Беспроводная NFC-память от STMicroelectronics

Бесконтакт: что такое nfc и как программисту с ним работать

Технология nfc создавалась для ограниченного круга приложений, таких как бесконтактная оплата, электронные ключи, электронные билеты и т. д. однако идея обмена данными на сверхмалых расстояниях оказалась настолько удачной, что сейчас область применения nfc значительно расширилась. активные и пассивные интеллектуальные nfc-устройства используются в промышленности, портативной электронике, медицине, автомобильном транспорте и других отраслях. в публикации предложен краткий обзор nfc-eeprom с двойным интерфейсом от компании stmicroelectronics.

Near Field Communication (NFC) представляет собой беспроводную технологию обмена данными, работающую с радиодиапазоном 13,56  МГц, и является развитием более ранних стандартов бесконтактных карт ISO/IEC 14443 и ISO/IEC 15693.

NFC-устройства объединяют функции привычной бесконтактной карты и ретранслятора и способны выполнять двунаправленный обмен данными, находясь в непосредственной близости друг от друга. Разделяют пассивные и активные NFC-устройства. Активные могут самостоятельно создавать электромагнитное поле для поддержания радиоканала.

  • эмуляция работы обычной бесконтактной карты (CARD EMULATION MODE);
  • обмен между пассивными и активными NFC-устройствами (READER/WRITER MODE);
  • обмен между двумя активными NFC-устройствами (PEER-TO-PEER MODE).

Изначально технология NFC была задумана как развитие бесконтактных карт для систем оплаты, однако в дальнейшем превратилась в полноценную беспроводную технологию обмена данными и нашла применение в самых разных областях и устройствах. Например, NFC-модули появились во многих современных смартфонах, а поддержка данного стандарта присутствует в ОС Android (начиная с версии 4.0)

Широкую номенклатуру NFC-решений предлагает компания STMicroelectronics: от пассивных NFC-устройств до NFC-контроллеров (рис. 1). Данная статья посвящена наиболее интересному сегменту NFC-устройств от STMicroelectronics, а именно памяти EEPROM с двойным интерфейсом.

NFC: особенности и стандарты

Говоря о NFC, следует кратко коснуться основных отраслевых стандартов, определяющих данную технологию (табл. 1).

Основные положения, относящиеся к NFC, представлены в стандарте ISO/IEC 18092. В России существует переведенный и адаптированный аналог — ГОСТ Р ИСО/МЭК 18092-2021 «Телекоммуникации и обмен информацией между системами. Коммуникация в ближнем поле. Интерфейс и протокол (NFCIP-1)».

ГОСТ Р ИСО/МЭК 18092-2021 определяет режимы индуктивной связи устройств, работающих на центральной частоте 13,56 МГц, интерфейс и протокол коммуникации при активном и пассивном режиме связи, схемы модуляции, кодирования, скорости передачи и радиочастотную структуру интерфейса устройств NFC, схемы инициализации и условия, необходимые для контроля за конфликтными ситуациями во время инициализации.

Как уже было сказано, изначально технология NFC создавалась как развитие стандартов бесконтактных карт ISO/IEC 14443 и ISO/IEC 15693. По этой причине NFC-устройства совместимы с существующей инфраструктурой бесконтактных карт. Для подтверждения совместимости в документации указывается соответствующий стандарт.

От ISO/IEC 14443 и ISO/IEC 15693 технология NFC унаследовала и физическую реализацию канала передачи данных. Параметры радиоканала определяются в стандарте ISO/IEC 18000 Часть 3 «Параметры для интерфейса воздушных коммуникаций в 13,56 МГц».

EEPROM с двойным интерфейсом от STMicroelectronics

Наиболее интересным NFC-решением от STMicroelectronics представляются активные NFC-устройства серий M24LR, M24SR, ST25DV-I2C и ST25DV-PWM. По сути, это микросхемы EEPROM с двойным интерфейсом (рис. 2). Серии M24LR, M24SR, ST25DV-I2C обеспечивают доступ к EEPROM со стороны других NFC-устройств по радиоканалу, а также доступ со стороны управляющего микроконтроллера по I2C. Серия ST25DV-PWM вместо I2C имеет ШИМ-выходы.

Между собой серии M24LR, M24SR, ST25DV-I2C и ST25DV-PWM различаются параметрами NFC-канала, характеристиками памяти, эксплуатационными характеристиками и наличием дополнительных особенностей. Поскольку статья посвящена NFC, то начать ее следует именно с рассмотрения параметров NFC-канала и дополнительных функций микросхем.

