Technologie NFC v 7 bodech

NFC technologie bezdrátové komunikace na krátkou vzdálenost byla navržena pro intuitivní a snadnou komunikaci mezi dvěma elektronickými zařízeními. Obvody pro NFC komunikaci fungují jako bezdrátová paměťová zařízení s dvojitým přístupem do paměti.

Současně obsahují hardwarové rozhraní (SPI, I2C). V podstatě najdou obvody pro NFC komunikaci uplatnění v každé aplikaci, která využívá přenos dat mezi zabudovaným systémem (NFC tagem) a externím mobilním čtecím a zapisovacím zařízením. 

Co se v článku dozvíte?

Bezdrátová komunikace

"Near Field Communication"

„Blízké a vzdálené“ EM pole

Princip NFC

Technologie bezkontaktních karet

Technologie NFC

Obvody pro NFC

1. Bezdrátová komunikace

Hovoříme o ní jako o komunikaci mezi dvěma objekty, které jsou navzájem propojeny jinak než mechanicky. Jako nosné médium přenášených informací může být použito světlo (optické propojení) nebo rádiový signál (elektromagnetické (EM) pole).

V současnosti používané bezdrátové a radiofrekvenční komunikační technologie:

• Bluetooth - komunikace byla navržena za účelem náhrady kabelového propojení mezi mobilními telefony, počítači a komunikačními zařízeními (max. vzdálenost 10 m)
• Technologie Wi-Fi  - byla optimalizována pro lokální sítě (LAN). Poskytuje náhradu za kabelové sítě pro desítky počítačových zařízení (max. vzdálenost 100 m)
• ZigBee -  umožňuje ovládání a monitorování pro průmyslové a rezidenční aplikace (max. vzdálenost 100 m)
• RFID (Radio Frequency Identification) - je automatická metoda identifikace spoléhající se na ukládání a dálkové získávání dat pomocí zařízení RFID „tag“. RFID tag je malý objekt (elektronický štítek), který může být spojen s objektem (zbožím). Obsahují polovodičové čipy, které umožňují komunikovat s RFID "čtečkou ".
• Bezkontaktní čipové karty obsahují polovodičový obvod (mikroprocesor), který komunikuje s čtečkou karet prostřednictvím technologie RFID. Příklady komunikace bezkontaktních čipových karet jsou ISO/IEC 14443 a FeliCa (max. vzdálenost 10 cm)
  

2. "Near Field Communication"

NFC komunikace funguje, pokud jsou dva přístroje umístěny blízko sebe. Odposlouchávání komunikace je téměř nemožné. NFC umožňuje komunikaci mezi zařízeními, z nichž jedno nemusí mít zdroj energie. NFC je rozšířením technologie bezkontaktních čipových karet, avšak na rozdíl od čipových karet podporuje NFC obousměrnou komunikaci. Tím se otevírají nové možnosti v bezpečné bezkontaktní komunikaci. Důležitým faktem je, že je NFC plně kompatibilní s existující infrastrukturou s bezkontaktními čipovými kartami. 

Charakteristika NFC:

• Bezkontaktní komunikační technologie, intuitivní typ připojení,
• Bezpečná, jednostranná i oboustranná komunikace,
• Technologie: RFID 13,56 MHz, dosah 10 cm, bitrate: 848 kbit/s,
• Standardy: ISO / IEC 18092, ISO / IEC 21481, ISO / IEC 14443 A / B, ISO / IEC 15693, ISO / IEC 18000-3,
• Kompatibilita: MIFARE®, FeliCa,
• Pracovní mód: čtení/zápis, Peer-to-Peer (rovný s rovným) a emulace čipové karty,
• Rychlé a bezproblémové spárování s Bluetooth, Wi-Fi.

                  

3. „Blízké a vzdálené“ EM pole

Pro elektromagnetická pole řízená Maxwellovou rovnicí víme, že magnetická a elektrická pole existují a mohou se šířit ve volném prostoru. Při velmi krátkých vzdálenostech (vysílací a přijímací antény) může být přijatá energie téměř rovna přenášenému výkonu v důsledku přítomnosti kvazistacionárních vln. Tyto vlny umožňují magnetické nebo elektrické spojení. Tato vlastnost elektromagnetické indukce se používá v případě transformátoru.

