內建NFC/RFID　可攜式設備增添創新應用

使用者可能時常聽到「NFC與傳統的RFID有何不同」的問題，在實體層或RF層，差別確實不太大。NFC本質上是RFID的一種進化形式。實際上，NFC工作在RFID的13.56MHz頻段(HF)。行業聯盟NFC論壇從RFID實體層協議開始，透過將幾個新層添加到協議棧(Stack)對其進行改進。

增加了NFC資料交換格式(NDEF)，以識別、封裝並在支援NFC的設備之間交換應用資料。這種標準化的格式使得NFC/RFID成為一種應用前途遠大的新興無線通訊技術，適應將來的普及運算。

為涵蓋較寬的應用，RFID和NFC在本文的隨後討論中可互換使用。本文將簡要介紹NFC/RFID技術，給出常見的電路模組，OEM可用來在可攜式電子產品中實現新型非接觸式NFC/RFID功能。示例電路基於DeepCover MAX66242雙介面安全無源標籤。利用給出的電路，很容易將NFC/RFID短距離無線技術增加到嵌入式電子平台。文中將結合幾種實際使用情況展開討論。

NFC/RFID基礎為讀卡器和標籤

NFC/RFID是一種標準的近距離無線通訊技術，支援彼此位置相對距離較近的手持或其它設備之間的通訊。NFC/RFID工作距離為幾英寸到1米。該技術採用電感耦合，是通過兩個設備之間的公共磁場傳遞能量的過程。這一過程實際上與空心變壓器的工作原理相同，讀卡器天線線圈相當於初級側，標籤的天線線圈相當於二次側。讀卡器利用電磁感應產生標籤能夠檢測得到的無線電波。因此，當標籤靠近讀卡器時，讀卡器天線線圈產生的電波將耦合到標籤天線線圈。在標籤內感應產生電壓，然後對其進行整流並為標籤內部電路供電。

圖1所示為讀卡器對電波進行調製並與標籤交換資料的方式。為了將資料從標籤傳輸至讀卡器，標籤電路改變其線圈負載(同時讀卡器的未調製載波保持打開)；互耦使得讀卡器可檢測到這一變化。這種負載變化法稱為負載調製。NFC/RFID的工作載頻為13.56MHz，屬於全球範圍內無須許可的ISM頻段。關於該技術，有幾個已經頒布的標準規範，包括ISO/IEC 14443 Types A&B和ISO/IEC 15693。

圖1 NFC/RFID標籤(MAX66242)耦合到讀卡器(MAX66300)的磁場。

本例中，MAX66242為無源IC，無需外部電源即可工作的無源標籤。實際上，無源標籤從讀卡器的磁場獲得能量。使用這種NFC/RFID技術的典型應用包括接入控制、智慧海報、會員卡和優惠券、行動支付(非接觸式信用卡)、票務和運輸收費。

無源標籤認證器工作原理

設計者現在可利用可攜式電子產品收集、交換安全系統的配置/校準資料，即使可攜式裝置主電源斷電。圖1所示方案允許任何嵌入式電子產品通過無線方式與周圍任何設備進行連接，並通過I2C介面與網路連接。

幾種功能對於無線NFC/RFID應用非常重要：整合到無源標籤認證器的高級安全性(圖2)、整合無線NFC/RFID介面和I2C介面、資料保護模式、高速資料傳輸、標籤能量收集；MAX66242整合了SHA-256加密引擎，提供基於安全金鑰的對稱式質詢-應答安全認證，是控制NFC/RFID讀卡器與那些設備通訊，以及如何與MAX66242通訊的最好途徑。32位元組SRAM暫存器有利於通過I2C介面進行高速資料傳輸。標籤上的能量收集引腳VOUT使其利用天線從讀卡器的HF場收集能量。

圖2 MAX66342無源標籤的功能框圖

由於採用SHA-256安全加密、高速資料傳輸及能量收集的突出優勢，對於希望將NFC/RFID嵌入式便攜系統用於開放式可擴展平台的OEM來說，該無源標籤具有極大吸引力。

SHA-256提升資料安全　

MAX66242使用SHA-256加密引擎實現讀卡器與從設備之間的安全、對稱、雙向安全認證。SHA-256散列演算法基於美國國家標準與技術研究院(NIST)頒佈的安全散列標準FIPS PUB 180-4。SHA-256質詢-應答安全機制在主機和從機器件之間交換資料，是控制NFC/RFID讀卡器與哪些設備通訊，以及如何與MAX66242無源標籤通訊的最好途徑。

SHA-256基於對稱金鑰進行雙向、安全認證，讀卡器(即發起者)僅接受正品標籤；只有正品讀卡器可更改標籤的記憶體。該方法假設可攜式裝置(採用MAX66242)和讀卡器系統具有相同的SHA-256安全演算法。

啟動SHA-256時，可攜式裝置必須先向NFC/RFID讀卡器提供有效應答或回應，以進行安全認證，且可攜式裝置的應答與接收到的質詢及其儲存的金鑰相關。如果可攜式裝置應答質詢不正確，那麼讀卡器系統(例如智慧型手機)將拒絕該可攜式裝置。

這種安全認證機制的主要元素包括256位元隨機質詢、MAX66242的ROM ID以及金鑰本身。ROM ID為唯一的64位元序號，在製造過程中嵌入到標籤中。讀卡器中必須設置相同的金鑰並進行保護。圖3所示為安全門卡應用示例，其中NFC/RFID在打開房間門、防火門或防彈門之前發起質詢-應答認證。

圖3 基於NFC/RFID的電子鎖安全認證是MAX66242無源標籤的核心。

為確保以最經濟的形式預防對此類安全IC的(不可避免的)惡意攻擊，無源標籤採用專有的管芯級物理技術和相應的電路、加密方法。這些防護技術可防止攻擊者為了複製金鑰或更改專有的校準資料而提取金鑰(破壞系統的安全機制)。

確保資料保護安全性

保護資料安全至關重要，所以MAX66242提供4K位的用戶EEPROM，可劃分為開放式訪問區域(例如無保護)，或讀卡器必須通過EEPROM寫操作安全認證才可訪問的區域。提供多種保護模式，包括EPROM模擬(EM)模式，允許使用不可重定的計數器，限制使用次數。啟動EM模式時，標籤中的個體記憶體位只能從1變為0，但不能從0變為1。一旦選中EM模式，則不可逆。這一過程是實現倒計數或限制可攜式裝置使用次數的最佳方式，可能是最具挑戰的工作。

EM模式也使OEM能夠更好地控制允許哪個NFC/RFID讀卡器系統連接，無疑是保護設備中儲存的校準、配置及診斷資料的絕佳方式。

SRAM暫存器加速資料傳輸

MAX66242無源標籤是I2C至NFC/RFID協定轉換器閘道。標籤的I2C埠可作為主機埠或從機埠進行資料交換。在圖3所示應用中，NFC/RFID讀卡器可訪問基於I2C的電子元件，後者直接連接至MAX66242。所以不須要附加微控制器(例如安裝在感測器卡上)即可訪問資料。

如上所述，IC集成的32位元組SRAM暫存器有助於加快I2C至HF資料傳輸。與必須通過其EEPROM單元傳輸資料的方案類似，示例中的MAX66242利用其SRAM暫存器管理此類傳輸。SRAM的存取時間比EEPROM快，這是相對於其它方案的一項優勢，加速系統的總體交易處理。

IC也提供可程式設計輸入/輸出(PIO)引腳，實現多功能用途，包括在特定應用中中斷可攜式裝置的微控制器。該PIO引腳可配置作為RF Busy或RF-Access-In-Progress報警信號。報警信號的一項極好用途是在出現13.56MHz HF電磁場時喚醒正在休眠的嵌入式系統。簡而言之，該多功能PIO引腳提供更好地控制系統資料流程的途徑。

能量收集提高靈活性/擴展性

能量收集非常有用，使MAX66242成為高度靈活、可擴展的方案，適用於寬範圍NFC/RFID應用。IC作為通用無源標籤，不要求外部供電；僅消耗極低功率即可工作，大約50μA，或根據支援的功能略有變化。標籤從讀卡器的13.56MHz HF電磁場收集能量。針對高效、優化鏈路正確構造和調諧天線時，無源標籤獲得的能量遠高於本身所需的功率。剩餘能量往往被分流至地。

相反，在MAX66242中，整流器未使用的收集能量可通過IC的VOUT引腳輸出到IC的外部電路。即收集能量可用於IC週邊供電，如溫度感測器，也從該感測器中收集溫度轉換資料。IC的VOUT引腳可配置為提供1.8V或3.3V(典型值)電壓，磁場足夠強時，可配置電源輸出提供高達5mA電流。

優化天線設計　提高功率和效率

只有實現最佳的RF電路設計，最大程度傳輸RF能量時，無源標籤的能量提取方法才更有效。

讀卡器與標籤天線線圈之間的能量傳輸效率很大程度上取決於共振電路的精度或天線調諧方式。天線線圈之間能量的有效吸收或傳遞是靠電共振實現的。此時，使MAX66242標籤的天線線圈以及其調諧電容在13.56MHz工作頻率之下產生共振是關鍵。

天線設計原理相對簡單、明確。必須在PCB(或內層基片)上構建標籤的天線電感(LINDUCTOR)，使其與片上調諧電容(CTUNING)相匹配，實現13.56MHz的IC共振。所以，所有電容和電感電抗之和必須為零。