Характеристики NFC-канала и дополнительные особенности EEPROM с двойным интерфейсом

Серии EEPROM с двойным интерфейсом имеют различную дальность действия и скорость обмена данными по NFC. Серия M24SR совместима со стандартом ISO14443 и может обеспечивать обмен информацией с другими NFC-устройствами на расстояниях до 10 см (табл. 2).

Дальность действия радиоканала напрямую определяет и скорость передачи данных. Для представителей серии M24SR скорость достигает 106 кбит/с, в то время как для остальных микросхем стандартная скорость составляет 26  кбит/с. Для M24LR, ST25DV возможна частота обмена 53  кбит/с.Беспроводная NFC-память от STMicroelectronics

Вторым рабочим интерфейсом для серий M24LR, M24SR, ST25DV-I2C является I2C, максимальная частота обмена по которому составляет 1 МГц для M24LR и ST25DV-I2C, и 400 кГц для M24SR.

Читайте ещё про NFC:  Как добавить NFC в телефон без NFC

В микросхемах ST25DV-PWM отсутствует I2C-интерфейс. Вместо него в распоряжении пользователя оказывается один или два ШИМ-выхода (табл. 3). Суть данного решения достаточно очевидна: благодаря таким микросхемам можно обойтись без дополнительного управляющего микроконтроллера в целом ряде простых приборов, таких как светодиодные светильники, устройства с электродвигателями (например, электронные замки) и т. д.

Выходная частота ШИМ-сигнала в ST25DV-PWM может быть запрограммирована в диапазоне 488–31250 Гц. Разрядность зависит от частоты и достигает 15 бит при 488 Гц ШИМ. Микросхема способна обеспечивать выходной ток до 4  мА. Конечно же, этого недостаточно для прямого управления электродвигателем или мощным светодиодом, соответственно, в зависимости от приложения в схеме может понадобиться усилитель или драйвер.

В остальных сериях — M24LR, M24SR, ST25DV-I2C — также существует возможность реализации простейших функций управления без участия дополнительного микроконтроллера. Для этого могут быть использованы цифровые выходы с открытым истоком. В серии ST25DV-I2C есть модели с КМОП-выходами.

Важным достоинством микросхем ST25DV-I2C является наличие встроенного буфера объемом 256 байт. С его помощью удается реализовать функцию быстрого обмена данными (Fast Transfer mode) между контроллером и внешним NFC-устройством.

Также следует отметить интересную функцию сбора энергии (Energy Harvesting), которая присутствует в сериях M24LR и ST25DV-I2C. Эти микросхемы способны собирать энергию внешнего электромагнитного поля, создаваемого ридером, и применять ее не только для собственного питания, но и для питания других компонентов схемы.

Эксплуатационные характеристики и параметры EEPROM

Не надо забывать, что M24LR, M24SR, ST25DV-I2C и ST25DV-PWM — это в первую очередь микросхемы памяти, а потому следует рассмотреть и соответствующие параметры данных компонентов (табл. 4).

Все представленные серии имеют объем памяти EEPROM до 64 кбит, за исключением ST25DV-PWM, для которой существуют только 2-кбит модели.

Для защиты данных от взлома разработчикам предлагается использовать пароли, кроме того, в ST25DV-PWM присутствует блок цифровой подписи TruST25.

С точки зрения длительности хранения данных серии также различаются. При этом выделяется серия M24SR. По утверждениям STMicroelectronics, представители M24SR способны сохранять информацию в течение 200 лет при температуре 55 °С.

Для всех микросхем рабочий диапазон температур при использовании NFC-канала составляет –40… 85 °C. Если же радиоинтерфейс не используется, возможна работа в диапазоне –40… 105 °C (кроме M24LR).

Анализируя характеристики отдельных серий, трудно дать какие-либо рекомендации по применению в той или иной области. Скорее выбор будет основываться на особенностях конкретного приложения. Тем не менее микросхемы EEPROM с двойным интерфейсом от STMicroelectronics будут востребованы в бытовых приложениях, медицинской технике, промышленном оборудовании, в портативной электронике и иных областях.

Обзор модельного ряда EEPROM с двойным интерфейсом от STMicroelectronics

В настоящий момент номенклатура EEPROM с двойным интерфейсом от STMicroelectronics включает более десятка моделей. Кроме того, каждая модель имеет различные корпусные исполнения: SO8, TSSOP8, UFDFPN (табл. 5).

Инструменты разработки и отладки

Важное преимущество продукции STMicroelectronics — хорошая техническая поддержка. Специалистам предлагается весь спектр средств разработки и отладки: программные библиотеки, оценочные наборы, огромный перечень руководств и документации, утилита для расчета печатных катушек.

