NFC technológia 7 pontban

A rövid távú vezeték nélküli NFC technológiát két elektronikai eszköz közötti intuitív és egyszerű kommunikációra tervezték. Az NFC kommunikációs áramkörök vezeték nélküli memóriaeszközként működnek, kettős memória hozzáféréssel.

Hardver interfészt is tartalmaznak (SPI, I2C). NFC kommunikációs áramkör alapvetően minden olyan alkalmazásban használható, ahol a beágyazott rendszer (NFC tag) és külső mobil olvasó/író eszköz között adatátvitel megy végbe.

Miről tanulhat a cikkben?

1. Vezeték nélküli kommunikáció

Két objektum közötti kommunikáció, amelyek nem mechanikai úton kapcsolódnak egymáshoz. A továbbított információ hordozóközege lehet fény (optikai összekapcsolás), vagy rádiójel (elektromágneses (EM) mező).

A jelenleg használt vezeték nélküli és rádiós kommunikációs technológiák:

• Bluetooth - A kommunikáció célja a mobiltelefonok, számítógépek és kommunikációs eszközök közötti vezetékes kapcsolat kiváltása (max. hatósugár: 10 m)
• Wi-Fi  technológia - helyi hálózatokhoz (LAN) optimalizált. Vezetékes hálózatok helyettesítése több tucat számítógépes eszköz számára (max. hatósugár: 100 m)
• ZigBee -  lehetővé teszi az ipari és lakossági alkalmazások vezérlését és ellenőrzését (max. hatósugár: 100 m)
• RFID (Radio Frequency Identification) -  automatikus azonosítási módszer, amely az RFID-címkével összegyűjtött adatok tárolására és visszakeresésére támaszkodik. Az RFID-tag egy kis objektum (elektronikus címke), amely egy másik objektumhoz (termékhez) kapcsolható. Félvezető chipeket tartalmaz, amelyek lehetővé teszik az RFID „olvasóval/íróval” történő kommunikációt.
• Az érintés nélküli chipkártyák félvezető áramkörrel (mikroprocesszor) ellátottak, amely RFID technológián keresztül kommunikál a kártyaolvasóval. Példák az érintés nélküli intelligens kártya kommunikációra: ISO/IEC 14443 és FeliCa (max. hatósugár: 10 cm)

2. "Near Field Communication"

Az NFC kommunikáció akkor működőképes, ha két eszköz egymáshoz közel helyezkedik el. A kommunikáció lehallgatása csaknem lehetetlen. Az NFC eszközök közötti adatcserét biztosít, miközben csak az egyiknek kell energiaforrással rendelkeznie. Az NFC az érintés nélküli chipkártya-technológia kiterjesztése, de az NFC az intelligens kártyákkal ellentétben támogatja a kétirányú kommunikációt is. Ez új lehetőségeket nyit a biztonságos érintés nélküli kommunikáció számára. Fontos tény, hogy az NFC teljesen kompatibilis a meglévő infrastruktúrával, az érintés nélküli chipkártyákkal.

NFC jellemzők:

• Érintés nélküli kommunikációs technológia, intuitív kapcsolat,
• Biztonságos, egyirányú és kétirányú kommunikáció,
• Technológia: RFID 13,56 MHz, hatótáv: 10 cm, 848 kbit/s bitráta,
• Szabványok: ISO / IEC 18092, ISO / IEC 21481, ISO / IEC 14443 A / B, ISO / IEC 15693, ISO / IEC 18000-3,
• Összeférhetőség: MIFARE®, FeliCa,
• Üzemmód: Čítanie/zápis, Peer-to-Peer (rovný s rovným) a emulácia čipovej karty,
• Gyors, zökkenőmentes párosítás a Bluetooth és Wi-Fi technológiákkal.

