№7 / 2018 / статья 8

Динамическая NFC-метка для скоростного обмена данными

Александр Калачев (г. Барнаул)

Новая динамическая RFID-метка производства STMicroelectronics отличается от предшественников режимом скоростного обмена данными через внутренний буфер Mailbox, настраиваемым на разные события выводом индикации прерывания и выводом сборщика энергии, позволяющим организовать питание микромощных устройств за счет внешнего радиополя.

Применение беспроводных интерфейсов является особенно выигрышным в небольших устройствах и в случае малого объема передаваемых данных, то есть когда габариты разъемов сопоставимы с размерами устройств, и когда время передачи данных существенно меньше времени установления физического контакта между устройствами.

Одна из концепций интернета вещей (Internet of Things, IoT) предполагает создание и развитие интеллектуальной и интерактивной среды, в которой практически все устройства могут взаимодействовать между собой и с пользователями. Фактически, каждый из узлов IoT может как минимум обозначить свое присутствие, принадлежность к классу и типу. Взаимодействие между участниками IoT ведется посредством набора протоколов, так как характеристики питания устройств, их назначение и необходимость обмена данными различны.

С одной стороны, тотальное оснащение предметов и вещей беспроводными интерфейсами может показаться излишеством, с другой – это широкие перспективы адаптации жизненного пространства для людей, если речь идет о личном IoT, а также поддержка автоматизации складских помещений, торговых площадей, помощь в логистике товаров и услуг в бизнес-приложениях.

Технологии NFC (Near Field Communication) в IoT фактически играют роль «последней мили» (в данном случае – метров и сантиметров), обозначая и идентифицируя узлы, обеспечивая хранение данных. И все это – без собственного источника питания. Темпы роста рынка устройств с NFC на текущий момент – одни из самых высоких в сфере IoT.

NFC-решения от компании STMicroelectronics

Одна из ниш компании STMicroelectronics в сегменте IoT – EEPROM для статических и динамических меток (рисунок 1) и микросхемы-считыватели (рисунок 2).

Рис. 1. Линейка EEPROM для статических и динамических RFID/NFC-меток производства STMicroelectronics

Рис. 1. Линейка EEPROM для статических и динамических RFID/NFC-меток производства STMicroelectronics

Рис. 2. Линейка RFID-считывателей производства STMicroelectronics

Рис. 2. Линейка RFID-считывателей производства STMicroelectronics

В большинстве мобильных приложений, а также в областях складского учета, логистики, торговли наиболее актуальны так называемые динамические RFID-метки, в основе которых лежит EEPROM с двойным интерфейсом. Данный класс NFC-устройств имеет и беспроводной интерфейс, и возможность подключения к хост-системе по I²C-интерфейсу.

На текущий момент в линейке EEPROM STMicroelectronics для динамических меток присутствуют серии микросхем M24SR, M24LR и ST25DV.

Серия M24LRx [1] обладает достаточно большим радиусом действия, благодаря чему ориентирована на применения в системах мониторинга, производстве, ряде автомобильных приложений. Серия M24SRx [2] более ограничена в радиусе действия, но поддерживает структуры данных NDEF и ориентирована на приложения, активно взаимодействующие с пользовательскими устройствами, например, со смартфонами.

Новая серия беспроводной NFC/I²C-памяти ST25DV [3] поддерживает стандарты ISO15693 и NFC Type 5. Ключевым преимуществом ST25DV является режим скоростного обмена Fast data transfer, который реализуется через внутренний буфер 256 байт ОЗУ (Mailbox).

ST25DV может использоваться как в варианте обычной динамической NFC-метки, так и в качестве интерфейса для беспроводного обновления прошивки конечного продукта через RFID-протокол.

Серия NFC EEPROM ST25DVxx

В серии ST25DV представлены EEPROM объемом 4, 16 и 64 кбит (ST25DV04K, ST25DV16K и ST25DV64K соответственно).

