Микросхема nfc

Особенности NFC EEPROM: работа с памятью, шифрование данных

В основе работы современных счетчиков лежит использование цифровых процессоров, что позволяет повысить точность измерений, вести многотарифный учет использования ресурсов, ограничить несанкционированный доступ и кражу энергоресурсов и так далее. У такого подхода существуют недостатки: считывание данных возможно только при наличии питания и неосуществимо при выходе счетчика из строя.

Компания STMicroelectronics выпускает несколько серий микросхем, поддерживающих технологию двойного интерфейса доступа – семейства памяти M24SR и M24LR (рисунок 1).

Рис. 1. Принцип работы микросхем M24SR и M24LR с двойным интерфейсом доступа

M24SR и M24LR являются по сути динамическими NFC-/RFID-метками, работающими на несущей частоте 13,56 МГц и поддерживающими стандарты RFID ISO 14443 и ISO 15693. Обе серии выпускаются в корпусах поверхностного монтажа SO8 (MN), TSSOP8 (DW), UFDFPN8 (MC), а серия M24SR еще и в корпусе WFDFPN8 (MF).

В серии M24LR используется RFID-интерфейс, совместимый со стандартом ISO 15693. Микросхемы имеют следующие характеристики:

• метки с радиочастотным интерфейсом стандарта ISO 15693;
• последовательный интерфейс I2C со скоростью работы 400 кГц при питании 1,8…5,5 В;
• объем EEPROM 4…64 кбит;
• питание от электромагнитных волн считывателя («энерджи харвестинг»);
• 32-битная защита паролем;
• выходной контакт для сигнализации о занятости устройства;
• простой дизайн антенны, совместимой с серией M24SR [1].

В линейке M24LR память разделена на 64 сектора из 32 блоков по 32 бита. Каждый сектор может быть индивидуально защищен от считывания или записи с помощью специальной команды с паролем. Операции чтения или записи возможны, если рассматриваемые данные находятся не в защищенном секторе. M24LR также имеет 64-битный блок, который используется для хранения 64-битного уникального идентификатора (UID), недоступного пользователю, значение которого записывается на производстве. UID совместим со стандартом ISO 15963, и его значение используется при борьбе с коллизиями.

M24LR имеет четыре дополнительных 32-битных блока, которые хранят пароль к шине I2C и три радиочастотных кода пароля.

M24LR обеспечивает специальный механизм защиты. Каждый сектор памяти M24LR может иметь индивидуальную защиту с помощью одного из трех доступных паролей. Сектору памяти присваивается байт состояния сектора безопасности, включающий бит защиты сектора, два бита контроля пароля и два защитных бита для операций чтения и записи [2].

Линейка построена с использованием инновационной технологии «энерджи харвестинг», питающей микросхему памяти от энергии электромагнитной волны от считывающего устройства, что позволяет получить последние собранные данные от обесточенного или неработоспособного устройства.

Основным источником энергии в режиме «энерджи харвестинг» для M24LR является RFID-считыватель. При этом вырабатываемой энергии вполне достаточно для реализации процедур чтения или записи. M24LRxx получает питание от антенны, где ток индуцируется внешним электромагнитным полем считывателя. RFID-считыватель в данном случае играет ту же роль, что и первичная обмотка силового трансформатора, и передает напряжение на вторичную обмотку (в данном случае – M24LRxx и его индуктивная антенна). На коэффициент передачи энергии влияет ряд факторов:

• точность настройки M24LRxx и его антенны на частоту несущей волны считывателя (около 13,56 МГц);
• расстояние между считывателем и платой с M24LRxx;
• размеры антенн считывателя и платы с M24LRxx;
• мощность считывателя;
• ориентация антенны M24LRxx по отношению к антенне считывателя [4].

Рис. 2. M24LR16E-R в корпусе SO8 (MN)

Когда режим сбора энергии активен, M24LR может выводить избыток энергии, поступающей из радиоантенны, на аналоговый выход Vout (рисунок 2). Если сила радиочастотного поля не достаточно велика или когда режим сбора энергии отключен, аналоговый выход Vout переходит в высокоимпедансное состояние (Z-состояние) [3].

