№1 / 2013 / статья 5

Для RFID с интеллектуальной регистрацией: память с двойным интерфейсом от STM

Александр Калачев (г. Барнаул)

логотип 

 

 

Одной из последних тенденций современности является становление так называемого «Интернета вещей» (Internet of things) — совокупности устройств, способных взаимодействовать друг с другом, выполняя при этом определенные функции. Иногда это кажется излишеством, но во многих случаях небольшие автоматизированные или автоматические устройства способны составить элегантное решение многих прикладных задач — сбор показаний датчиков, фиксация событий, мониторинг состояния объектов, управление приборами и устройствами. Популярность и сфера применения небольших автономных устройств с сетевыми возможностями постоянно растет. Этому немало способствует уменьшение их размеров и стоимости, а также — развитие программной инфраструктуры в виде стеков протоколов и библиотек приложений.

Интересной разновидностью мобильных беспроводных систем является класс устройств, не требующих для своего функционирования собственного источника питания. Их питание осуществляется за счет получения энергии от внешнего электромагнитного поля. Они становятся активными в некоторой области вблизи источника радиоволн определенной частоты. Вероятно когда-нибудь они достигнут возможностей, описанных в романе В. Винджа «Глубина в небе» (создание полноценной сети с возможностью передачи звука и изображения). На данный момент устройства с питанием от радиоимпульсов, так называемые радиочастотные, или RFID-метки, способны передавать в ответ на запрос некоторую идентифицирующую информацию с возможностью записи новых данных.

 

RFID-устройства

Идентификационные данные и показатели работы, передаваемые RFID-устройствами в зависимости от объекта автоматизации и решаемых задач могут использоваться как самостоятельно, так и совместно с информационными ресурсами внешних информационных систем.

На территории Российской Федерации разрешены для свободного использования следующие диапазоны рабочих частот:

  • НЧ- 125…134кГц;
  • ВЧ- 13,56МГц;
  • УВЧ- 865…868 и 915…921МГц;
  • микроволны- 2,4ГГц.

Рабочая частота выбирается из диапазонов, разрешенных к свободному использованию частот, с учетом следующих факторов:

  • максимального расстояния считывания:
    • для НЧ — несколько сантиметров;
    • для ВЧ — 0,5…0,6 м;
    • для УВЧ — до нескольких метров;
    • для микроволн — до 200…300 метров;
  • типа прикладной системы идентификации;
  • условий эксплуатации;
  • цены устройств.

Основные области применения RFID лежат в системах:

  • обеспечения безопасности:
    • идентификация личности;
    • ключ допуска в помещение;
    • отслеживание перемещений товара или оборудования;
    • системы «антивор»;
  • сбора данных (т.н. «даталоггеры»);
  • логистики.

Можно также выделить и новые тенденции, такие как смена режима работы мобильных вычислительных устройств в зависимости от окружения. В частности, появляются приложения для устройств на платформе Android с поддержкой NFC (Near Field Communications), позволяющие активировать те или иные приложения в зависимости от расположенной рядом метки. Данную идею вполне можно распространить и на более серьезные задачи, например, запрет или разрешение доступа к данным или приложениям в зависимости от окружения — офис, удаленный офис, конференц-зал, дом.

В нашей стране пока наиболее распространены RFID-системы, использующие диапазоны НЧ и ВЧ (125…134 кГц и 13,56 МГц соответственно), считается, что в системах контроля доступа, отслеживания выноса товара и т.п. они менее чувствительны к попыткам блокировки работы.

 

Семейство EEPROM c двойным
интерфейсом доступа

Обычно RFID-устройства представляют собой электрически стираемую энергонезависимую память с доступом по радиоканалу. STMicroelectronics предлагает оригинальное семейство EEPROM M24LRxxх c двойным интерфейсом доступа — данные доступны по интерфейсу I2C и по радиоинтерфейсу стандарта ISO 15693, работающему на частоте 13,56 МГц [1, 2]. По каждому из интерфейсов данные защищены 32-битным паролем доступа — один пароль для I2C-шины и четыре пароля для доступа по радиоканалу. Данные, записанные в EEPROM по интерфейсу I2C, могут быть прочитаны либо смартфоном со встроенным ISO 15693-совместимым NFC-интерфейсом, либо обычным RFID-считывателем.