Termín "blízké pole" popisuje pracovní oblast, v níž může dojít k elektromagnetické indukci, přičemž v této vzdálenosti může být indukce použita i pro účely komunikace, proto se tato oblast nazývá Near Fieldnebo Rayleigh. Tato úvaha platí pro vzdálenosti, které jsou menší než λ / 2π (Obrázek 1).

        Obr. 1 Blízké a vzdálené elektromagnetické pole [2]

Při větších vzdálenostech od zdroje signálu se elektrická část elektromagnetického pole stává dominantní a vytvoření magnetického obvodu (jako např. u transformátoru) již není možné.
Stále ovšem existuje vyzařující elektromagnetické pole šířící se prostorem. Toto záření se používá pro účely komunikace. Zóna, která se vyskytuje ve vzdálenostech větších než λ / 2π se nazývá zóna Fraunhoffer, kde se radiofrekvenční (RF) komunikace uskutečňuje použitím šíření rádiových vln. Tradiční RF technologie lze považovat za komunikaci na velké vzdálenosti. Zóna mezi těmito dvěma oblastmi, kde je vzdálenost přibližně rovná vlnové délce, může být považována za střední zónu nazývanou Fresnel. Toto je zjednodušený pohled na problematiku existence elektromagnetického pole a podílu jednotlivých složek pole (elektrické, magnetické) pro účely bezdrátové komunikace. Přesný fyzikální popis jednotlivých zón je složitější.

4. Princip NFC

Základním principem technologie NFC je magnetická indukce (obr. 2). Zdroj signálu, vysílač, generuje kolem sebe elektromagnetické pole. Cílové zařízení, přijímač, které je v dosahu tohoto pole, vytvoří magnetickou vazbu se zdrojem prostřednictvím magnetické indukce.

Magnetické pole může být modulováno vysílačem, modulované změny v magnetickém poli mohou být přijímány nebo měřeny přijímačem. Tímto způsobem se vytvoří mezi vysílačem a přijímačem jednosměrná komunikace.

      Obr. 2 Propojení vysílače a přijímače pomocí magnetické indukce [2]

Na obr. 3 je zdrojové zařazení (initiator) a cílové zařízení (target), které jsou vzájemně propojeny elektromagnetickým polem. Pole se indukuje v cívkách jednotlivých zařízení. Změna proudu v jedné cívce vede ke změně indukovaného napětí v druhé cívce.

Tradiční indukční aplikace, jako např. transformátory, pracují na principu změny v primární cívce, čehož následkem je změna v sekundární cívce. U NFC je po vytvoření indukčního spojení možná změna funkce primárního a sekundárního zařízení. Např. v případě čtecího zařízení RFID, čtecího informace z IC čipu, se získávají informace z pasivního sekundárního zařízení.

       Obr. 3 Princip obousměrné NFC indukční komunikace [2]

        Tab. 1: Možnosti vytvoření propojení mezi NFC zařízeními.

První řádek označuje obousměrnou komunikaci. Ačkoliv se druhý a třetí řádek v tabulce zdají být identické, musíme rozlišovat směrový tok informací. Např. čtečka RFID generuje pole, ale informaci získává z ID tagu.

Jedním ze zajímavých aspektů používané frekvence 13,56 MHz je to, že má nízkou interakci s lidskými a živočišnými tkáněmi, což znamená, že NFC je vhodná i pro aplikace jako např. identifikace zvířat.

5. Technologie bezkontaktních karet

T.j. komunikace mezi dvěma zařízeními, kde jedno slouží jako čtečka/zapisovačka (např. terminál POS) a druhé zařízení je "tag" (např. karta, ID čip). Čtečka je aktivní zařízení, které generuje elektromagnetické pole pro komunikaci s tagy. V pasivním režimu komunikace poskytuje elektromagnetické pole i energii pro vytvoření napájecího napětí pro tag. Tag je pasivní zařízení, které komunikuje modulováním složky elektromagnetického pole, čímž odesílá informaci uloženou v paměti ke čtečce.

Pokud tag disponuje vlastním napájením, může komunikovat se čtečkou/zapisovačkou v aktivním režimu střídavým přenosem informací z/do čtečky. ISO / IEC 14443 je mezinárodní norma pro bezkontaktní čipové karty.

Má 4 časti: 

• Časť 1: ISO/IEC 14443-1 popisuje fyzikální charakteristiky karet,
• Časť 2: ISO/IEC 14443-2 popisuje generování elektromagnetického pole (energie a přenos informace).
• Časť 3: ISO/IEC 14443-3 popisuje inicializaci přenosu a řešení kolizních situací.
• Časť 4: ISO/IEC 14443-4 popisuje požadavky na přenosový protokol.
  
  

6. Technologie NFC

NFC komunikace na krátkou vzdálenost vychází z RFID (Radio Frequency Identification) standardů a používá frekvenci 13,56 MHz, přičemž dosah je řádově v jednotkách centimetrů. Mezioborová skupina známá jako NFC Forum se zabývá standardizací NFC technologie a komunikačního protokolu.

ISO/IEC 18092 („Telecommunications and Information Exchange Between Systems – Near Field Communications – Interface and Protocol), někdy označovaná jako NFCIP-1 (Near Field Communication - Interface and Protocol Specification) je mezinárodně platnou normou pro NFC technologii. Vychází z ISO/IEC 14443 normy pro bezkontaktní čipové karty s následujícími rozdíly:

• NFC používá jiný příkazový protokol, který nahrazuje část 4: ISO/IEC 14443-4
• NFC obsahuje dva komunikační režimy aktivní a pasivní, které umožňují komunikaci v režimu Peer-to-Peer, jakož i NFC komunikaci s tagy splňujícími standard ISO/IEC 18092

V rámci dvou režimů komunikace jsou v ISO/IEC 18092 definovány 3 pracovní módy činnosti (Obr. 4):

1. Reader/writer – komunikace mezi aktivním zařízením a NFC tagem.
   • NFC tag je pasivní zařízení, které sestává z antény a NFC čipu. Cílem této komunikace je čtení nebo zapisování dat z/do paměti NFC tagu. Stejně jako při čtení, i při zapisování je NFC tag napájen elektromagnetickým polem z aktivního NFC zařízení.
   Tento režim slouží k získání informací nebo iniciování akce. Aby se zvýšila bezpečnost režimu čtení a zápisu, může být pro šifrování dat použitý modul bezpečného přístupu (SAM), který slouží jako zabezpečený kryptografický koprocesor. SAM také ověří šifrované údaje o pravosti před transakcí (například online nákup nebo přístup do budovy).
   
   
2. Card emulation – je to speciální režim, při kterém se aktivní NFC zařízení chová jako pasivní NFC tag.
   Po přiložení tohoto zařízení k čtečce je komunikace iniciována čtecím zařízením. Je to režim, který napodobuje používání bezkontaktních plateb, např. bezkontaktní platby pomocí mobilního telefonu. Mód emulace karty umožňuje systému chovat se jako bezkontaktní čipová karta kompatibilní s normou ISO / IEC 14443.
   
3. Peer-to-peer – oboustranná komunikace dvou aktivních zařízení. Nejčastěji jde o 2 mobilní telefony umístěné vedle sebe v blízké vzdálenosti, které si prostřednictvím tohoto módu mohou vyměňovat data.

Obr. 4 Módy NFC komunikace [4]

Z uvedených módů NFC komunikace vyplývá, že dochází k pasivní nebo aktivní komunikací mezi NFC zařízeními:

• pasivní komunikace - vztahuje se na kterýkoliv ze 3 provozních módů činnosti NFC. Iniciační zařízení vytváří EM pole 13,56 MHz na cílové zařízení. Když je zařízení vystaveno účinkům tohoto pole, využívá jej jako zdroj energie. Iniciátor přenáší data k cíli přímo modulací pole, zatímco data z cílového zařízení se přenášejí modulováním zatížení EM pole. Metoda, kterou popisuje NFC fórum, je kompatibilní s jinými bezkontaktními formáty čipových karet včetně ISO/IEC 14443.
  
  
• aktivní komunikace - vztahuje se na pracovní mód Peer-to-Peer. Iniciátor a cíl generují EM pole. Každá strana vysílá data úpravou vlastního pole modulací ASK. Aby se předešlo kolizím, EM pole generuje pouze vysílací zařízení. Přijímající zařízení vypne své pole, aby mohlo přijmout data. Funkce vysílání a přijímání se přepínají podle probíhající komunikace mezi zařízeními.

* ASK (Amplitude Shift Key - je forma amplitudové modulace, která reprezentuje digitální data jako změny amplitudy nosné vlny

Mobilní telefony s podporou NFC v režimu emulace karty lze používat na bezkontaktní platbu podobně jako bezkontaktní platební karty. Pokud NFC zařízení (mobilní telefon) pracuje podle ISO/IEC 18092, pak v režimu emulace karty by mělo být rozpoznatelné čtecím zařízením (POS terminálem), který pracuje podle specifikací normy ISO/IEC 14443.

ISO/IEC 18092 ovšem rovněž definuje režim Peer-to-Peer, kde si dvě zařízení mohou vyměňovat data. V normě ISO/IEC 14443 neexistuje ekvivalent takové komunikace, proto nebudou tato NFC zařízení kompatibilní se zařízeními pracujícími podle ISO/IEC 14443.

7. Obvody pro NFC

Řešení Peer-to-Peer komunikace mobilních telefonů s jinými mikroprocesorovými systémy lze realizovat pomocí speciálních obvodů, které umožňují vytvořit přemostění mezi bezkontaktní NFC technologií a standardní sériovou komunikační sběrnicí. (Sběrnice se využívá v mikroprocesorových aplikacích.)

Vstupním signálem do takových obvodů je signál z antény. Anténa je připojena k obvodu a výstupem jsou data, odesílaná prostřednictvím standardní sběrnice (např. SPI, I²C) nebo naopak (Obr. 5). K těmto obvodům patří např. NTAG I²C, RF430CL330H a M24SR64.

Obr. 5 Příklad řešení propojení NFC zařízení s mikrokontrolérem. [4]

7.1 NTAG I²C

NTAG I²C nabízí "převod“ z bezdrátové RF komunikace na komunikaci po I²C sběrnici. Vysokofrekvenční NFC rozhraní pracuje s přenosovou rychlostí 106 kbit/s. Ke své činnost potřebuje externí zdroj napájení nebo může být napájen z elektromagnetického pole, které je generováno aktivním NFC zařízením. Obvod NTAG I²C obsahuje dva typy paměti:

• paměť EEPROM, pro uložení 7 bitů UID a 1904 bitů (NTAG I²C 2KB), resp. 888 bitů (NTAG I²C 1K) pro NDEF záznam. *UID – Unified Information Devices  
• 64 bitovou SRAM paměť, která slouží jako buffer při častém přepisu dat. Tato paměť je dostupná, pouze pokud je obvod napájen z externího zdroje. Pro mikrokontrolér je přístupná přes I²C sběrnici a pro RF čtečku je přístupná pouze přes EEPROM paměťový prostor.

Bez externího napájecího zdroje může NTAG I²C komunikovat prostřednictvím RF rozhraní jako pasivní NFC tag. Externí napájení paměti SRAM umožňuje obvodu rychlé stahování a předávání údajů z RF rozhraní do I²C sběrnice a naopak prostřednictvím NDEF (NFC Data Exchenge Format). NTAG I²C vytváří můstek mezi bezdrátovou RF komunikací a sériovou I²C sběrnicí. NTAG I²C může energii získanou z EM pole použít i na napájení externích (nízkonapěťových) zařízení např. mikroprocesoru. NTAG I²C se vyrábí ve dvou verzích:

• NTAG I²C 1K – 888 Byte volně dostupné uživatelské paměti
• NTAG I²C 2K - 1904 Byte volně dostupné uživatelské paměti

Pro rychlé seznámení se samotným obvodem NTAG I²C lze použít NTAG I²C Explorer Kit, který je demonstračním a vývojovým prostředkem. Za použití hardwarových doplňků a softwarových nástrojů (NTAG I²C Explorer-Peek and Poke Utility) může uživatel vyvíjet a testovat vlastní aplikace v oblasti NFC komunikace.