Для каждой серии микросхем (за исключением самой новой серии ST25DV-PWM) выпускаются различные отладочные наборы. При этом существует выбор между законченными наборами Discovery и платами расширения для фирменных стеков Nucleo от STMicroelectronics (рис. 3–5). Каждый из наборов сопровождается программным пакетом с примерами и библиотеками.

Большая часть микросхем имеет повыводную совместимость (8-выводные корпуса), кроме того, они способны работать с одними и теми же антеннами. Для NFC применяются как печатные антенны, так и SMD-индуктивности.

Расчет печатной антенны может оказаться наиболее пугающим этапом разработки, поэтому STMicroelectronics предлагает использовать для таких целей простую утилиту. От разработчика требуется лишь ввести параметры антенны (число витков, длина, ширина), параметры проводников (ширина, зазор, толщина металлизации), параметры основания (толщина, диэлектрическая проницаемость), после чего программа автоматически высчитает величину эквивалентной индуктивности (рис. 6).

Заключение

Технология NFC является дальнейшим развитием бесконтактных устройств ближнего радиуса действия и имеет обратную совместимость со всей существующей инфраструктурой бесконтактных карт, поддерживающих стандарты ISO/IEC 14443 и ISO/IEC 15693.

Компания STMicroelectronics предлагает широкий выбор NFC-решений, начиная от пассивных устройств и заканчивая NFC-контроллерами. Данная статья посвящена микросхемам EEPROM с двойным интерфейсом. На сегодня STMicroelectronics выпускает три серии микросхем, обеспечивающих доступ к памяти через NFC-радиоканал и I2C-интерфейс:

  • M24SR с объемом до 64 кбит и радиусом действия до 10 см;
  • M24LR с объемом до 64 кбит, с увеличенным радиусом действия и функцией сбора энергии;
  • ST25DV-I2C с объемом до 64 кбит, с увеличенным радиусом действия, с функцией сбора энергии и возможностью ускоренного обмена между микроконтроллером и NFC-ридером.

Эти микросхемы могут использоваться в бытовых приложениях, медицинской технике, промышленном оборудовании, в портативной электронике и т. д.

Особое место в номенклатуре STMicroelectronics занимает серия ST25DV-PWM, у которой вместо I2C реализованы ШИМ-выходы. Такая особенность позволяет отказаться от управляющего контроллера в целом ряде приложений, например при создании светодиодных светильников или электронных замков.

Литература:

Ещё немного про безопасность

Одним из вариантов хранения учетных данных карты и конфиденциальной информации на смартфоне является Security Element. Мы помним, что SE это физический чип, на который установлены апплеты каких-то приложений с конфиденциальными данными, например, апплет платежного приложения, транспортного и т.д.


Апплеты в защищенном элементе

Любые конфиденциальные данные, например, данные, связанные с виртуальной картой, которые хранятся в SE, защищены так же, как и на физической бесконтактной карте. Однако есть одно важное отличие. SE постоянно подключен к смартфону и через смартфон к Интернету.

Читайте ещё про NFC:  Как перезагрузить POS-терминал Ingenico и Verifone

Потенциал для атак намного выше, чем для реальной карты. К данным на обычной карте можно получить доступ, только если она оказывается рядом с бесконтактным считывателем, и только в том случае если бесконтактный считыватель был взломан. Из этого следует необходимость ограничить доступ к апплетам на SE.

И вот, еще одна некоммерческая организация, которая занимается разработкой спецификаций для безопасных цифровых экосистем в США, Global Platform выпустили спецификацию доверенной среды исполнения, или TEE. Эта среда, такой слой между ОС мобильного устройства и SE, в котором обмен данными и командами защищен. Вот тут спецификации Global Platform по криптографическим алгоритмам, системной архитектуре TEE и т.д.

Trusted Execution Environment — доверенная среда исполнения.GlobalPlatform TEE Internal API — внутренний API доверенной среды исполнения. Trusted Core Environment — доверенная среда ядра. Trusted Functions — доверенные функции. TEE Kernel — ядро доверенной среды исполнения.

HardWare secure resources — аппаратные ресурсы безопасности. Hardware Platform — аппаратная платформа. Rich OS — операционная система. GlobalPlatform TEE client API — клиентские API доверенной среды исполнения. Rich OS application environment — основная среда исполнения приложений в операционной системе.