Память с двойным интерфейсом, хотя и проигрывает в размерах обычным RFID-устройствам, не имеющим корпуса, но открывает целый спектр новых возможностей (рис. 1), сочетая достоинства внешней энергонезависимой памяти и памяти с бесконтактным доступом.

 

Типовая структура системы, использующей память с двойным интерфейсом

 

Рис. 1. Типовая структура системы, использующей память с двойным интерфейсом

В семейство M24LRxxx входят микросхемы EEPROM емкостью от 4 до 64 кбит (таблица 1) [1].

Таблица 1. Семейство микросхем EEPROM с двойным интерфейсом M24LRxxx 

Наименование Емкость, кбит Корпус
M24LR04E-R 4096   SO-8; TSSOP8; UFDFPN 8 2x3x0,6  
M24LR16E-R 16384   SO-8; TSSOP8; UFDFPN 8 2x3x0,6  
M24LR64-R 65536   SAWN WAFER F 8; SO-8; TSSOP8; UFDFPN 8 2x3x0,6  
M24LR64E-R 65536   SO-8; TSSOP8; UFDFPN 8 2x3x0,6  

Серии M24LRxxE имеют выход индикации наличия поля и выход индикации обращения к памяти по радиоканалу, в серии M24LRxx вместо данных выводов расположены выводы выбора адреса (рис. 2) [2].

 

Отличия в выводах между сериями M24LRxx и M24LRxxE

 

Рис. 2. Отличия в выводах между сериями M24LRxx и M24LRxxE

Структурная схема M24LRxxx представлена на рисунке 3.

 

Структурная схема EEPROM M24LRxxx

 

Рис. 3. Структурная схема EEPROM M24LRxxx

 

 

Основные характеристики:

  • диапазон напряжений питания 1,8…5,5В;
  • ток потребления (при питании со стороны I2C-интерфейса):
    • в режиме чтения 50 (Vcc = 1,8; fscl = 100 кГц)…400 (Vcc = 5,5; fscl = 400 кГц) мкА;
    • в режиме записи 220 мкА;
    • в режиме ожидания 30…40 мкА.
  • режимы одиночного чтения и чтения последовательных блоков;
  • рабочие тактовые частоты I2C-интерфейса 25…400кГц;
  • со стороны I2C-интерфейса доступ к данным осуществляется побайтно, со стороны радиоинтерфейса — блоками по 32 бита;
  • более 1 миллиона циклов перезаписи;
  • время записи- по I2C <5мс, по радиоканалу 5,75мс;
  • время хранения данных до 40 лет.

Для разрешения конфликтов одновременного доступа к памяти по I2C и по радиоканалу семейство M24LRxxx имеет встроенную схему арбитража.

В схему арбитража входит:

  • менеджер питания, отслеживающий наличие питания от внешнего источника или поля;
  • арбитр доступа, отслеживающий режим доступа к памяти со стороны радиоканала и шины I2C.

Основные правила арбитража следующие:

  • при отсутствии питания на линии VCC доступ к памяти возможен только по радиоканалу;
  • при наличии и поля считывателя, и проводного питания выполняется первая из распознанных команд, пришедшая или по радиоканалу, или по шине I2C, и до завершения ее выполнения остальные команды игнорируются.

Типовая схема включения памяти M24LRxxx представлена на рисунке 4 [3].

 

Типовая схема включения M24LRxxx

 

Рис. 4. Типовая схема включения M24LRxxx

Представленная схема включения является одной из оптимальных с точки зрения применения в системах с ограниченными ресурсами энергии (необходимость длительной автономной работы, батарейное питание). Низкий ток потребления позволяет питать EEPROM непосредственно от выходной линии порта микроконтроллера. При необходимости для серий M24LRxxE приложение может использовать выходы индикации наличия поля считывателя и доступа к EEPROM по радиоканалу. В случае применения контроллера с ультранизким энергопотреблением, к примеру, одного из контроллеров STMicroelectronics линейки STM8L, общее потребление устройства будет лежать в пределах 1 мкА (потребление STM8L в режиме Acitve-Alt).