當LCw2=LC(2πf)2=1(with f=fRES)時，滿足該條件。這在理論上表示流入MAX66242標籤的能量流(IRF流)達到最大，或者說阻抗達到最小。由此得到公式1中的共振頻率fRES和LINDUCTOR。

在公式1中，PCB上整合的外部天線電感(LINDUCTOR)必須與標籤的內部調諧電容(CTUNING)相匹配，使電路共振點為13.56MHz。

滿足上式，意味著調諧電路發生共振。公式1也可以作為已知CTUNING值時計算實際LINDUCTOR的例子。計算得到L值後，設計者將構建外部天線，得到L值。實現以上條件後，說明天線設計已經使LC環路接收到的電流最大化。

值得注意的是，實際應用中，設計工程師總是通過設計NFC/RFID天線線圈，使真實系統的功率最大化。由於將標籤安裝在HF場中，往往存在標籤「載入效應」。為考慮該載入效應，天線線圈設計師可能不得不將其設計在超調或欠調，即略微低於或高於13.56MHz的頻率，使電路效率較高。

催生新應用市場　可攜式裝置嵌入NFC/RFID

客觀地說，NFC/RFID正在開啟可穿戴技術的市場大門。在物聯網(IoT)大潮下，將湧現出越來越多支援感測器的嵌入式系統，通過網路上的各種系統收集使用者的生物及其它資料；將會有非常多支援NFC/RFID的醫療和工業應用湧現出來，我們對其規模尚不得而知。

在我們討論特定應用之前，首先瞭解一下嵌入式設計中支援NFC/RFID的基本電路結構(圖4)。注意，系統須具備與外部世界通訊的途徑。

圖4 嵌入式設計中支援NFC/RFID功能的典型電路圖。該電路與MAX66242安全認證器標籤的主要功能相結合，使嵌入式系統能夠支援當今可攜式以及安全、嵌入式系統的新型非接觸應用。

圖4中，I2C介面(SDL和SDA)和PIO信號(RF-AIP和RF-BUSY功能的多工線)是連接主機微控制器所必需的，RFID_VCC_ANABLE和SYS_ALERT_INT#信號可選。MOSFET Q1用於隔離。

由於可通過RF和I2C介面訪問標籤內部的EEPROM，當主機微控制器必須在存在HF場的情況下進行連接時，Q1為標籤供電。然而，可選的Q2利用電路板上的穩壓VCC切換開漏SYS_ALERT_INT#(這種情況下不安裝R4)。

在設備原理圖中利用該電路(圖4)的各種變型，OEM產品可與任何NFC/RFID讀卡器或發起方系統進行通訊。一旦電路板進入HF場，VOUT升高並導通Q2。開漏信號SYS_ALERT_INT#變為低電平，中斷或喚醒主機微控制器，由此表示系統處於HF場中。然後主機微控制器將RFID_VCC_ANABLE驅動為邏輯高狀態，將MOSFET Q1導通。

此時，主機微控制器即可與產生HF場的NFC/RFID讀卡器交換資料。同樣，MAX66242的VCC引腳不需要連接電源，因為IC的內部電路由從HF場收集的能量供電。然而，VCC引腳如圖4所示連接，所以主機微控制器能夠在沒有HF場的情況下訪問IC。

就像有線至無線轉換器一樣，I2C信號將資料傳輸至外部。資料流程由RF-AIP(RF-Access-In-Progress)引腳控制，也與RF-BUSY引腳多工。

該NFC/RFID標籤IC帶有整合調諧電容。電路中所示的外部調諧電容CEXT-TUNE可選。然而，CEXT-TUNE電容為設計者提供了重新快速調諧系統的途徑，取決於標籤所處環境下的載入效應。如上所述，NFC/RFID有望催生工業和醫療領域的新型市場。其中部分新應用包括自動設備配置(也稱為行為設置)、使用次數設置、系統報警設置(例如系統喚醒)、從設備安全認證，以及感測器標籤實現等。

感測器標籤為NFC/RFID重要應用

NFC/RFID快速成長的一個領域是感測器標籤。感測器標籤是包含感測器IC的元件(例如外掛程式)，從用戶行為及周圍環境監測規定的物理參數(圖5)。這些參數包括溫度、壓力、光、衝擊、振動、濕度、加速度，以及化學特性等。

圖5 通用分立式感測器標籤的示意電路圖。MAX66242主機I2C埠允許智慧手機訪問感測器並收集溫度資料，無需使用微控制器。

這些檢測操作附加在標籤的標準識別功能之外。安全感測器標籤極具吸引力的一個特性是無須連線，即可收集和報告物理參數測量值。

感測器標籤在醫療消耗品應用中的兩個例子是：溫度感測器和防曬指數感測器(SPF)。病人戴上一次性溫度感測器標籤後，護士無須接觸病人即可測量體溫。

鑒於隱蔽的、危險的病毒傳播問題，這種方式在一定程度上可以減輕或徹底避免醫院或診所內的交叉感染。按照相同的方式，SFP感測器標籤可幫助沙灘上的遊人正確使用防曬霜，避免太陽灼傷，用戶只須利用智慧手機讀取SPF感測器即可。

