基于DeepCover MAX66242的通用电路模块的NFC/RFID技术
近场通信（NFC）和射频识别（RFID）的新应用每天都在许多消费和工业市场中不断涌现。本应用笔记简要概述了NFC/RFID技术。它提出了一个基于DeepCover® MAX66242的通用电路模块，这是一个安全的双接口无源标签。拟议的电路将使将NFC / RFID短距离无线技术添加到任何嵌入式电子平台变得容易。现在，OEM 可以在便携式电子产品中启用新的非接触式 NFC/RFID 功能。
大多数支持NFC / RFID的设备尚未发明。所以，快点！
近场通信（NFC）是否夹在炒作的承诺和妥协之间？不会了。该技术以前仅被视为下一代条形码，但事实证明，该技术不仅实用且坚固耐用。NFC和射频识别（RFID）的新应用每天都在许多消费和工业市场中不断涌现。这些应用已经迅速从传统的简单、直观、安全、非接触式交易转变为两个支持 NFC/RFID 的设备之间的信息交换（例如电话号码、图片、海报数据等）。您所要做的就是简单地将它们触摸在一起或将它们靠近。今天，NFC/RFID的主要概念和传统用途正在随着新的、非传统的思维而发展。事实上，我们正在看到不断的创新状态。
今天，您听到有人问：“NFC与传统RFID有何不同？在物理或射频层，差别不大！NFC本质上是RFID的一种进化形式。事实上，NFC是在RFID的13.56MHz频段（HF）上构建的。NFC 论坛是一个行业联盟，¹ 从 RFID 物理层协议开始，并通过向协议堆栈添加一些新层来对其进行改进。添加了 NFC 数据交换格式 （NDEF），用于在支持 NFC 的设备之间识别、封装和交换应用数据。这种标准化格式使NFC/RFID成为一种新兴的无线技术，在未来的普适计算中具有非常有前途的应用。
为了保持对广泛应用基础的依赖和包容性，在此讨论中，RFID和NFC这两个术语将互换使用。在本文中，我们简要概述了NFC / RFID技术，并提出了一个通用电路模块，OEM可以使用该电路模块在便携式电子产品中实现新的非接触式NFC / RFID功能。示例电路将基于DeepCover MAX66242，这是一种安全的双接口无源标签。拟议的电路将使将NFC / RFID短距离无线技术添加到任何嵌入式电子平台变得容易。我们将通过一些实际用例来结束讨论。
读写器和标签：NFC/RFID 的基础知识
NFC/RFID 是一种基于短距离无线电和标准的无线连接技术，可实现彼此保持或放置相对较短距离的设备之间的通信。NFC / RFID的工作距离从几英寸到一米。该技术使用电感耦合，这是一种通过两个设备之间的共享磁场传输能量的过程。这种做法实际上与空心变压器中的工作原理相同，其中读取器的天线线圈代表初级侧，标签的天线线圈代表次级侧。阅读器使用磁感应来创建标签检测到的无线电波场。因此，当标签放置在靠近阅读器的位置时，来自阅读器天线线圈的磁场将耦合到标签的天线线圈。在标签中感应出电压，然后对其进行整流并用于为标签的内部电路供电。
图 1 显示了读取器如何调制字段以将其数据与标签进行通信。为了将数据从标签传回读取器，标签的电路会改变其线圈上的负载（而来自读取器的未调制载波保持打开），并且读取器再次作为相互耦合的结果检测到这一点。这种负载变化方案称为负载调制。NFC/RFID 的工作载波频率为 13.56 MHz，是全球可用且未经许可的射频 ISM 频段的一部分。该技术有一些现有的标准规范，包括ISO / IEC 14443 Type A&B和ISO / IEC 15693.²
图1.NFC/RFID标签，MAX66242，耦合到读卡器MAX66300的磁场。
在本例中，MAX66242本质上是一个无源IC，一个不需要外部电源即可工作的无源标签。相反，无源标签从阅读器的电磁场中获得能量。使用这种NFC/RFID技术的典型应用包括访问控制、智能海报、会员卡和优惠券、移动支付（非接触式信用卡）、票务和交通收费。
为什么有效 – 被动标签身份验证器
设计人员现在可以收集安全的系统配置/校准数据，并与其便携式电子产品交换，即使便携式设备已失去主电源或无法运行。图1中的解决方案允许任何嵌入式电子产品通过I与周围的任何设备和网络进行无线连接。2C 接口。
无线 NFC/RFID 应用必须具备以下几个功能：集成在无源标签身份验证器中的高级安全性（图 2），它将无线 NFC/RFID 接口与 I2C接口;数据保护模式;快速数据传输;和标签中的能量收集。MAX66242集成了SHA-256加密引擎，提供基于共享密钥的对称质询和响应认证功能。这是控制NFC/RFID读写器与MAX66242通信的人员以及如何通信的最佳方法。一个 32 字节 SRAM 缓冲器有助于通过 I 实现快速数据事务2C 接口。能量收集V外标签上的引脚使其使用天线从阅读器的高频场收集电力。