Дополнительно:

  • в режиме ожидания также отключается питание M24LRxxx и нет утечки тока через подтягивающий резистор на линии SDA;
  • в активном режиме работы контроллера приложение полностью управляет питанием EEPROM, подавая его только при необходимости обращения к памяти по I2C.

Индуктивность антенны, подключаемой к выводам AC0, AC1, рассчитывается таким образом, чтобы резонансная частота параллельного колебательного контура, образованного индуктивностью антенны и встроенной емкостью (параметр Ctuning) была равна 13,65 МГц. В зависимости от требуемого форм-фактора конечного устройства возможно применение печатных петлевых антенн (примеры таких антенн также доступны на сайте STMicrolectronics; кроме того, в ряде старых справочников по радиотехнике приводятся расчетные формулы для печатных индуктивностей различных конфигураций) или SMD-индуктивностей [4].

Серии M24LRxx допускают параллельное подключение для наращивания емкости памяти [4]. Это достигается путем параллельного подключения M24LRxx к одной шине I2C, параллельного подключения к одной антенне и задания разных уровней на линиях выбора адреса (E0, E1). Таким образом, возможно объединение до четырех микросхем M24LRxx, что при использовании, например, микросхем серии M24LR64-R позволяет получить объем суммарной памяти до 256 кбит (32 кбайта) — см. рис. 5. В данном включении со стороны считывателя параллельно включенные EEPROM будут видны как несколько отдельных микросхем, и доступ к ним будет осуществляться по их уникальным серийным номерам. Со стороны I2C доступ к отдельным микросхемам осуществляется по различным адресам шины I2C.

 

Объединение M24LR64-R для увеличения суммарного объема памяти

 

Рис. 5. Объединение M24LR64-R для увеличения суммарного объема памяти

При параллельном подключении EEPROM на одну антенну следует помнить, что их встроенные емкости Ctuning будут суммироваться, и требуемая индуктивность антенны будет меньше в количество раз, равное количеству параллельно включенных микросхем памяти.

 

Основные области применения EEPROM с двойным интерфейсом:

  • промышленная автоматика, системы сбора данных, медицинское оборудование- обеспечение обновления/актуализации калибровочных данных, обновление параметров конфигураций, считывание диагностических показаний;
  • периферийные устройства, телекоммуникационное оборудование, бытовая электроника — обновление параметров конфигураций, считывание диагностических показаний, активация оборудования, запись настроек локализации, отслеживание перемещений;
  • RFID-системы- регистраторы данных, идентификационные карточки, регистраторы передвижения/перемещения персонала или объектов.

 

Считыватель RFID-меток CR95HF

Для работы с RFID-устройствами, в частности, с EEPROM с двойным интерфейсом, STMicroelectronics предлагает приемопередатчик CR95HF [5, 6]. CR95HF поддерживает стандарты ISO 14443A/B, ISO 15693, а также протокол NFC (ISO/IEC 18092).

Трансивер CR95HF работает в режиме ведомого устройства, управляемого внешним хост-контроллером (рис. 6). Для работы с трансивером доступна библиотека, позволяющая достаточно просто взаимодействовать с ним посредством SPI- или UART-интерфейса.

 

Типовая структура RFID-считывателя на базе CR95HF

 

Рис. 6. Типовая структура RFID-считывателя на базе CR95HF

Библиотека доступна для скачивания с официального сайта STMicroelectronics в вариантах как для 32-разрядных контроллеров STM32, так и для бюджетных энергоэффективных 8-битных STM8L [6].

В состав библиотеки входит три уровня (рис. 7):

  • нижний уровень- CR95HF LL, содержащий низкоуровневые команды для непосредственного управления трансивером CR95HF;
  • средний уровень- уровень протоколов, отвечающий за поддержку и выполнение протокола стандарта ISO/IEC FCD 15693-3;
  • верхний уровень — уровень взаимодействия с микросхемами памяти, содержащий команды управления памятью семейств M24LRxxx и LRIxxx.

 

Структура библиотеки для работы с трансивером CR95HF

 

Рис. 7. Структура библиотеки для работы с трансивером CR95HF

 

Для пользовательского приложения все три уровня являются прозрачными и представляются только функции самой библиотеки.