感測器標籤也有助於監測貨物運輸的完整性。例如，在運輸貴重或易碎貨物期間，衝擊或振動感測器標籤可測量發生的衝擊。

本例中，MAX66242是此類應用的關鍵元件，創新設計可支援主機I2C埠。如果沒有主機I2C埠，就需要小型微控制器收集溫度轉換資料，然後將資料寫入到標籤的記憶體，隨後由讀卡器收集資料。

如上所述，感測器標籤將類比物理量轉換(或變換)為數位輸出。此時，MAX66242實際上是連接這些外部類比參數轉換與有用資訊的橋樑或管道，用戶可在智慧型電話或平板電腦的螢幕上讀取資訊。同樣，使用該IC的感測器標籤無需外部能源，而是使用其能量收集引腳VOUT作為感測器IC的電源。圖6所示為典型的分立式感測器標籤原理圖。

圖6 分立式嵌入感測器標籤結構

診斷和錯誤資料收集提升長期穩定性

簡而言之，MAX66242標籤真正地支援嵌入式系統與支援NFC功能的可攜式通訊設備進行通訊。NFC/RFID埠也可向服務人員提供報警，類似於汽車儀錶盤上的「立即檢修引擎」指示燈。

在嵌入式設計中實現了圖4所示的電路結構後，系統即能夠以無線方式與外部交換資訊，包括診斷和誤碼校驗、從失效電路收集資料、運行狀態報警，以及其它系統組態/調試和校準資料。這種靈活性為OEM提供了終端產品的增值功能。

設計者可利用MAX66242儲存對系統運行至關重要的診斷和故障資料。在系統「死機」後或未上電時，可上傳該數據。這種系統健康和故障資料的收集是通過NFC/RFID標籤的介面實現的。圖7所示為典型的電源管理系統，其中每個負載點(POL)穩壓器由公共電源管理匯流排(PMBus)進行配置和監測。

圖7 電源轉換系統的方框圖，利用MAX66242 NFC/RFID標籤進行故障記錄。

PMBus僅僅是I2C匯流排的一種變體。系統正常工作期間，持續監測每個POL的關鍵工作參數。在持續監測模式下，系統管理器也可執行修正措施，以回應故障或工作報警。

利用該結構中的MAX66242，OEM可創建「瓶中信」或「黑盒子飛行記錄儀」，可儲存超容限參數(例如所有被監測故障保護電路的觸發點參數)。現在，技術人員利用RFID/NFC讀卡器讀取發生故障之前記錄的測量值。

該資料也可用於隨後預測特定的故障，說明識別異常工作條件。附加的智慧診斷故障功能有助於在下一代產品中預測、緩解甚至消除災難性故障根源。

NFC/RFID應用常見於工業控制和自動化領域的現場感測器和I/O卡。MAX66242標籤允許調試感測器卡，同時設備在貨架上可保持不上電。只是在安裝之前，利用智慧型電話將類比校準資料、關鍵參數或其它系統級資訊下載到感測器或I/O卡上的標籤中。所以，消費者可利用其智慧型電話購買特定設備點卡，然後利用智慧型電話應用程式(App)裝載點卡，或透過可攜式設備的NFC/RFID連接啟動功能。

最近幾年，NFC/RFID技術的普及率已經大幅提高。但為什麼為可攜式設備增加NFC/RFID功能呢？因為這將使嵌入式平台向更多應用開放，催生了新興的安全可攜式通訊應用，為OEM提供絕佳的商業機會。

完善物聯網生態系統　NFC/RFID扮要角

毫無疑問，隨著該技術的快速發展，潛在應用也越來越多；NFC/RFID被認為是IoT的關鍵基石之一。本文提出了以DeepCover MAX66242安全認證為核心的NFC/RFIC應用電路。使用這種新方法，嵌入式便攜系統很容易連接外部世界。OEM可增強其產品差異化。隨著智慧型電話和平板電腦製造商不斷在其產品中增加NFC/RFID技術，將逐步完善生態系統。

如果每個使用者都擁有NFC/RFID讀卡器，便都可讀取一些資訊。這正是OEM的用武之地，再次獲益。MAX66242標籤示例為設計者提供了靈活配置、安全認證，以及報告診斷資料的能力，是在嵌入式系統中簡單、明確實現NFC/RFID功能的核心。

(本文作者為Maxim Integrated執行經理)