3. „Közeli és távoli“ EM mezők

A Maxwell egyenlet által leírt elektromágneses mezőből tudjuk, hogy a mágneses és elektromos mezők szabad térben léteznek és terjedhetnek. Nagyon rövid távolságokon (adóvevő antenna) a felvett energiamennyiség szinte megegyezik a leadott teljesítménnyel a mintegy sztacionáris hullámok jelenléte miatt. Ezek a hullámok mágneses vagy elektromos csatlakozást tesznek lehetővé. Ezt az elektromágneses indukció-tulajdonságot használják a transzformátorok esetében is.

A „közeli mező” kifejezés olyan munkaterületre utal, amelyben elektromágneses indukció léphet fel, miközben ezen a távolságon az indukció kommunikációs célokra is felhasználható, éppen ezért illetik ezt a területet Near Field vagy Rayleigh kifejezésekkel. Ez az elmélet a λ/2π –nél kisebb távolságokra vonatkozik. (1. ábra)

      1. ábra: Közeli és távoli elektromágneses mező ábrázolása [2]

A jelforrástól nagyobb távolságra eső területek esetében az elektromágneses mező elektromos része dominál, és már nem keletkezhet elektromágneses áramkör (mint pl. a transzformátoroknál).

Viszont továbbra is jelen van egy sugárzó elektromágneses mező, amely terjed a térben. Ezt a sugárzást használják kommunikációs célokra. A λ/2π –nél nagyobb távolságokban előforduló zónát Fraunhoffer-zónak nevezzük, ahol a rádiófrekvenciás (RF) kommunikáció rádióhullám-terjedéssel történik. A hagyományos RF technológiák hosszú távú kommunikációnak tekinthetők. A két terület közötti zóna, ahol a távolság megközelítőleg megegyezik a hullámhosszal, középső, azaz Fresnel zónának tekinthető.

Ez a vezeték nélküli kommunikációra használt elektromágneses mezők és elemeinek (elektromos, mágneses mezők) egyszerűsített magyarázata. Az egyes zónák pontos fizikai leírása természetesen jóval bonyolultabb.

4. NFC-elv

      2. ábra: Mágneses indukció általi adó és vevő csatlakoztatás [2]

A 3. ábrán egy forrás- (initiator) és egy célberendezés (target) láthatók, amelyek elektromágneses mezővel vannak összekapcsolva. A mező az egyes eszközök tekercsében keletkezik. Az egyik tekercs áramának módosítása a másik tekercsben az indukált feszültség változásához vezet.

A hagyományos indukciós alkalmazások, mint pl. a transzformátorok, az elsődleges tekercs változásának elvén működnek, ami a másodlagos tekercs változását eredményezi. Az NFC-k esetében az indukciós kapcsolat létrehozását követően lehetőség van az elsődleges és másodlagos eszközök funkciómódosítására is. Pl. az RFID olvasó esetében az IC chipről olvasandó adatokat egy passzív másodlagos forrásból nyeri.

       3. ábra: A kétirányú NFC indukciós kommunikáció elve [2]

       1. táblázat: NFC-s berendezések közötti összekapcsolás lehetőségei

Az első sor kétirányú kommunikációt jelöl. Bár a táblázat második és a harmadik sora azonosnak tűnhet, fontos, hogy megkülönböztessük az információáramlás irányát. Bár az RFID olvasó hozza létre a szükséges mezőt, az információkat az ID tag-ből nyeri.

A 13,56 MHz-es frekvencia egyik érdekessége az emberi és állati szövetekkel való alacsony kölcsönhatás, amely alkalmassá teszi az NFC használatát például állatok azonosításánál is.

5. Érintés nélküli kártya technológia

Ha a címke saját tápegységgel rendelkezik, akkor aktív módban képes az olvasóval/ íróval váltakozó, oda-vissza kommunikációra. Az ISO / IEC 14443 az érintés nélküli intelligens kártyákra vonatkozó nemzetközi szabvány.

4 részből áll:
• 1. rész: ISO/IEC 14443-1 - a kártyák fizikai jellemzőit taglalja.
• 2. rész: ISO/IEC 14443-2 – az elektromágneses mező létrehozását írja le (energia- és információátvitel). 
• 3. rész: ISO/IEC 14443-3 - az átvitel kezdeményezését és a meghibásodások kezelését szabályozza.
• 4. rész: ISO/IEC 14443-4 - az átviteli protokollra vonatkozó követelményeket szabályozza.