Серия M24SR – это NFC-метки четвертого типа, имеющие радиочастотный интерфейс и поддерживающие формат обмена данными NFC (NDEF). Серия может быть использована во многих приложениях, в том числе – в бытовой электронике, компьютерной периферии, промышленной автоматизации.

Серия M24SR включает в себя:

• NFC метки четвертого типа на основе радиочастотного интерфейса стандарта ISO 14443;
• последовательный интерфейс I2C, работающий на частоте 1 МГц при напряжении питания 2,7…5,5 В;
• объем EEPROM 2…64 кбит со встроенной поддержкой NDEF-сообщений;
• возможность программного управления радиочастотным доступом посредством NFC-телефона;
• 128-битная защита паролем;
• возможность выхода из энергосберегающего режима от нескольких типов событий;
• простой дизайн антенны, совместимый с серией M24LR [5].

В отличии от M24LR, новая память M24SR поддерживает более скоростной обмен по радио (106 кбит/c) при максимальной дальности радиосвязи до 10 см. Скорость передачи данных по интерфейсу I2C – до 1 Мбит/с. Данные на чтение и запись могут быть защищены паролями длиной 128 бит. Для простого отключения радиоинтерфейса предусмотрен специальный вывод, с помощью которого, например, можно оперативно сделать память «невидимой» для NFC-телефонов.

Серия M24SR имеет внутреннюю структуру памяти, которую условно можно разделить на три файла:

• Capability Container (CC-файл);
• NDEF;
• системный файл, который является собственностью STMicroelectronics.

Последний содержит информацию о конфигурации конкретного устройства M24SRхх.

Файл CC содержит информацию о конкретной модели M24SRхх и о файле NDEF. Этот файл доступен только для чтения через радиочастотный канал или через I2C от управляющего микропроцессора и не может быть изменен с помощью команды записи.

Файл NDEF содержит сообщение NDEF с данными пользователей. Радиочастотный хост или хост I2C могут читать и записывать данные в файл. Первые два байта называются «длина сообщения NDEF» и определяют размер сообщения NDEF. Длина NDEF-сообщений должна лимитироваться управляющим приложением, так как устройства M24SRхх не проверяют длину данных при их записи через радиочастотный или I2C-канал.

Файл NDEF может быть заблокирован для чтения или записи данных. Он также защищен 128-битным паролем,. Есть два 128-битных пароля: один – для доступа на чтение, другой – для доступа к записи. NDEF-файл может быть заблокирован для чтения или записи данных. В таком случае хост не сможет получить доступ к файлу.

Для изучения принципов работы с процессорами BlueNRG и стеком протоколов Bluetooth Low Energy компания STMicroelectroncs предлагает собственное программное обеспечение.

BlueNRG Development kits – программный пакет, который включает в себя приложение BlueNRG с графическим интерфейсом для ОС Windows и примеры программного обеспечения для микроконтроллера.

Пакет программного обеспечения BlueNRG GUI (рисунок 10) содержит графическое приложение пользовательского интерфейса для управления BlueNRG по протоколу ACI.

Рис. 10. Главное окно BlueNRG GUI

Главное окно графического интерфейса BlueNRG состоит из нескольких зон. Самая верхняя зона позволяет пользователю открыть последовательный порт, связанный с контроллером.

Когда COM-порт открыт, в дополнительном поле отображается служебная информация о версии процессоров BlueNRG, STM32L и модификации отладочной платы.

Поле HCI-команд содержит список всех доступных команд HCI. Команды могут быть отфильтрованы включением/выключением соответствующей галочки в поле фильтра. После нажатия на одну из команд все возможные параметры будут отображаться в поле пакета команд в верхней правой части окна.

Таблица команд пакета содержит четыре колонки:

• Parameter – имя поля пакета, как оно задано во втором томе, части Е спецификации Bluetooth;
• Value – значение поля, представленное в шестнадцатеричном формате (формат представления можно изменить по вызову контекстного меню правой кнопкой мыши);
• Literal – значение текущей величины выбранного поля;
• Info – описание соответствующего поля.

Пользователем могут быть изменены только желтые ячейки таблицы. Параметр “Total Length” является фиксированным или автоматически рассчитывается после изменения содержимого ячеек.

После того, как поля были изменены (если требуется), команда может быть отправлена на процессор с помощью кнопки “Send” [12].

Еще одним инструментом, предоставляемым STMicroelectroncs, является ПО оценки потребления тока беспроводными сетевыми процессорами BlueNRG в различных условиях, определенных спецификациями Bluetooth Low Energy (рисунок 11). Это приложение было разработано для того, чтобы обеспечить точную оценку энергопотребления BlueNRG с батарейным питанием в различных условиях эксплуатации.

Рис. 11. Главное окно ПО оценки потребления тока BlueNRG

Для записи данных будем использовать NFC TagWriter. Пользоваться приложением довольно просто. Запускаем, тапаем по пункту Create, write and store, выбираем New, далее выбираем тип записываемых данных. Наиболее полезные типы: контакт, простой текст, телефонный номер, данные для Bluetooth-соединения, URI и приложение. В списке есть даже закладка веб-браузера и email-сообщение, но для чего они нужны, не совсем понятно.

Далее заполняем необходимые поля (например, адрес веб-сайта в случае с URI), нажимаем Next и попадаем на экран опций (скриншот «NFC TagWriter: опции сообщения»). Здесь можно указать приложение, которое будет запущено после прочтения метки (Add launch application) и установить защиту на перезапись сторонним устройством (Apply Soft Protection).

Вместо введения

NFC расшифровывается как Near Field Communication или «ближняя бесконтактная связь», если по-русски. По своей сути это небольшой чип, который может быть встроен в смартфон с целью передачи данных на очень короткие расстояния с весьма мизерной скоростью. NFC очень близка к технологии RFID, которая уже давным-давно используется для пометки продуктов в супермаркетах, но базируется на ее более позднем стандарте ISO/IEC 14443 (смарт-карты) и спроектирована для использования в переносной электронике (читай: смартфонах) и выполнения безопасных транзакций (читай: оплаты покупок).

Как и в случае со стандартом ISO/IEC 14443, дальность действия NFC всего 5–10 см, но разница в том, что чип NFC способен выполнять функцию тега и считывателя одновременно. Другими словами, оснащенный NFC смартфон может быть как смарт-картой (картой метро, например), которую достаточно поднести к считывателю, чтобы расплатиться, так и самим считывателем, что можно использовать, например, для перевода средств между картами-смартфонами и превращения реальных карт с поддержкой стандарта ISO/IEC 14443 в виртуальные.

Но это только «одно из» и наиболее очевидное применение NFC. Благодаря тому, что чип NFC способен передавать данные в обе стороны и не требует аутентификации устройств, его можно использовать как простую и более удобную замену Bluetooth. С помощью NFC, например, можно делиться ссылками, паролями, контактными и другими данными между смартфонами, просто поднеся их друг к другу.

Появившаяся в Android 4.0 технология Beam еще больше расширяет границы применения NFC, позволяя быстро переносить между устройствами целые файлы и папки, что достигается с помощью предварительной аутентификации Bluetooth-устройств по NFC и последующей установки Bluetooth-соединения и отправки файлов.

Еще одна возможность — использование пассивных NFC-тегов. Такие теги в виде небольших наклеек можно приобрести за полдоллара за штуку и перепрограммировать с помощью смартфона. Каждый из них может вмещать в себя 137 байт информации (в случае самого распространенного и дешевого тега Mifire Ultralight C), для считывания которой опять же достаточно просто поднести смартфон.

В тег можно записать пароль от домашнего Wi-Fi и приклеить на роутер. Или кодовое слово, на которое будет реагировать смартфон. Можно организовать автоматический запуск навигатора при установке смартфона в держатель в автомобиле или включение бесшумного и энергосберегающего режимов, когда телефон находится на прикроватной тумбочке. Небольшой список покупок в 137 байт тоже вполне вместится.

В этой статье мы поговорим обо всех возможных применениях NFC на практике, но так как в нашей стране оплата покупок с его помощью внедрена примерно нигде, то речь пойдет преимущественно об автоматизации на основе меток.

Проектирование антенн для NFC EEPROM

Особое внимание при разработке счетчиков с использованием микросхем памяти M24LRхх и M24SRхх следует уделить проектированию радиопередающего тракта. Точность настройки антенны влияет не только на дальность передачи данных, но и на величину возможной энергии, полученной в режиме «энерджи харвестинг».

На рисунке 3 представлена эквивалентная электрическая схема чипа и антенны. M24LRxx показано как параллельное соединение сопротивления, которое имитирует текущее потребление чипа и дополнительной емкости, предназначенной для облегчения точной настройки.

Рис. 3. Эквивалентная схема M24LRxx и его антенны

Антенна представляет собой провод, поэтому эквивалентом его электрической цепи является сопротивление, обозначенное Rant. Антенна также обладает индуктивностью, обозначенной Lant. Cant представляет дополнительную паразитную емкость от линий и электрических дорожек между антенной и чипом.

В уравнениях первого порядка значения Rchip, Cant и Rant несущественны, поэтому основные уравнения, которые используются для проектирования антенн, учитывают лишь Ctuning и Lant.

Основным различием при проектировании и расчетах является форма антенны. Как правило, сегодня используют три основных типа антенн – кольцевую, спиральную и квадратную. Для каждого типа существует свой алгоритм расчета ее индуктивности [4].

Для ускорения проектирования квадратных антенн компания STMicroelectronics предлагает онлайн-приложение eDesignSuite (рисунки 4, 5), которое является идеальным инструментом моделирования, значительно упрощающим задачу разработчиков [7]. Приложение доступно для зарегистрированных пользователей.

Рис. 4. Стартовое окно eDesignSuite для проектирования квадратных антенн

Рис. 5. Результаты проектирования антенны

Для проектирования достаточно выбрать соответствующую вкладку (рисунок 4) и ввести начальные параметры – размеры сторон.

Исходя из начальных параметров, среда позволяет рассчитать количество витков, ширину и толщину витка, межвитковое пространство, количество слоев и толщину подкладки. При желании каждый из указанных параметров можно изменить под свои задачи. Результатом моделирования является внешний вид антенны и индуктивность. Все параметры рассчитываются для работы на частоте 13,56 МГц.

Дополнительную информацию по настройке антенн можно взять из технической документации [6].

Считыватель CR95HF

Обслуживающий персонал и рядовые пользователи для доступа к функционалу счетчика должны иметь специализированное оборудование, способное обмениваться данными с микросхемами M24SR и M24LR на частоте 13,56 МГц и генерировать электромагнитное поле мощностью, достаточной для питания указанных микросхем в режиме «энерджи харвестинг».

Для работы с микросхемами M24SR и M24LR компания STMicroelectroncs предлагает считыватель CR95HF.

CR95HF – это интегрированный приемопередатчик для бесконтактных приложений, таких как NFC. Считыватель имеет радиоинтерфейс 13,56 МГц и поддерживает протоколы связи ISO/IEC 14443 типа A и B, ISO/IEC 15693 (содинарной или двойной поднесущей) и ISO/IEC 18092. CR95HF также поддерживает обнаружение, чтение и запись в NFC первого, второго, третьего и четвертого стандартов тега [8].

Рис. 6. Блок-диаграмма считывателя CR95HF

Для разработки устройств STMicroelectronics предоставляет специализированную библиотеку, ориентированную на работу с 8- и 32-битными контроллерами.

Рис. 7. Отладочный набор M24LR-DISCOVERY

Предоставляемую библиотеку условно можно разделить на три уровня:

• CR95HF содержит низкоуровневые команды для непосредственного управления трансивером CR95HF;
• уровень протоколов стандарта ISO/IEC 15693;
• уровень взаимодействия с оборудованием,, имеющим двойной интерфейс доступа [9].

Для начала знакомства с чипом компания предлагает отладочные платы PLUG-CR95HF-B, а также наборы M24LR-DISCOVERY (рисунок 7) и M24SR-DISCOVERY. Отладочные наборы включают в себя плату PLUG-CR95HF-B, в которую входит бесконтактный приемопередатчик CR95HF. Плата имеет размер 47х34 мм и оснащена антенной на подложке с рабочей частотой 13,56 МГц.

Использование подобного комплекта оборудования позволит бесконтактно обслуживать счетчики, настраивать параметры работы, стоимость тарифов (в случае многотарифных счетчиков) и так далее. Неоспоримым преимуществом такого подхода также является возможность проведения поверок счетчика на точность без нарушения его целостности или считывание остаточных данных в случае его выхода из строя.

Отладочные платы для BlueNRG

Для микросхем памяти M24SR и M24LR также предусмотрены отладочные платы M24LR-DISCOVERY и M24SR-DISCOVERY (рисунок 8).

Рис. 8. Отладочная плата M24SR-DISCOVERY

Комплект M24LR-DISCOVERY (рисунок 7) готов к немедленному использованию и основан на чипе M24LR04E-R. На базе комплекта можно тестировать такие приложения как промышленное или медицинское оборудование, потребительская электроника.

Демонстрационный комплект M24SR-DISCOVERY позволяет оценить функции и возможности серии M24SR и основан на устройстве M24SR64. В продаже доступны две версии этого набора: Standard Edition и Premium Edition.

Standard Edition оснащен жидкокристаллическим цветным дисплеем размером 320х200 пикселей, интерфейсным выходом USB, интерфейсом JTAG для изменения прошивки контроллера, джойстиком для управления меню работы программы. Плата запитывается через шину USB. Она также включает в себя микроконтроллер STM32F103 для управления памятью EEPROM через шину I2C и ЖК-экраном – через SPI-шину.

Premium Edition включает в себя все стандартные функции издания, а также наушники и модуль Bluetooth, чтобы продемонстрировать удобство синхронизации комплекта со смартфоном через NFC.

Вышеописанные средства можно успешно опробовать на готовых отладочных платах. Для работы с Bluetooth Low Energy компания STMicroelectroncs предлагает несколько наборов: STEVAL-IDB002V1, STEVAL-IDB003V1 и X-NUCLEO-IDB04A1.

Рис. 12. Отладочная плата STEVAL-IDB003V1

Рис. 13. Отладочная плата STEVAL-IDB002V1

Рис. 14. Оценочная плата X-NUCLEO-IDB04A1

Отладочная плата STEVAL-IDB003V1 с установленным малопотребляющим контроллером STM32L совместима со спецификациями Bluetooth 4.0 и может работать как в роли ведущего, так и в роли ведомого устройства (рисунок 12). Плата в первую очередь предназначена для взаимодействия с другими устройствами BlueNRG, но также доступна для разработки пользовательских приложений.

STEVAL-IDB003V1 через USB-разъем можно подключать к компьютеру, где должно быть установлено специальное ПО с графическим интерфейсом для обновления прошивки. На плате также предусмотрено место для установки разъема JTAG, через который опытные пользователи могут изменять прошивку на микроконтроллере STM32L [14].

STEVAL-IDB002V1 соответствует тем же стандартам, что и STEVAL-IDB003V1, но отличается своим конструктивом. Она состоит из радиочастотных дочерней и материнской плат (рисунок 13). Дочерняя плата является BlueNRG-устройством, имеет разъем SMA для антенны или измерительных приборов и разъем SPI для внешнего микроконтроллера.

X-NUCLEO-IDB04A1 – еще одна оценочная плата для изучения работы технологии Bluetooth Low Energy, которая может устанавливаться на одну из материнских плат STM32 Nucleo (рисунок 14). Примечательно, что она совместима с разъемом Arduino UNO R3. Плата и взаимодействует с STM32 MCU через SPI [16]

Технологии Bluetooth Low Energy

Для систем АСКУЭ при работе с сетью счетчиков в беспроводном диапазоне на небольших расстояниях инженеры STMicroelectroncs также разработали процессоры, поддерживающие технологию Bluetooth Low Energy (BLE). Она позволяет разрабатывать миниатюрные датчики мобильных приложений или устройства сбора данных с батарейным питанием, например, счетчики расхода энергоресурсов.