Со стороны хост-системы ST25DV управляется через I²C-интерфейс с тактовой частотой до 1 МГц. Микросхема имеет широкий диапазон рабочих напряжений – 1,8…5,5 В, позволяющий работать практически с любым типом источников питания и микроконтроллером. Поддерживается запись до 256 байт одновременно.

Беспроводной интерфейс поддерживает все типы модуляций и скорости передачи данных, предусмотренные в стандарте ISO/IEC 15693. Максимальная скорость чтения данных – до 53 кбит/с.

Благодаря встроенному полудуплексному 256-байтному буферу увеличена скорость обмена между беспроводным интерфейсом и I²C. Присутствует вывод для питания внешних устройств за счет сбора энергии, а также вывод индикации прерывания. Имеется встроенный управляемый по I²C интерпретатор команд радиоинтерфейса.

Микросхемы серии ST25DV выпускаются в корпусах S08N, TSSPOP8, UFDFPN8, WLCSP (10 выводов), UFDFPN12, представлены версии для трех температурных диапазонов:

  • -40…85°C;
  • -40…105°C (только для корпусов DFPN8 и UDFPN12);
  • -40…125°C (корпуса SO8N и TSSOP8, ограничения на радиоинтерфейс до 105°C).

Внутренняя структура ST25DVxx представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Внутренняя структура EEPROM ST25DVxx

Рис. 3. Внутренняя структура EEPROM ST25DVxx

Варианты распиновки ST25DVxx в различных корпусных исполнениях представлены на рисунке 4.

Рис. 4. Варианты распиновки ST25DVxx в различных корпусных исполнениях

Рис. 4. Варианты распиновки ST25DVxx в различных корпусных исполнениях

Выводы SCL и SDA – сигналы I²C интерфейса, они требуют внешних подтягивающих резисторов. Выводы Vcc и Gnd – выводы внешнего питания.

Вывод LPD (Low Power Down), присутствующий в корпусах WLCSP (10 выводов), UFDFPN12, позволяет управлять встроенным регулятором 1,8 В. При его отключении максимальное потребление EEPROM может быть снижено до 1 мкА. Также в данных корпусах (в версиях ST25DVxx-JF) присутствует отдельный вывод VDCG, позволяющий подавать отдельное питание для линий ввода-вывода.

Вывод GPO является настраиваемым и может совмещать несколько функций. По умолчанию сигнал на этом выводе устанавливается при обнаружении поля считывателя (RF Field Change detector). В зависимости от настроек, GPO может реагировать на наличие активности по радиоканалу, завершению записи в память, операции по скоростной передаче данных.

В версиях ST25DVxx-IE GPO – вывод с открытым стоком. Он должен быть подтянут к питанию сопротивлением 4,7 К и выше. О наличии прерывания свидетельствует малый уровень сигнала на выводе. В ST25DVxx-JF GPO – активный КМОП-вывод. Он требует подключения вывода VDCG к питанию.

V_EH – выход «сборщика энергии», который позволяет при отсутствии питания, разрешенном режиме сбора энергии и наличии радиополя питать внешние устройства (в противном случае данный вывод находится в высокоимпедансном состоянии).

Свойства серии ST25DVxx

Ключевыми возможностями серии ST25DVxxx, отличающими ее от предшествующих серий, являются следующие:

  • режим быстрого обмена (fast transfer mode – FTM), который предназначен для бесконтактной передачи данных между внешним устройством и встроенной системой (хост-контроллером) посредством 256-байтного буфера, называемого «почтовым ящиком» (рисунки 5 и 6). Данный буфер доступен для чтения и записи как со стороны радиоканала, так и со стороны хост-контроллера по I²C. При активном режиме быстрого обмена ST25DVxxx работает практически как специфический беспроводной приемопередатчик;
  • настраиваемый вывод индикации прерывания – GPO, который в зависимости от текущей конфигурации может показывать наличие радиополя, активность беспроводного канала, окончание операций чтения-записи, появление данных в буфере-«почтовом ящике»;
  • вывод сборщика энергии, позволяющий питать микромощные устройства за счет собранной энергии внешнего радиополя, если такое возможно;
  • система управления сообщениями радиоканала, позволяющая в ряде случаев их игнорировать.
Рис. 5. Передача данных через «почтовый ящик» от устройства с радиоинтерфейсом I²C-хосту