 

Ознакомительные и отладочные платы

STMicroelectronics предлагает широкий выбор отладочных средств и ознакомительных плат для начала работы с EEPROM с двойным интерфейсом [7]. Данные инструменты позволяют разработчику оценить расстояния, на которых возможно успешное считывание по радиоканалу, влияние типа антенн считывателя и памяти на условия совместной работы. Отладочные наборы позволяют:

  • работать с EEPROM в режиме доступа по шине I2C и в режиме доступа по радиоканалу;
  • исследовать работу механизмов разделения памяти на блоки, защиты отдельных блоков, работы механизмов парольной защиты.

Доступные отладочные наборы и оценочные платы EEPROM с двойным интерфейсом представлены в таблице 2.

Таблица 2. Доступные отладочные наборы и оценочные платы EEPROM с двойным интерфейсом   

Наименование Описание Микросхема EEPROM,
лежащая в основе
Оценочные платы EEPROM с антеннами различных типов, мм  
ANT1-M24LR-A Плата с M24LR64-R с петлевой печатной антенной, размер 45×75   M24LR64-R  
ANT1-M24LR16E Плата с M24LR64E-R с петлевой печатной антенной, 45×75   M24LR16E-R  
ANT2-M24LR-A Плата с M24LR64-R с петлевой печатной антенной, 20×40   M24LR64-R  
ANT2-M24LR16E Плата с M24LR64E-R с петлевой печатной антенной, 20×40   M24LR16E-R  
ANT3-M24LR-A Демонстрационная плата с M24LR64-R с SMD-индуктивностью в качестве антенны   M24LR64-R  
ANT4-M24LR-A Демонстрационная плата с двумя параллельно включенными M24LR64-R (общая емкость EEPROM 128 кбит)   M24LR64-R  
ANT5-M24LR-A Демонстрационная плата с четырьмя параллельно включенными M24LR64-R (общая емкость EEPROM 256 кбит)   M24LR64-R  
ANT7-M24LR16E Демонстрационная плата с M24LR16E-R с двухслойной печатной антенной 15х15   M24LR16E-R  
FLEX-M24LR04E Демонстрационная плата с M24LR04E-R на гибкой основе с антенной 45х75   M24LR04E-R  
ROBOT-M24LR16E-A Демонстрационная плата с M24LR16E-R, выполненная в виде силуэта робота, с печатной антенной 20х40   M24LR16E-R  
Демонстрационные и отладочные платы с приемопередатчиком CR95HF  
DEMO-CR95HF-A Демонстрационная плата трансивера CR95HF   CR95HF  
PLUG-CR95HF-B Демонстрационная плата трансивера CR95HF   CR95HF  
Регистраторы данных  
DATALOG-M24LR-A Регистратор данных на базе M24LR64-R с управляющим контроллером SMT8L и датчиком температуры STTS75   M24LR64-R  
STEVAL-IPR002V1 Регистратор данных на базе M24LR64-R с управляющим контроллером STM8L, датчиками температуры, влажности, вибрации, свободного падения, освещенности   M24LR64-R  
Отладочные наборы  
DEMOKIT-M24LR-A Демонстрационный набор для работы с EEPROM M24LRxx-R (RFID-считыватель, антенна считывателя, I2C-программатор)   M24LR64-R  
DEVKIT-M24LR-A Отладочный набор для работы с EEPROM M24LRxx-R (RFID-считыватель, антенна считывателя, I2C-программатор, плата ANT1-M24LR-A)   M24LR64-R  
M24LR-DISCOVERY Отладочный набор для работы с M24LR04E   M24LR04E-R  

Одним из наиболее простых, но функциональных отладочных наборов является набор M24LR-DISCOVERY [8], включающий в себя две платы (рис. 8): M24LR board с памятью и плату с приемопередатчиком CR95HF.

 

Отладочный набор M24LR- DISCOVERY

 

Рис. 8. Отладочный набор M24LR- DISCOVERY

Плата M24LR board содержит микросхему памяти с двойным интерфейсом M24LR04E-RMN6T/2 (4 кбит, корпус SO8N), контроллер STM8L152C6T6 c 8 кбайт флеш-памяти, датчик температуры STTS751-0WB3F, печатную антенну 20х40 мм, ЖК-индикатор. Имеет разъемы EEPROM (I2C) для программирования и отладки программ контроллера (SWIM).

M24LR board также может работать с телефонами и коммуникаторами на базе Android с поддержкой NFC. Соответствующее приложение NfcV-Reader доступно в репозитарии приложений Google Play и позволяет при помощи телефона, просматривать данные, зафиксированные платой.

Плата приемопередатчика (RF transceiver board) включает в себя трансивер CR95HF-VMD5T 13,56 МГц, контроллер STM32F103CB с 128 кбайт флеш-памяти, печатную антенну 47х34 мм. Интерфейс с хост-компьютером и питание платы осуществляется через USB.

Программные продукты для работы с отладочным набором доступны по адресу www.st.com/m24lr04e-discovery, они включают в себя программу для хост-компьютера и скомпилированный образ приложения для STM8L. Отладочные платы набора также содержат запрограммированные образы демонстрационных приложений.

 

Микроконтроллеры с низким энергопотреблением
от STMicroelectronics

Зачастую для работы с памятью с двойным интерфейсом необходим микроконтроллер, и желательно, чтобы он потреблял как можно меньше энергии. Для таких задач STMicroelectronics предлагает две линейки микроконтроллеров — STM32L и STM8L.

Линейка STM32L является отличным компромиссом между высоким быстродействием, свойственным архитектуре Cortex-M3, и низким энергопотреблением. Последнее достигнуто за счет специальной технологии производства и оптимизированной периферии. Обзор линеек STM32L приведен на рисунке 9.

 

Семейство STM32L

 

Рис. 9. Семейство STM32L

Производительность микроконтроллера измеряется в DMIPS/MГц и зависит от функциональной составляющей ядра, интерфейса памяти и периферии. Само же энергопотребление мА/DMIPS в процессе работы может быть максимизировано с помощью регулирования напряжения питания. Именно метод, динамической адаптации напряжения питания в зависимости от необходимой частоты тактирования микроконтроллера был применен в STM32L. При работе МК на максимальной частоте (для полного использования всех его возможностей — производительности, периферии) обычно необходимо, чтобы верхняя граница питающего напряжения составляла 3…3,3 В. Если контроллеру необходимо переключиться в режим низких частот тактирования, это напряжение является избыточным и приводит к лишним затратам энергопотребления. Для устранения этого в линейке STM32L реализовано динамическое изменение напряжения ядра микроконтроллера. STM32L предоставляет возможность динамического изменения напряжения питания ядра в трех диапазонах: 1,8 В (Range 1); 1,5 В (Range 2) и 1,2 В (Range 3) (рис 10).

 

Зависимость производительности от напряжения питания ядра

 

Рис. 10. Зависимость производительности от напряжения питания ядра

Такая особенность позволяет добиться общего снижения энергопотребления более чем на 25%. Таким образом, конфигурирование напряжения питания ядра в совокупности с режимами ультранизкого энергопотребления позволяет подходить к регулированию потребления более гибко. Общие режимы энергопотребления микроконтроллеров наглядно продемонстрированы на рисунке 11.

 

Режимы энергопотребления STM32L

 

Рис. 11. Режимы энергопотребления STM32L

Несмотря на большую популярность семейства STM32, компания не оставляет без внимание и младшую линейку STM8L, расширяя и дополняя ее номенклатуру. Семейство STM8L состоит из четырех линеек (рис. 12).

 

Номенклатура микроконтроллеров STM8L

 

Рис. 12. Номенклатура микроконтроллеров STM8L

Отличительные особенности линейки STM8L — это улучшенная аналоговая периферия: быстрый 12-битный АЦП на 24 канала, 12-битный ЦАП, компараторы. Отметим, что микроконтроллеры данной линейки в отличие от большинства своих конкурентов имеют встроенный DMA-контроллер, что позволяет при грамотном подходе к проектированию программного обеспечения значительно повысить производительность.