Использование технологии HCEПоследние версии операционной системы Android поддерживают Host Card Emulation или HCE. Использование HCE означает, что команды NFC можно направлять прямо в API, работающее в операционной системе мобильного устройства.

Любая необходимая защита должна быть реализована поверх реализации HCE. Приложение может пересылать команды NFC в любое место, доступное для смартфона. Это делает варианты реализации виртуальной карты практически безграничными — от полностью облачной карты до хранения (части) виртуальной карты в SE.

Поскольку HCE не обеспечивает безопасность, эта технология используется совместно с уже известными TEE и токенизацией. TEE предоставляет сервисы безопасности и изолирует доступ к своим аппаратным и программным ресурсам безопасности от многофункциональной ОС и связанных приложений.

Как работает nfc?


Вы наверняка знаете, что NFC расшифровывается как Near Field Communication или по-русски — связь ближнего действия.

Но это не обычная передача данных по радиоволне. В отличие от Wi-Fi и Bluetooth NFC устроен хитрее. В основе лежит электромагнитная индукция. Это очень крутая штука из школьной программы, напомню.

Идея в том, что вы берете один проводник, в котором нет электричества. И кладете рядом с ним второй проводник, в котором есть электричество. И знаете, что? В первом проводнике, где электричества не было, начинает течь ток!

Круто, да?

Когда мы впервые про нее узнали, подумали, что такое невозможно! Серьезно? Вы гоните! Пошли играть в Counter Strike, пацаны.

Ну так вот, когда вы подносите смартфон к какой-нибудь NFC метке без питания, этого крошечного электромагнитного поля от смартфона достаточно, чтобы внутри метки побежали электроны, и заработали микросхемы внутри неё.


Ах да. В каждой метке есть крошечная микросхема. Например, в банковских картах микрочип запускает даже простенькую версию Java. Каково?

Может быть вы ещё слышали аббревиатуру RFID. Её разработали лет на 30 раньше. Она расшифровывается как радиочастотная идентификация. И по сути только для идентификации и подходит. Во многих офисных центрах пропуска до сих пор с RFID.

Так вот NFC является продвинутой веткой стандарта RFID и читает часть таких меток. Но главное отличие в том, что NFC умеет еще и передавать данные, в том числе зашифрованные.

NFC работает на частоте 13,56 МГц, что позволяет развить неплохую скорость от 106 до 424 Кбит/с. Так что mp3-файл скачается за пару минут, но только на расстоянии до 10 см.

Физически NFC — это маленькая катушка. Например в Pixel 4 прикреплена к крышке и выглядит вот так.

А так в Xiaomi Mi 10 Pro:

И тут как раз пора поговрить о том, что умеет делать NFC?

Работа этой технологии и смежных, вроде RFID, описаны в стандарте ISO 14443.  Там еще много чего свалено в кучу: например, итальянский протокол Mifare и VME — это в банковских картах.

NFC — это своего рода USB Type-C в мире беспроводных технологий, если вы понимаете, о чем я.

Но главное вот что. NFC может работать в трех режимах:

  1. Активный. Когда девайс считывает или записывает данные с метки или карточки. Кстати, да, данные на NFC метки можно и записывать.
  2. Передача между равноправными устройствами. Это когда вы подключаете к смартфону беспроводные наушники или используете Android Beam — помните такое. Там по NFC происходило подключение, а сама передача файла шла уже по Bluetooth.
  3. Пассивный. Когда наше устройство прикидывается чем-то пассивным: платежной картой или проездным.

Зачем NFC, если есть Bluetooth и Wi-Fi, ведь у них и скорость, и радиус действия больше.

Бонусы NFC вот в чем:

  1. Мгновенное подключение — одна десятая секунды.
  2. Низкое энергопотребление — 15 мА. У Bluetooth до 40 мА.
  3. Теги не требуют собственного питания.
  4. И не столь очевидное — малый радиус действия, что необходимо для безопасности и оплаты.

Есть правда еще Bluetooth Low Energy, но это отдельная история.

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.

•••

Спецификации nfc forum

В июне 2006 года, всего через 18 месяцев после своего основания, Форум официально обрисовал архитектуру технологии NFC. На сегодняшний день Форум выпустил 16 спецификаций. Спецификации предоставляют своего рода «дорожную карту», которая позволяет всем заинтересованным сторонам создавать новые продукты.

В дополнение к уже существующим стандартам NFC Forum собрали лучшее из этих стандартов в документы, описывающие работу устройств, которые используют технологию NFC и назвали их спецификациями.В дополнение к уже существующим стандартам NFC Forum собрали лучшее из этих стандартов в документы, описывающие работу устройств, которые используют технологию NFC и назвали их спецификациями.