Рис. 5. Передача данных через «почтовый ящик» от устройства с радиоинтерфейсом I²C-хосту

Рис. 6. Передача данных через «почтовый ящик» от I²C-хоста устройству с радиоинтерфейсом

Рис. 6. Передача данных через «почтовый ящик» от I²C-хоста устройству с радиоинтерфейсом

Управление данными и другими опциями микросхемы осуществляется установкой соответствующих значений в набор статических (значение сохранится по выключении питания) и динамических (значение не сохраняется при отключении питания) регистров:

  • для организации и защиты памяти данных – ENDAi, I2CSS, RFAiSS, LOCK_CCFILE;
  • для режима быстрой передачи – MB_WDG, MB_MODE;
  • для настройки отслеживания радиополя, режима работы вывода GPO – IT_TIME;
  • для настройки беспроводного канала – RF_MNGT, EH_MODE;
  • для конфигурации структуры устройства – LOCK_CFG.

Режим быстрого обмена

В режиме быстрого обмена ST25DV работает как своеобразный трансивер (приемопередатчик) между устройством с радиоинтерфейсом (как правило, в этой роли может выступать считыватель, смартфон, планшет, карт-ридер и так далее) и хост-контроллером, подключенном к памяти по I²C. При этом каждый из участников обмена может передавать сообщения. Режим обмена – полудуплексный. Каких-либо правил, регламентирующих процесс обмена на уровне микросхемы, нет – направление передачи будет зависеть от того, какая из сторон первой ее начнет. Обязательно наличие питания на микросхеме — режим быстрого обмена не может быть активирован только при питании памяти через радиоканал.

Для передачи данных от карт-ридера к хост-контроллеру в ST25DV должен быть активирован режим быстрого обмена, буфер должен быть свободен, и ридер должен первым осуществить запись в буфер.

I²C-хост оповещается о приходе данных изменением уровня на выводе GPO, если установлены соответствующие настройки. Хост также может следить за появлением данных в буфере обмена, периодически опрашивая регистр MB_CTRL_Dyn. После того как сообщение прочитано, буфер считается свободным (физически данные не стираются) и готовым к приему следующей порции данных (соответственно, предыдущие данные будут перезаписаны).

Устройство с радиоинтерфейсом должно опрашивать регистр MB_CTRL_Dyn, чтобы убедиться, что данные прочитаны и буфер свободен.

Средняя скорость передачи данных составит порядка 26 кбит/с и ограничена, в основном, скоростью радиоинтерфейса (считывание по I²C возможно на скорости до 1 Мбит/с).

Для передачи данных от I²C-хоста устройству с радиоинтерфейсом также должен быть разрешен режим быстрого обмена, буфер должен быть свободен и хост должен первым записать в него сообщение с данными. Устройство с радиоинтерфейсом должно опрашивать регистр MB_CTRL_Dyn для проверки наличия данных в буфере.

Средняя скорость передачи данных в этом направлении составит порядка 53 кбит/с.

Для исключения блокировок сторожевой таймер ограничивает доступность сообщения во времени: по истечению тайм-аута «почтовый ящик» считается свободным, биты в HOST_MISS_MSG или RF_MISS_MSG в регистре MB_CTRL_Dyn устанавливаются. Данные, содержащиеся в «почтовом ящике», не очищаются после чтения или запуска сторожевого таймера. Они все еще могут быть доступны для чтения до тех пор, пока не будет отключен режим быстрой передачи. Биты HOST_CURRENT_MSG и RF_CURRENT_MSG указывают источник текущих данных.