Во второй половине 2012 года на рынке появилась линейка микроконтроллеров STM8L "Value Line", основным принципом которой является хорошее соотношение цена/функциональность. Снижение цены достигнуто, прежде всего, благодаря техническим новшествам при производстве, снижению затрат за счет параллелизма тестирования конечной продукции. Сама технология производства осталась без изменений, включая технологию производства кристаллов. Основные ограничения — более узкий температурный диапазон -40…85°С; меньший, чем обычно, объем EEPROM-памяти; нет уникального идентификатора и сервиса программирования прошивки микроконтроллера на мощностях производителя. Также снижено количество циклов записи/стирания flash- и EEPROM-памяти. Для flash-памяти данный параметр равен 100 во всем температурном диапазоне, для EEPROM это соотношение равно 100 000 циклов.

В остальном микроконтроллеры серии «Value Line» аналогичны по функциональности своим старшим собратьям и также имеют полную повыводную (pin-to-pin) и программную совместимость внутри своих линеек. Например, разработчик может легко и без каких-либо изменений использовать в своем проекте STM8L051F3P6 вместо STM8L151F3P6, и наоборот. Ему лишь требуется поменять в свойствах проекта тип микроконтроллера и пересобрать проект заново.

Для низкопотребляющей линейки STM8L, помимо вышеперечисленных ограничений, также снижен набор периферийных модулей — нет компараторов, 12-битного ЦАП, датчика температуры, дизайн портов ввода-вывода не предусматривает подключение сенсорных кнопок.

Для снижения энергопотребления контроллеры имеют несколько специальных режимов работы (рис. 13).

 

Режимы снижения энергопотребления микроконтроллеров STM8L

 

Рис. 13. Режимы снижения энергопотребления микроконтроллеров STM8L

 

Более подробную информацию по всем режимам можно посмотреть в документации на микроконтроллер, отметим лишь, что в самом экономичном режиме "HALT" содержимое оперативной памяти SRAM сохраняется и время восстановления в полностью рабочее состояние составляет порядка нескольких микросекунд.

 

Заключение

Учитывая возможности EEPROM M24LRxxx по параллельному взаимодействию по двум независимым каналам и значительные для RFID-памяти объемы хранимых данных, можно рассмотреть возможность применения ее в системах безопасности, нацеленных на обеспечение конфиденциальности и целостности информации.

В частности, объем памяти позволяет хранить достаточно большое количество событий (например, доступ в те или иные помещения), что может помочь при расследовании инцидентов. Возможно также использование связки контроллер+CH95HF и M24LRxxx в качестве:

  • аппаратных ключей для активации оборудования или приложений на рабочем месте сотрудника, чтобы предотвратить несанкционированый доступ во время его отсутствия;
  • хранилища ключей шифрования, исключающего возможность перехвата или копирования информации;
  • хранилища контрольных сумм важных документов или системных файлов для отслеживания нежелательной программной активности или контроля целостности документов.

Наличие интерфейса I2C позволяет создавать интеллектуальные регистраторы событий на основе микроконтроллеров, фиксирующие, в зависимости от периферийных датчиков, различный набор параметров или событий. Кроме того, данная возможность имеет большие перспективы в области отслеживания движения грузов и товара, благодаря возможности фиксации температурного режима, условий перевозки, отслеживания перемещений по складу или территории магазина. Снятие этих данных при приеме товара от перевозчика позволит разрешить ряд вопросов, связанных с выявлением дефектов товара (их появление при производстве, погрузке или транспортировке).

 

Литература

1. Dual Interface EEPROM// http://www.st.com/internet/mcu/class/1766.jsp.

2. Андрей Никитин. Двухпортовая память M24LR64 с интерфейсами I2C и RFID//Новости электроники, 2010, №8, с. 20-22.

3. How to manage simultaneous I²C and RF data transfers with the M24LRxx-R and M24LRxxE-R devices// Ссылка.

4. M24LR64-R Multi-bank reference design description and settings// Ссылка.

5. CR95HF library for ISO15693 and Dual Interface EEPROM products// Ссылка.

6. Using the CR95HF library with STM8L microcontrollers//  Ссылка.

7. Eval boards for Memory ICs// Ссылка.

8. M24LR-DISCOVERY — STMicroelectronics// Ссылка.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: memory.vesti@compel.ru

 

 

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики:

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