Obr. 6 Blokové schéma NTAG I²C Explorer Kit a PCB s anténou [4]

Na Obr. 6 se mimo jiného nachází 2x16-znakový LCD displej s podsvícením, teplotní snímač NXP PCT2075 a RGB LED dioda. Odnímatelný anténní modul s obvodem NTAG I²C poskytuje energii pro všechny obvody na vývojové desce v rozsahu od 2,7 V až 3,0 V z EM pole generovaného NXC zařízením. Důležité je udržování celkové proudové spotřeby pod 5 mA, protože spotřeba proudu na vývojové desce ovlivňuje výstupní napětí obvodu NTAG I²C.

Na Obr. 7 je zobrazena vývojová deska s ovládacími prvky a odnímatelné anténní moduly. Standard ISO/IEC popisuje šest tříd antén (Class 1 až 6), které se od sebe liší tvarem a velikostí anténní cívky. Pro zkoušení s vývojovou deskou jsou v nabídce anténní moduly Class 4, 5 a 6 na pevném nebo ohebném substrátu.

Obr. 7 NTAG I²C Explorer Kit a anténní moduly. [4]

7.2 M24SR64-Y

M24SR64-Y má podobné řešení pro vytvoření propojení mikrokontroléru s NFC zařízeními. M24SR64-Y je dynamický NFC tag, jehož informace jsou dostupné z RF rozhraní a taktéž ze sběrnice I²C, přičemž se používá k výměně dat stejná paměť. Z tohoto důvodu může s obvodem M24SR64-Y komunikovat ve stejném čase pouze jedno rozhraní, výběr rozhraní je řízen obvodem M24SR64-Y. Rozhraní RF vyhovuje standardu ISO/IEC 14443-A.

Obvod M24SR64-Y je kompatibilní se specifikacemi tagu NFC Forum Type 4 a podporuje všechny odpovídající příkazy. Obsahuje 8 KB EEPROM paměť, podporuje komunikaci v NDEF datové struktuře, přenosová rychlost RF komunikace je 106 kbit/s. Obvod M24SR64-Y může pracovat v těchto funkčních módech, které se odlišují ve zdroji napájení obvodu:

Obvod M24SR64-Y môže pracovať v týchto funkčných módoch, ktoré sa odlišujú v zdroji napájania obvodu:

• I²C mód - obvod je napájen pouze z externího zdroje připojeného k VCC vývodu. Přes I²C sběrnici může s pamětí komunikovat mikrokontrolér
• Tag mód - obvod je napájen pouze z elektromagnetického pole (generovaného RFID čtečkou nebo mobilním telefonem). Uživatelská paměť je přístupná pouze přes RF příkazy. I²C sběrnice je nepřístupná.
• Dual interface mód - obvod je napájen z EM pole i z VCC vstupu. Obě rozhraní RF i I²C sběrnice jsou aktivní a hostitelé RF nebo I²C mohou komunikovat s obvodem M24SR64-Y. Napájení a řízení přístupu jsou prováděny samotným obvodem M24SR64-Y.

Obr. 8 Blokové schéma M24SR64-Y [5]

7.3 RF430CL330H

Obvod realizuje pouze "propojení" bezdrátové RF komunikace a rozhraní SPI nebo I²C . Tento obvod je jen transponder ve srovnání s předchozími obvody, není jej tedy možné použít ve funkci tagu (neobsahuje EEPROM), není možné jej napájet z EM pole (potřebuje externí napájení).

Ve srovnání s předchozími obvody nabízí hardwarová rozhraní (SPI, I²C) a vyšší přenosovou rychlost bezdrátového RF přenosu až 848 kbit/s. Obvod obsahuje pouze SRAM paměť (3KB) pro NDEF datovou strukturu.