6. NFC technológia

A rövid távú NFC kommunikáció az RFID (Radio Frequency Identification) szabványokon alapul, és 13,56 MHz frekvenciát használ, a hatósugár pedig pár cm. Az NFC Forum néven ismert interdiszciplináris csoport az NFC technológia és kommunikációs protokoll szabványosításával foglalkozik.

ISO/IEC 18092 („Telecommunications and Information Exchange Between Systems – Near Field Communications – Interface and Protocol), NFCIP-1 –ként is használatos (Near Field Communication - Interface and Protocol Specification) - nemzetközileg alkalmazható NFC technológiás szabvány. Az érintés nélküli kártyákat szabályozó ISO/IEC 14443 szabványból indul ki, az alábbi különbségekkel:

• Az NFC másik parancs protokollt használ, amely helyettesíti a 4. részt: ISO/IEC 14443-4
• Az NFC két kommunikációs módot használ (aktív és passzív), amelyek lehetővé teszik a Peer-to-Peer, valamint az ISO/IEC 18092 szabványnak megfelelő tag-ekkel történő kommunikációt

A két kommunikációs módszeren belül az ISO/IEC 18092 szabvány 3 működési módot határoz meg (4. ábra):

1. Reader/writer – Az aktív eszköz és az NFC-tag közöti kommunikáció.
   Az NFC címke egy passzív eszköz, amely egy antennából és egy NFC chipből áll. Az adatátvitel célja az írás/olvasás az NFC címkéből/címkére. Az NFC tag-et az olvasáshoz hasonlóan, az írási folyamat közben is egy aktív NFC-eszköz elektromágneses mezője táplálja. Ez az üzemmód az információk begyűjtésére vagy egy művelet kezdeményezésére szolgál. Az írási/olvasási biztonság növelése érdekében egy biztonságos hozzáférési modul (SAM) használható az adatok titkosítására, amely biztonságos kriptográfiai processzorként szolgál. A SAM ellenőrzi a titkosított hitelesítési adatokat a tranzakció előtt (például online vásárlás vagy épületbiztonság esetében).
   
   
2. Card emulation – egy speciális mód, ahol egy aktív NFC-eszköz passzív NFC-címkeként működik. Miután az eszköz csatlakozik az olvasóhoz, a kommunikációt az olvasó kezdeményezi. Ez egy, az érintés nélküli fizetési eljáráshoz hasonló üzemmód, mint pl. a mobiltelefonos fizetések. A kártya emulációs módja lehetővé teszi, hogy a rendszer érintés nélküli intelligens kártyaként működjön, az ISO / IEC 14443 szabványnak megfelelően.
   
   
3. Peer-to-peer – két aktív eszköz kétirányú kommunikációja. Leggyakrabban 2 egymás mellé helyezett mobiltelefon esetében használatos.

4. ábra: NFC kommunikációs módok [4]

Az említett NFC kommunikációs módokból következik, hogy az NFC-s eszközök között aktív vagy passzív kommunikáció megy végbe:

• passzív kommunikáció - A három különböző NFC mód mindegyikére vonatkozik.
  Az iniciátor eszköz 13,56 MHz-es EM mezőt és egy céleszközt generál. Ha az eszközre hatással van a mező, energiaforrásként használja. Az iniciátor az adatokat közvetlenül mezőmodulációval továbbítja a céleszközhöz, amíg a céleszközből az adatok az EM mező terhelési modulálásával történik.
  Az NFC Forum által leírt módszer kompatibilis a többi érintés nélküli intelligens kártya formátummal, beleértve az ISO / IEC 14443 szabványt.
  