Например, в спецификации NFC Analog Technical Specification рассматриваются аналоговые радиочастотные характеристики устройства с поддержкой NFC. Эта спецификация включает в себя требования к мощности антенны, требования к передаче, требования к приемнику и формы сигналов (время /частота /характеристики модуляции).

Спецификация NFC Analog 2.0 ввела активный режим связи для обмена данными P2P и технологию NFC-V в режиме опроса. Версия 2.0 обеспечивает полную совместимость с устройствами, соответствующими ISO/IEC 14443 или ISO/IEC 18092.По этим спецификациям существует следующие способы связи для устройств NFC:

NFC-AТип связи NFC-A основан на стандарте ISO/IEC 14443A для бесконтактных карт. Типы связи отличаются используемыми режимами кодирования сигнала и модуляции. NFC-A использует код Миллера и амплитудную модуляцию.

NFC-BТип связи NFC-B основан на стандарте ISO/IEC 14443B для бесконтактных карт. NFC-B использует метод манчестерского кодирования. Двоичные данные также передаются со скоростью около 106 Кбит/с. Здесь вместо 100% используется 10% -ое изменение амплитуды для двоичного 0 (то есть низкого уровня)

NFC-FТип связи NFC-F основан на стандарте FeliCA JIS X6319-4, также известный как просто FeliCa. Стандарт регулируется японской jicsap. Там эта технология, и наиболее популярна. Скорость передачи данных 212 / 424 Кбит/с, используется манчестерское кодирование и амплитудная модуляция.

Сценарии для nfc-меток

1. NFC-метка вместо пароля от Wi-Fi Многие современные модемы уже имеют функцию NFC. Но не у всех есть современные версии модемов.Поэтому можно просто записать данные сети и приклеить метку на холодильник или в местах скопления гостей.

Приложив телефон к метке, телефон сразу же подключится к сети. Тест новых смартфонов: метка предоставляет пароль администратора к Wi-Fi, сохраняет фотографии и скриншоты с устройства в файловый обменник и запускает скачивание пакета программ для тестирования.

2. Метка вместо визиткиЕщё проще передавать данные и знать, что у человека есть Ваш контакт со всеми необходимыми введёнными Вами данными. Это может быть только номер телефон или только почта, а может всё вместе с ссылками на соц.сети.

3. Метка рядом с кроватьюВключение режима без звука, включение будильника на нужное время по дням недели, выключение всех приборов умного дома и вообще, что душе угодно.

4. В автомобилеМетка на включение навигатора и Bluetooth, GPS, 4G, и воспроизведение музыки.

5. На рабочем местеВключение Wi-Fi и запуск цепи обменных процессов — обновление программ, синхронизацию облачных сервисов, архивирование фотографий и скаченных на смартфон файлов на домашний NAS. Остановка на смартфоне воспроизведение любого контента, будь то музыка, фильм или аудиокнига.

Включение режима громких звонков и автоматический прием входящих. Тест новых смартфонов: метка предоставляет пароль администратора к Wi-Fi, сохраняет фотографии и скриншоты с устройства в файловый обменник и запускает скачивание пакета программ для тестирования.

6. Телевизор/колонкаПеревод смартфона в режим вибрации и включение программу MiTVAssistant или других программ для управления телевизором. Включение Bluetooth, спаривание смартфона и ТВ-приставкиВключение Bluetooth, подключение к колонке и воспроизведение музыки в Google Music, Spotify, Я.Музыка, Deezer.

7. Ежедневник Под лицевой стороной метка, которая выключает на смартфоне звуки и включает приложение для создания задач. На обратной — метка, которая возвращает все обратно.

8. В кармане одежды или рюкзакаВ карман для смартфона рюкзака можно приклеить метку включения режима громких оповещений и включать режим работы «В кармане», при котором смартфон не реагирует на случайную тряску или быстрые касания. Она же заставляет смартфон запускать BT аудиоплеер.

9. Включение/выключение ПК Если настроить на ПК пробуждение по LAN, вы сможете использовать NFC-метку для включения компьютера из любого места в своём доме.Аналогично с выключением Также крутым приложением для управления компьютером в LAN является Unified Remote И ещё один вариант включения ПК:

Это своего рода развитие идеи тегов на системнике и ноутбуке. Идея в том, чтобы создать настройку, которая позволит включать комп c помощью NFC-тега без учета того, где находится сам тег. Его, например, можно приклеить в прихожей, так что включить машину можно будет еще до того, как ты снимешь обувь.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector