Nfc статьи

NFC: частотный диапазон, скорости обмена, описание протокола NFCIP

NFC позволяет осуществлять обмен данными между устройствами с относительно высокой скоростью, сравнимой с технологиями BLE и ZigBee, однако эффективные расстояния редко превышают несколько десятков сантиметров (рисунок 1). С одной стороны, это ограничивает область применения персональными устройствами или карточками, с другой – благодаря ограниченному радиусу действия, несколько повышается безопасность обмена данными. Кроме того, в ряде случаев NFC-устройства не нуждаются в источнике питания.

Рис. 1. Примерные области действия беспроводных интерфейсов различных стандартов

Области применения NFC на сегодняшний день включают в себя:

• безналичные платежи;
• оплату проезда в муниципальном транспорте;
• системы учета времени и контроля исполнения;
• системы идентификации и контроля доступа;
• интерактивные стенды и постеры;
• настройка совместной работы Bluetooth или Wi-Fi-устройств.

Bluetooth и Wi-Fi-интерфейсы стали практически стандартными для современных телефонов, смартфонов и планшетных компьютеров, позволяя осуществлять взаимодействие с наушниками, камерами, микрофонами. При большом количестве гаджетов быстрая настройка связи между нужными устройствами может стать проблемой.

К примеру, для подключения устройства к смартфону или планшетному компьютеру по Bluetooth, оно должно быть выведено в режим поиска подключения, как правило, нажатием или удержанием определенной кнопки. Затем необходимо на смартфоне выбрать его из списка доступных устройств, а он может быть достаточно длинным.

NFC позволяет существенно упростить данный процесс – для установления соединения устройств достаточно будет на короткое время поднести их друг к другу. Кроме того, после установления связи возможен автоматический запуск необходимого приложения. NFC Forum™ и Bluetooth SIG совместно разработали документ Bluetooth Secure Simple Pairing using NFC, определяющий формат сообщений для установки соединения (так называемого «спаривания») между Bluetooth-устройствами при посредничестве NFC-устройств.

Предусмотрено два режима установления соединения:

• прямое соединение, при котором происходит передача параметров соединения, отслеживается процедура установления связи и настройка канала передачи данных между двумя устройствами;
• косвенное соединение, когда NFC-смартфон или планшет играет роль посредника для передачи параметров соединения между устройством и точкой его подключения (например, между ноутбуком и беспроводной точкой доступа).

Помимо помощи в установке соединения между устройствами, NFC может играть роль простого и дешевого сервисного интерфейса:

• смартфон или планшет с поддержкой NFC может играть роль универсального дисплея для отображения состояния устройства или роль консоли для его администрирования и настройки;
• беспроводное подключение не требует специальных разъемов, а использование радиоканала позволяет отказаться от прозрачных окошек, характерных для ИК-портов;
• возможно бесконтактное обновление прошивки или региональная адаптация изделия непосредственно в упаковке.

Стандарт NFCIP – Near Field Communication Interface and Protocol, – содержит две части NFCIP-1 и NFCIP-2. NFCIP-1 [1] стандартизован в документах ISO/IEC 18092, ECMA 340, ETSI TS 102190. Он определяет два режима обмена – активный и пассивный, определяет полосы частот, типы модуляции и скорости передачи данных (106, 212, 424 кбит/с), процедуры обнаружения устройств и обмена данными.

NFCIP-2 [2] стандартизован в ISO/IEC 21481, ECMA 352, ESTI TS 102312 и определяет механизмы совместной работы устройств стандартов ISO 18092, ISO 14443, ISO 15693, работающих в полосе 13,56 МГц.

Конструкция и предназначение меток

Преимущество технологии NFC в том, что она может быть заключена как в активном чипе, так и в пассивной метке. Для работы последней не требуется энергия, о регулярной подзарядке можно забыть. При этом NFC-метки имеют минимальные размеры, что позволяет им находиться даже в каком-нибудь брелке. По сути каждая такая метка представляет собой маленькую антенну толщиной с бумажный лист.

Использование NFC-меток может быть в самых разных целях. Чаще всего их можно встретить в банковских картах. В таком случае метка применяется для бесконтактной оплаты — нужно лишь убедиться, что это поддерживает терминал. Это существенно ускоряет процесс оплаты, ведь в большинстве случаев от вас не потребуют ввода пин-кода.

Также NFC-метки продаются в виде отдельных аксессуаров. Они могут класться на стол, либо подвешиваться к связке ключей. Такие метки используются для управления «умным домом». А ещё с их помощью можно заставить смартфон автоматически переходить в определенный режим работы. Например, метка может находиться на торпеде автомобиля.