Ориентация BLE-устройств на низкое энергопотребление обусловливает ухудшение некоторых характеристик. Например, максимальная дальность передачи данных составляет 50 м, скорость передачи данных – до 1 Мб/с при пропускной способности 0,26 Mб/с. Но все это выглядит малосущественным на фоне показателей энергопотребления – потребляемая мощность составляет всего лишь 0,01…0,5 Вт в зависимости от конфигурации устройства.

С использованием BLE компания STMicroelectroncs выпускает, к примеру, BlueNRG-MS – одномодовый сетевой Bluetooth-процессор с низким питанием, совместимый с устройствами Bluetooth версии v4.1. BlueNRG-MS может одновременно выступать и как Bluetooth-датчик, и как сетевой концентратор.

Весь стек Bluetooth Low Energy работает на встроенном ядре Cortex M0. Энергонезависимая Flash-память позволяет производить обновление загруженного ПО. BlueNRG-MS соответствует всем требованиям энергопотребления при пиковых значениях тока, предъявляемым при использовании стандартных литиевых батарей.

Разработка полнофункционального устройства включает в себя более сложную настройку антенны, чем при использовании M24SR/M24LR. Основную трудность у разработчиков составляет балансировка и согласование работы антенны с разрабатываемым устройством, что требует значительных навыков в работе с высокочастотной схемотехникой.

STMicroelectronics выпускает микросхему BALF-NRG-01D3, разработанную специально для согласования работы высокочастотных антенн и процессоров беспроводной связи BlueNRG. BALF-NRG-01D3 является миниатюрным балуном – интегральным симметрирующим трансформатором в четырехвыводном корпусе Flip-Chip площадью 1,4х0,85 мм и высотой всего 0,67 мм.

Рис. 9. Схема подключения балуна BALF-NRG-01D3 к процессору BlueNRG в QFN-корпусе

Заключение

Компания STMicroelectroncs обеспечила широкий выбор решений для реализации беспроводных средств сбора и передачи данных, что с успехом может использоваться при разработке новых типов счетчиков систем АСКУЭ.

Сюда входит новая серия беспроводной памяти Dynamic NFC/RFID, которая поддерживает передачу данных по радиоинтерфейсу в соответствии со стандартами ISO/IEC 14443 Type A и NFC Forum Type 4 Tag. В серии M24SR представлена EEPROM-память объемом 2…64 кбит. Для беспроводного доступа достаточно подключить антенну, при этом микросхема будет работать даже без подачи напряжения питания.

Микросхемы M24SRx и M24LRx могут использоваться в качестве NFC- или RFID-меток для идентификации и сохранения данных в счетчиках энергопотребления. Серия M24LRx, благодаря возможности передачи данных на большие расстояния, ориентирована на применения в системах мониторинга, промышленной автоматике и автомобильных приложениях.

В качестве дополнения к указанным устройствам с успехом можно использовать технологию Bluetooth Low Energy на базе процессоров BlueNRG. Технология предусматривает полную совместимость Bluetooth версии v4.1, имея вдвое меньшие значения параметров, чем стандартные устройства Bluetooth, но значительно превышает их по показателям энергопотребления, вследствие чего срок службы такого устройства от батарейного питания может достигать года.

Литература

1. Ссылка 1;
2. Ссылка 2;
3. Ссылка 3;
4. Ссылка 4;
5. Ссылка 5;
6. Ссылка 6;
7. Ссылка 7;
8. Ссылка 8;
9. Ссылка 9;
10. Ссылка 10;
11. Ссылка 11;
12. Ссылка 12;
13. Ссылка 13;
14. Ссылка 14;
15. Ссылка 15;
16. Ссылка 16.