  
• aktív kommunikáció -a Peer-to-Peer üzemmódra vonatkozik.
  Az iniciátor és a cél EM mezőket generál. Valamennyi fél saját mezőjének ASK moduláció-módosításával továbbítja az adatokat. Az adatveszteségek elkerülése érdekében, az EM mező csupán adó készülékeket generál. A vevőkészülék az adatok fogadásakor „kikapcsolja” a saját mezőjét. Az adó és vevő funkciók az eszközök közötti kommunikáció függvényében változnak.
  * ASK (Amplitude Shift Key - az amplitúdó moduláció olyan formája, amely a digitális adatokat a hordozó amplitúdójának változásaként ábrázolja)

A kártyaemulációval rendelkező NFC-kompatibilis mobiltelefonok érintésmentes fizetéshez használhatók, akárcsak az érintés nélküli fizetési kártyák. Ha egy NFC-eszköz (mobiltelefon) az ISO/IEC 18092 szabvány szerint működik, akkor a kártya-emulációs módban POS terminál segítségével felismerhető, amely az ISO/IEC 14443 előírásoknak megfelelően működik.

Ugyanakkor az ISO/IEC 18092 előírásai kiterjednek a Peer-to-Peer módra is, amikor 2 eszköz között adatcsere megy végbe. Az ISO/IEC 14443 szabályzata nem terjed ki az ezzel a kommunikációs móddal egyenértékű üzemmódokra, tehát az NFC-eszközök nem kompatibilisek az ISO/EC 14443 szabvány szerint működő készülékekkel.

7. NFC áramkörök

Az ilyen áramkörökben az antenna-jel a bemeneti jel. Az antenna csatlakozik az áramkörhöz, és a kimenet egy szabványos busz (pl. SPI, I²C) által továbbított adat, vagy fordítva (5. ábra). Ide soroljuk például az NTAG I²C, RF430CL330H és M24SR64 áramköröket.

5. ábra:  Az NFC-s készülék mikrokontrollerrel való csatlakozási példája. [4]

7.1 NTAG I²C

Az  NTAG I²C "konverziót" kínál a vezeték nélküli RF kommunikációról az I²C busz kommunikációra. A nagyfrekvenciás NFC interfész 106 kbit/s átviteli sebességgel működik. Működéséhez külső tápegységre van szükség, vagy egy aktív NFC-eszköz által generált elektromágneses mezővel táplálható. Az NTAG I²C áramkör két különböző típusú memóriával rendelkezik:

• EEPROM memória, 7 bájt UID és 1904 bájt (NTAG I²C 2KB) tárolására, ill. 888 bájt (NTAG I²C 1K) az NDEF rekordhoz.
  *UID - Unified Information Devices 
• 64 bájtos SRAM memória, amely pufferként szolgál a gyakori adatátvitelhez.
  Ez a memória csak akkor áll rendelkezésre, ha az áramkört külső áramforrás táplálja. A mikrokontroller számára I²C buszon keresztül, az RF olvasó számára pedig EEPROM memórián keresztül érhető el.

Külső tápegység nélkül az NTAG I²C rádiófrekvenciás interfészen keresztül passzív NFC-címkeként kommunikálhat. Az SRAM memória külső táplálása lehetővé teszi az áramkör számára a gyorsabb adatletöltést és továbbítást az RF interfészről az I²C buszra, és fordítva az NDEF (NFC Data Exchenge Format) segítségével. Az NTAG I²C hidat hoz létre a vezeték nélküli RF kommunikáció és a soros csatlakozású I²C busz között. Az NTAG I²C az EM mezőből nyert energiát felhasználhatja külső (alacsony feszültségű) készülékek, pl. mikroprocesszorok táplálására is. Az NTAG I²C- két változatban kapható:

• NTAG I²C 1K – 888 bájt felhasználói memória
• NTAG I²C 2K - 1904 bájt felhasználói memória

Az NTAG I²C Explorer Kit, demonstrációs és fejlesztőeszköz segítséget nyújthat az NTAG I²C áramkörrel való gyors megismerkedéshez. A hardverbővítmények és szoftvereszközök (NTAG I²C Explorer-Peek and Poke Utility) segítségével a felhasználó saját NFC kommunikációs alkalmazásokat fejleszthet és tesztelhet.

6. ábra: NTAG I²C Explorer Kit antennás PCB folyamatábra [4]

A 6-os ábra többek között egy háttérvilágítású 2x16 karakteres LCD kijelzőt, NXP PCT2075 hőérzékelőt és RGB LED diódát ábrázol. A NTAG I²C áramkörös eltávolítható antenna modul a fejlesztőlapon található valamennyi áramkör energiaellátását biztosítja, amit az NXC eszköz generál az EM mezőből, 2,7 V-tól 3,0V-ig terjedő tartományban. Fontos, hogy a teljes áramfogyasztást 5 mA alatt maradjon, mivel a fejlesztőlap áramfogyasztása befolyásolja az NTAG I²C áramkör kimeneti feszültségét.

A 7-es ábrán egy vezérlőelemekkel és könnyen eltávolítható antenna modulokkal ellátott fejlesztőlap látható. Az ISO/IEC szabvány 6 osztályt különböztet (Class 1-6), amelyek egymástól az antenna tekercsének alakjában és méretében különböznek. A fejlesztőkészlettel történő tesztelésre a 4-es, 5-ös és 6-os osztályú modulok állnak rendelkezésre, szilárd vagy rugalmas szubsztrátumon.

7. ábra: NTAG I²C Explorer Kit és antenna modulok. [4]

7.2 M24SR64-Y

Az M24SR64-Y hasonló mikrokontroller-NFC eszköz összeköttetést kínál. Az M24SR64-Y egy dinamikus NFC-címke, amelynek információi az RF-interfészről és az I²C-buszról is elérhetőek, az adatok cseréjéhez pedig ugyanaz a memória használatos. Emiatt az M24SR64-Y-vel egyidejűleg csak egy interfész képes kommunikálni, az interfészválasztást az M24SR64-Y vezérli. Az RF interfész az ISO/IEC 14443-A szabványnak megfelelő.

Az M24SR64-Y kompatibilis az NFC Forum Type 4 címke specifikációival, és támogatja az összes megfelelő parancsot. 8 KB EEPROM memóriát tartalmaz, támogatja az NDEF adatstruktúrában való kommunikációt, az RF kommunikáció sebessége pedig 106 kbit/s. Az M24SR64-Y áramkör az alábbi üzemmódokban működhet, amelyek a tápellátásban különböznek

Obvod M24SR64-Y může pracovat v těchto funkčních módech, které se odlišují ve zdroji napájení obvodu:

• I²C mód -az áramkört csak a VCC terminálhoz csatlakoztatott külső forrás táplálja. A mikrokontroller az I²C buszon keresztül kommunikálhat a memóriával
• Tag mód - az áramkört csak az elektromágneses mező táplálja (RFID-olvasó vagy mobiltelefon által generált). A felhasználói memória csak RF parancsokkal érhető el. Az I²C busz nem elérhető.
• Dual interface mód - az áramkör az EM mezőből és a VCC bemenetből is táplálható. Az RF és I²C interfészek aktívak, és az RF vagy I²C állomások kommunikálhatnak az M24SR64-Y-nal. A tápellátást és a hozzáférés-vezérlést maga az M24SR64-Y áramkör végzi.

8. ábra: M24SR64-Y folyamatábra [5]

7.3 RF430CL330H

Az áramkör csupán a vezeték nélküli RF kommunikáció és SPI vagy I²C interfészek „átkötéséért“ felelős. Az előzőekben bemutatott áramkörökhöz képest ez az áramkör csak transzponder, tehát nem használható tag-ként (nem tartalmaz EEPROM-ot), és nem lehet EM-mezőből táplálni (külső tápellátást igényel).

A korábbi áramkörökhöz képest hardver interfészt (SPI, I²C) és nagyobb vezeték nélküli átviteli sebességet kínál 848 kbit/s-ig. Az áramkör csak SRAM memóriát (3KB) tartalmaz NDEF adatstruktúrához.