В таком случае прикосновение к ней смартфона включит Bluetooth, после чего водитель будет общаться со звонящими посредством беспроводной гарнитуры. И не обязательно должно быть запрограммировано лишь одно действие. Помимо Bluetooth, может включиться любимая радиостанция, а также запуститься GPS-навигатор. Словом, всё зависит от фантазии пользователя!

Канал связи NFC: роли устройств, режимы подключения

В стандарте определены три возможных режима работы устройств NFC:

• режим «точка-точка»;
• режим эмуляции карты;
• режим считывателя.

Режим «точка-точка» предусматривает двунаправленный обмен данными между устройствами. При этом каждое из устройств может при необходимости инициировать обмен.

В режиме эмуляции карты NFC-устройство функционирует как бесконтактная карта/метка.

Считыватель может считывать и записывать данные в NFC/RFID-устройства и бесконтактные карты, а также осуществлять запитку пассивных NCF-устройств.

Где купить NFC-метки?

Если вас интересуют метки в виде наклеек, которые использовать проще всего, то для этого придется посетить AliExpress. Именно здесь их выбор больше всего. Например, вы можете приобрести набор из десяти разных наклеек Ntag213 — стоимость такого комплекта не превышает 220 рублей.

Вы спокойно можете покупать NFC-метки от разных производителей. На их работе это никак не отразится, ведь ими используется один протокол. Фактически друг от друга такие изделия отличаются лишь формой и изображенным рисунком.

Если вам хватит шести меток, то предлагаем ознакомиться с несколько усечённым набором от AnyNFC. Однако его покупка обойдется даже дороже — за комплект из шести стикеров стоит 312 рублей. Но зато эти наклейки выполнены на более плотной бумаге, повредить их заметно сложнее.

Рассмотренные выше варианты имеют специфические рисунки. Если же вы вознамерились запрограммировать какие-то необычные команды, то вам нужны стикеры без всяких домиков, самолетов и прочих изображений. Например, 6 разноцветных наклеек, продающиеся примерно за 83 рубля (без учета доставки) располагают лишь логотипом беспроводной технологии NFC. При использовании таких стикеров вы будете ориентироваться на их цвет и местоположение.

Существует и ещё более упрощенный вариант. Вы можете купить 10 меток без рисунков. Это будут упомянутые в самом начале статьи тоненькие антенны. Далее вы можете своими руками изготовить какое-либо изображение, нанеся его на антенну, превратив её в полноценную NFC-метку. Проще всего для этой цели использовать принтер и самоклеящуюся бумагу.

Но не всегда требуется метка в виде стикера. В некоторых случаях она должна быть выполнена в виде аксессуара, который крепился бы к связке с ключами. Тогда необходима покупка набора из брелков NTAG215. Антенны в них заключены внутрь пластикового корпуса. К ключам брелок крепится при помощи металлического кольца. На корпус можно наклеить любое нужное вам изображение.

Решения NFC от Texas Instruments

Компания Texas Instruments предоставляет широкий ассортимент продукции для коммуникаций ближнего поля, отвечающий практически всем возможным на сегодняшний день запросам рынка [3]. Среди аппаратных решений компании для NFC имеются высокоэффективные и гибкие транспондеры TRF7970A и RF430CL330H, однокристальные системы RF430FRL15xH и системы в корпусе RF430F59XX с процессорными ядрами MSP430.

Как записать NFC-метку?

Многие пользователи считают, что запись NFC-меток — это удел профессионалов. А без соответствующих команд такие изделия являются бесполезными — прикосновение к ним не будет вызывать никаких действий. Как же запрограммировать ту или иную команду, используя смартфон на базе Android? Неужто это действительно сложно? Спешим вас порадовать, всё намного легче, чем вы думаете.

Записать то или иное действие, которое будет совершаться смартфоном после прикосновения к NFC-метке, помогает специальная программа. Подобные приложения легко находятся в Google Play. Мы рекомендуем установить на свой девайс NFC Tools и NFC Tasks. Их интерфейс выполнен на английском языке. Но для работы с этими программами вполне хватает даже базовых знаний языка. В крайнем случае, можно воспользоваться онлайн-переводчиком.

Работать, например, с NFC Tools очень просто. Достаточно перейти во вкладку «Tasks», после чего остается лишь выбрать задачу, которую будет выполнять смартфон при его поднесении к конкретной NFC-метке. И не забудьте затем прикоснуться к стикеру или брелку.

Само собой, NFC-связь должна быть активирована в настройках устройства. Подробнее об использовании технологии NFC читайте в отдельной статье.

Аналогичным образом устроены практически все программы, служащие для связи с NFC-метками. Какие-то предлагают на выбор простые команды. Другие — более сложные и составные. Не забывайте, что не все они являются бесплатными. Однако и дорогими такие приложения не бывают.

Транспондеры серии RF430FRL15xH

Микросхемы TRF796xA и TRF7970A [5] являются высокопроизводительными приемопередатчиками диапазона 13,56 МГц со встроенными устройствами формирования пакетов с поддержкой стандартов ISO/IEC 15693, ISO/IEC 18000-3, ISO/IEC 14443A и B (рисунок 3).

Рис. 3. Структурная схема приемопередатчиков TRF796xA, TRF7970A

TRF7970A, как наиболее современный представитель семейства трансиверов TRF79xxA, поддерживает NFC-стандарты NFCIP-1 (ISO/IEC 18092) и NFCIP-2 (ISO/IEC 21481).

Встроенные блоки кодирования-декодирования данных, формирования пакетов, а также большой FIFO-буфер позволяют достаточно легко осуществлять взаимодействие по радиоканалу. Детектор наличия поля может активировать выход устройства из спящего режима, оптимизируя тем самым общее энергопотребление устройства. В зависимости от ситуации, режима работы, приложения, TRF79xxA может находиться в одном из семи доступных режимов энергопотребления.

Широкий диапазон допустимых напряжений питания 2,7…5,5 В допускает применение транспондера в устройствах с различными уровнями напряжений – и в устройствах с логическими уровнями 3 В, и с устройствами 5 В. Также возможна работа транспондера при сильно разряженной батарее питания.

Приемопередатчик TRF79xxA позволяет реализовывать различные протоколы обмена для диапазона 13,56 МГц, включая нестандартные.

Основные возможности:

• поддержка стандартов ISO 14443A, ISO 14443B, ISO 15693, ISO/IEC 18000-3 (Mode 1);
• диапазон напряжений питания 2,7…5,5 В;
• встроенный стабилизатор питания (выходной ток до 20 мА);
• потребление в режиме ожидания – 120 мкА, в режиме сна – менее 1 мкА;
• параллельный или последовательный (SPI) интерфейс с хост-системой;
• встроенные блоки формирования пакетов, проверки контрольной суммы, контроля четности;
• скорость передачи данных – до 848 кбит/с;
• тактовый выход для хост-контроллера;
• программируемый антенный усилитель;
• выходной усилитель с поддержкой OOK- или ASK-модуляции;
• программируемая выходная мощность – 100 или 200 мВт;
• прием и декодирование нескольких поднесущих.

RF430FRL15xH [7, 8] является транспондером диапазона 13,56 МГц со встроенным 16-битным малопотребляющим контроллером MSP430 (рисунок 6). Для хранения программы и данных используется энергонезависимая оперативная память технологии FRAM.

Рис. 6. Структурная схема транспондеров серии RF430FRL15xH

FRAM эффективна в NFC-приложениях благодаря высокой скорости работы и низкому энергопотреблению в сочетании с сохранением данных при выключении питания. Энергонезависимость встроенной FRAM-памяти RF430FRL15xH позволяет свободно применять данный транспондер и в приложениях с автономным питанием, и в приложениях с питанием за счет внешнего электромагнитного поля считывателя.

RF430FRL15xH поддерживает обмен данными, установку параметров и конфигурирование посредством беспроводного интерфейса (стандарты ISO/IEC 15693, ISO18000-3), а также при помощи SPI- или I2C-интерфейса.

Встроенный датчик температуры, малопотребляющий 14-битный АЦП, два конфигурируемых аналоговых усилителя позволяют применять RF430FRL15xH в качестве самостоятельного сенсорного узла, обслуживающего как цифровые, так и аналоговые датчики.

Основные возможности транспондера:

• радиоинтерфейс ISO/IEC 15693, ISO/IEC 18000-3 (Mode 1);
• выбор источника питания: внешний источник питания или электромагнитное поле;
• встроенный датчик температуры, интерфейс к резистивному датчику;
• 16-битный блок вычисления контрольной суммы (CRC);
• микроконтроллерное ядро MSP430 (2 кбайта FRAM, 4 кбайта ОЗУ, 8 кбайт ПЗУ);
• напряжение питания – 1,45…1,65 В (ток потребления 260 мкА/МГц, в режимах экономии энергии – 9…15 мкА);
• несколько источников тактирования (4 МГц, 256 кГц, внешний тактовый сигнал);
• интерфейсный модуль eUSCI, поддерживающий SPI и I2C;
• отладочный интерфейс JTAG.

Обновление ПО контроллера по NFC-каналу

Начальный загрузчик (bootstrap loader – BSL) позволяет осуществлять доступ к памяти MSP430 во время прототипирования, для обновления прошивки контроллера в готовом изделии и для сервисного обслуживания устройства. В то время как в младших сериях контроллеров семейства MSP430 BSL (рисунок 4) загрузчик располагается в ROM-памяти и доступен только для чтения, в сериях MSP430F5xx и MSP430F6xx загрузчик располагается в защищенной области FLASH-памяти [6]. Это не только обеспечивает ему защиту при стирании памяти, но и позволяет выполнять следующие задачи:

• использовать различные протоколы и интерфейсы, такие как UART, USB, SPI, I2C, NFC, и sub-1GHz;
• назначать различные события для запуска BSL, вплоть до нажатия кнопки;
• добавлять проверку целостности загружаемых или загруженных данных и кода, например, путем вычисления контрольной суммы (CRC);
• изменять скорость передачи данных.

Рис. 4. Структура начального загрузчика MSP430 BSL

Сам загрузчик состоит из трех основных частей:

• периферийного интерфейса (PI), который принимает и декодирует команды загрузчика, а также содержит драйвера основных интерфейсов – UART и SPI (в частности, можно взаимодействовать с загрузчиком посредством транспондера TRF7970A);
• интерпретатора команд (CI), который принимает и выполняет команды;
• BSL API – набора функций, являющегося промежуточным звеном между интерпретатором команд и встроенной памятью контроллера.

С учетом ограничений на размер загрузчика в 2 кбайта, NCF BSL поддерживает только небольшую часть NFC-протокола, необходимую для простых операций передачи данных.

Целевое устройство изначально находится в режиме пассивного ожидания, предусмотренного в TRF7970A при активировании режима Single Device Detection (SDD), что позволяет снизить требования к объему занимаемой памяти. Скорость данных при установлении соединения – 106 кбит/с. Пакет запроса атрибутов и ответ на него (Attribute Request – ATR_REQ и Attribute Response – ATR_RES соответственно) завершают процесс установления соединения.

Скорость прошивки вполне сопоставима со скоростями работы через COM-порт (рисунок 5). (В примере задействованы отладочные платы MSP-EXP430F5529 и MSP-EXP430F5438 с подключенными к ним NFC-платами TRF7970ATB).

Рис. 5. Обновление прошивки посредством NFC BSL

Отладочные средства NFC

Традиционно компания Texas Instruments предлагает ассортимент отладочных и демонстрационных наборов [10].

Для оценки, отладки и проверки NFC-приложений может быть использован набор Dynamic NFC Transponder Evaluation Kit, состоящий из плат RF430CL330HTB Target Board и MSP-EXP430FR5739.

Отладочный набор NFCLink Evaluation Kit Bundle содержит в своем составе плату TRF7970ATB Target Board, плату MSP-EXP430F5529 USB Experimenter’s Board, отладочные платы RF430CL330HTB Target Board и MSP-EXP430FR5739 Experimenter Board (рисунок 8).

Рис. 8. Отладочные NFC-наборы TRF7970ATB Target Board (а) и NFCLink Evaluation Kit Bundle (б)

Плата TRF7970ATB Target Board может быть использована в паре с одной из отладочных плат контроллеров MSP430™, Tiva™ C или OMAP™.

Пакет ПО NFC Link SW

Рис. 9. Структура программного пакета NFC Link

Основной программной библиотекой для работы с NFC-устройствами серии TRF79xx производства компании Texas Instruments является программный пакет NFCLink) [11, 12]. Его структура изображена на рисунке 9.

NFCLink поддерживает встраиваемые контроллеры Texas Instruments семейств MSP430™, Tiva™ C и OMAP™ и состоит из следующих частей:

• драйверов для работы с TRF79xx;
• набора API-функций NFC, RFID;
• интерфейса с хост-системой (NFC Controller I/F – NCI), включая поддержку операционных систем Android, Linux и Windows® 7 и 8.

Модульная структура пакета NFC Link позволяет легко выбрать нужные компоненты и функции, требуемые в конкретном приложении. Также этот пакет позволяет создавать приложения, выходящие за рамки стандартного NFC-протокола, используя аппаратные возможности транспондеров TRF79хх.

Основная часть NFC Link поставляется в виде предварительно скомпилированных библиотек, а приложение взаимодействия хост-системы с транспондерами TRF79хх (интерфейсные уровни) – в виде исходных текстов.

Заключение

Компания Texas Instruments предоставляет аппаратные и программные средства для разработки NFC- и RFID-устройств.

Номенклатура Texas Instruments включает в себя аппаратное обеспечение – микросхемы NFC-приемников, транспондеров, приемопередатчиков, а также программные решения для интеграции NFC-устройств в системы. Все это способствует снижению трудоемкости процесса разработки нового продукта и сокращения времени вывода его на рынок.

Компания КОМПЭЛ, являющаяся официальным дистрибьютором Texas Instruments в России, осуществляет техническую поддержку разработчиков и производителей.