опроса), который позволяет контроллеру NFC периодически переключаться между тремя режимами, как это представлено на рисунке 26:

  • сначала генерируется РЧ-поле;
  • посылается команда ATR_REQ для задания активного режима коммуникации (P2P);
  • если ответ не получен, то выдается команда SENS_REQ для протокола типа A (для меток типов 1, 2 и T4A);
  • если нет отклика в течение максимального времени для ответа, цикл опроса переключается на следующий протокол типа B, отправляя команду SENSB_REQ;
  • если нет ответа на эту команду, то посылается SENSF_REQ (для T3);
  • если нет ответа, то отправляется команда INVENTORY_REQ (для удаленных устройств (vicinity));
  • если ответ не получен, то цикл опроса переключается в режим прослушивания для определения удаленных радиочастотных полей (эмуляция карты).

Рис. 26. Управление в режиме контроллера NFC

Рис. 26. Управление в режиме контроллера NFC

Заключение

Данное техническое описание содержит базовую информацию о технологии NFC, которая может являться частью интернета вещей, что придает ей дополнительную функциональность.

Статья помогает разработчикам ориентироваться среди множества стандартов, которые регламентируют технологию NFC, и принимать правильные решения, например, приобретать те копии стандартов, которые необходимы для детального понимания их проектов, связанных с NFC.

Описанные метки и считыватели NFC/RFID серии ST25 с поддержкой технологии NFC используются в электронных устройствах самых разных типов. Для получения более подробной информации посетите специализированные веб-страницы на www.st.com или www.compel.ru.

Оригинал статьи

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
ST25DV04K-IER6T3 (ST)
ST25DV64K-IER6T3 (ST)
ST25DV16K-IER6T3 (ST)
ST25DV64K-IER6S3 (ST)
ST25R3911B-AQFT (ST)
ST25R3911B-DISCO (ST)
ST25R3909-BQTT (ST)
ST25R3910-BQFT-100 (ST)
ST25TA02K-DC6H5 (ST)
ST25TA02K-PC6H5 (ST)
ST25TA02KB-PC6H5 (ST)
ST25TA512-AC6B5 (ST)
ST95HF-VMD5T (ST)
M24LR-DISCOVERY (ST)
M24LR04E-RMC6T/2 (ST)
M24LR04E-RUW20/2 (ST)
M24LR04ERMN6T2 (ST)
M24SR02-YMC6T/2 (ST)
M24SR02-YDW6T/2 (ST)
M24SR-DISCO-PREM (ST)