Линия GPO

Вывод GPO может быть использован для уведомления хост-контроллера о событиях, происходящих на радиоинтерфейсе, или о завершении операций ST25DVxxx. Возможно прямое управление GPO-выводом со стороны радиоинтерфейса посредством специальных команд.

ST25DVxxx поддерживает несколько режимов работы линии GPO:

  • RF_USER – режим, при котором уровень GPO контролируется командами, подаваемыми через радиоинтерфейс. Данный режим доминирует над всеми остальными событиями, способными повлиять на уровень вывода. Наличие прерываний может быть отслежено в регистре статуса IT_STS_Dyn, но они не изменяют уровень вывода;
  • в режиме RF_ACTIVITY вывод реагирует на события на радиоинтерфейсе;
  • при RF_INTERRUPT генерируется импульс заданной длительности (параметр IT_TIME) в ответ на настроенные события радиоинтерфейса или поступление команды;
  • при FIELD_CHANGE генерируется импульс заданной длительности (параметр IT_TIME) при появлении или исчезновении радиополя (поля считывателя). В случае пропадания поля импульс генерируется только при наличии напряжения питания Vcc;
  • в режиме RF_PUT_MSG импульс генерируется при успешной записи данных в буфер обмена со стороны радиоинтерфейса (выполнение команд Write Message и Fast Write Message);
  • при RF_GET_MSG импульс генерируется после успешного чтения данных из буфера обмена со стороны радиоинтерфейса (выполнение команд Read Message и Fast Read Message).
  • В режиме RF_WRITE импульс генерируется после завершения записи в EEPROM со стороны радиоинтерфейса.

Опция управления сообщениями радиоканала RF management

Данная функция позволяет управлять радиоинтерфейсом между считывателем и ST25DVxxx. За управление режимами отвечают статический регистр RF_MNGT и динамический регистр RF_MNGT_Dyn (значение которого может быть изменено в процессе работы).

RF_MNGT содержит два бита, – RF_DISABLE и RF_SLEEP, – которые воздействуют на режим работы с радиоинтерфейсом. Для работы без ограничений оба этих бита должны быть установлены на 0.

Определено три режима работы:

  • спящий режим (RF sleep) – при установленном бите RF_SLEEP коммуникации по радиоканалу запрещены, команды не интерпретируются, энергопотребление снижено;
  • режим запрета (RF disable) – RF_SLEEP = 0, RF_DISABLE = 1, радиоинтерфейс работает, команды интерпретируются, но не исполняются, ST25DV отвечает кодом ошибки 0Fh;
  • рабочий режим (RF normal) – RF_SLEEP и RF_DISABLE имеют значение 0, ST25DVxxx принимает и обрабатывает запросы, приходящие по радиоинтерфейсу (в том случае, если не выполняются операции по интерфейсу I²C).

При нужных настройках ST25DVxxx обеспечивает защиту пользовательской памяти и статических регистров конфигурации системы. Со стороны радиоинтерфейса и I²C-хоста доступ к этим защищенным данным возможен после открытия сеанса безопасности с помощью паролей. Права доступа ограничены в большей степени, когда сеансы безопасности закрыты, и в меньшей – когда сеансы безопасности открыты.

Динамические регистры и буфер обмена («почтовый ящик») не имеют средств защиты.

Развитие серии ST25DV

Ожидаемая новинка в данной серии – микросхема ST25DV02K-W1/W2 – будет дополнительно иметь выход ШИМ. Ее основные возможности:

  • до двух независимых ШИМ-выходов (в версии ST25DV02K-W2);
  • частота ШИМ: 448…31250 Гц;
  • разрешение по длительности активной фазы импульса: до 62,5 нс;
  • точность: ±10%;
  • отсутствие потребности во внешнем резонаторе;
  • возможность изменения параметров работы ШИМ как со стороны I²C-хоста, так и со стороны радиоинтерфейса.

Основное приложение для данной микросхемы – управление освещением и другими устройствами, в которых требуется организовать аналоговое управление с помощью ШИМ-сигнала.

Средства разработки и программная поддержка

Безусловно, компания STM не оставила серию ST25DV без программной поддержки. Она предлагает расширение X-CUBE-NFC4 для STM32Cube, предоставляющее собой полный набор драйверов и утилит среднего уровня для комфортной работы с NFC/RFID EEPROM (рисунок 7).

Рис. 7. Программное обеспечение X-CUBE-NFC4 в инфраструктуре библиотек STM32Cube

Рис. 7. Программное обеспечение X-CUBE-NFC4 в инфраструктуре библиотек STM32Cube

Расширение работает поверх инфраструктуры STM32Cube, что позволяет применять его для любых котроллеров семейства STM32. Что не менее важно, предоставляются примеры программных проектов, демонстрирующих работу и особенности использования драйверов для ST25DV. Примеры ориентированы на совместный запуск отладочных плат NUCLEO-F401RE или NUCLEO-L053R8 с платой расширения X-NUCLEO-NFC04A1.

Основные возможности:

  • полный набор программного обеспечения среднего уровня для NFC/RFID EEPROM (ST25DV04K);
  • работа на любых контроллерах, поддерживаемых STM32Cube;
  • демонстрационные примеры:
    • управление ST25DV с ПК через USB-интерфейс;
    • настройка функции сборщика энергии (energy harvesting);
    • различные режимы работы вывода GPO;
    • управление режимами энергопотребления;
    • установка функции защиты;
    • работа с буфером обмена.

Также оценить достоинства серии ST25DV можно с помощью демонстрационной платы ST25DV-DISCOVERY. В ее составе – микросхема ST25DV04K с антенной и контроллером семейства STM32 с соответствующей прошивкой.

Устройство ST25DV04K представляет собой динамическую интегральную схему NFC/RFID с двойным интерфейсом, она включает в себя память EEPROM 4 кбит, может работать с интерфейсом I²C либо с помощью RFID-считывателя (13,56 МГц), либо с помощью телефона NFC. Вся техническая документация – электрические принципиальные схемы, список компонентов, гербер-файлы, драйверы и исходные тексты программ – доступны для скачивания на сайте www.st.com.

Заключение

NFC/RFID EEPROM серии ST25DV, помимо типовых приложений для данного класса устройств – аутентификации, систем доступа, логгирования событий, карт оплаты, – может быть своеобразным беспроводным интерфейсом в случае необходимости обновления прошивки готовых устройств, а также в других случаях, где требуется максимально быстрый обмен данными. Малое энергопотребление и функция сбора энергии позволяют использовать ST25DV как в батарейных, так и в абсолютно энергонезависимых устройствах.

Литература

  1. M24LR – энергонезависимая память собирает энергию радиоволн;
  2. M24SR – беспроводная NFC-память с высокой скоростью передачи данных;
  3. ST25DV – высокоскоростная NFC-память;
  4. Для RFID с интеллектуальной регистрацией: память с двойным интерфейсом от STM;
  5. Dynamic NFC/RFID tag IC with 4-Kbit, 16-Kbit or 64-Kbit EEPROM, and fast transfer mode capability;
  6. Связь ближнего действия: NFC EEPROM для расходомеров и систем «умный дом»;
  7. Виктор Бугаев (г. Долгопрудный), Виталий Дидук, Максим Мусиенко (г. Николаев) . Пользовательский доступ к счетчику: NFC и Bluetooth Low Energy;
  8. ST25DV02K-W2 — Dynamic NFC_RFID tag IC with 2-Kbit EEPROM and 2x PWM (Pulse Width Modulation) outputs – STMicroelectronics;
  9. Dynamic NFC/RFID tag IC software expansion for STM32Cube;
  10. Discovery kit for ST25DV04 Dynamic NFC/RFID tag IC with fast transfer mode capability.

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