因此，SHA-256的安全性、快速数据传输和能量收集（关键的差异化功能）使该无源标签成为任何希望在开放和可扩展平台上使用NFC / RFID嵌入式便携式系统的OEM的有吸引力的组件。
图2.MAX66342无源标签的功能框图
保护数据 - 只有经过审查或真正的奴隶才受信任
MAX66242采用SHA-256加密引擎，在读卡器和从器件之间实现安全、对称、双向密钥认证。SHA-256 哈希算法基于安全哈希标准，即由美国国家标准与技术研究院 （NIST） 定义的出版物 FIPS PUB 180-4。主设备与从设备之间的SHA-256质询与响应安全交换是控制NFC/RFID读写器与MAX66242无源标签通信的最佳方法。
SHA-256 是一种基于对称密钥的双向身份验证方案，其中读取器（即发起方）仅接受真正的标签;只有真正的读者才能更改标签的内存。该方案假设便携式设备（MAX66242）和读卡器系统具有相同的SHA-256密钥。启用 SHA-256 后，便携式设备必须首先向 NFC/RFID 读取器提供有效的答案或响应才能进行身份验证。此外，便携式设备的响应取决于它收到的质询及其存储的机密。如果便携式设备错误地回答了问题，则阅读器系统（例如，智能手机）将拒绝便携式设备。
该认证方案的主要元件包括256位随机质询、MAX66242的ROM ID和密钥本身。ROM ID 是唯一的 64 位序列号，在制造过程中嵌入到标签中。必须在读取器中编程和保护相同的密钥。图 3 显示了一个安全门示例，其中 NFC/RFID 在释放解锁房屋门、防火保险箱或枪支保险箱的命令之前启动质询和响应身份验证。
为了确保针对这些类型的安全IC的（不可避免的）恶意攻击提供最经济实惠的保护，这种无源标签采用了专有的芯片级物理技术、电路和加密方法。这些防御措施可防止黑客提取密钥（以破坏系统的安全实现），其唯一目的是克隆它或更改专有校准数据。
确保数据保护 — 配置和限制使用设置
保护数据至关重要。这就是为什么MAX66242带有4k位用户EEPROM，可以划分为开放访问区域（例如，未受保护）或读卡器必须验证自身才能进行EEPROM写访问的区域。提供多种保护模式，包括EPROM仿真（EM）模式，该模式允许支持不可复位的计数器和限制使用应用。激活 EM 模式时，标签中的单个内存位只能从 1 更改为 0，而不能从 0 更改为 1。一旦选择了EM模式，就无法逆转。此过程是在便携式设备中实现倒计时或限制使用功能的最佳方法，但要击败可能极具挑战性。
EM 模式还允许 OEM 更好地控制哪个 NFC/RFID 读取器系统可以与其产品连接。这是保护存储在设备上的校准、配置和诊断专有数据的可靠方法。
更快的数据传输，无需外部微控制器
MAX66242无源标签本质上是一个I2C 到 NFC/RFID 协议转换器网关。标签的 I2C 端口可以用作数据交换的主端口或从端口。通过上图3所示的应用，NFC/RFID阅读器可以访问I2基于C的电子元件，直接连接到MAX66242。因此，不需要额外的微控制器（例如在传感器卡上）来访问数据。
如前所述，IC的集成32字节SRAM缓冲器有助于加快I的速度。2C-to-HF数据事务。虽然类似的方案必须通过EEPROM单元传递数据，但MAX66242使用SRAM缓冲器来管理这种切换。SRAM的访问时间比EEPROM更快，与其他解决方案相比，这一优势转化为相对更快的整体交易时间。
该 IC 还提供可编程输入输出 （PIO） 引脚，可用于多种用途，包括在某些应用中中断便携式设备的微控制器。该PIO引脚也可以配置为RF忙或RF访问进行中警报信号。警报信号的一个很好的用途是在存在13.56MHz HF场时唤醒睡眠的嵌入式系统。简而言之，这种多功能PIO引脚为通过系统实现更好的数据流控制提供了手段。
能量收集，增加灵活性和可扩展性
能量收集非常有用，因为它使MAX66242成为高度灵活和可扩展的方案，适用于各种NFC/RFID应用。
作为通用无源标签，IC不需要外部电源。它只需要非常小的功率即可工作，大约 50μA 或略高，具体取决于支持的功能。标签从阅读器的13.56MHz HF电磁场中提取所有能量。当天线被正确构造并针对高效和优化的链路进行调整时，这种无源标签获得的能量远远超过为自己供电所需的能量。剩余的能量经常被分流到地面。相反，整流器在MAX66242中未使用的收集能量被收集并通过其V从IC发送出去。外针。这种收集的功率现在可用于为周围IC供电，例如温度传感器贴片，从中收集温度转换数据。集成电路的V外引脚可配置为提供 1.8V 或 3.3V （典型值）。这种可配置的电源输出可以提供高达5mA的电流，前提是有足够的场强。
优化天线设计，实现最大功率和效率
无源标签中的能量清除方案只有在实施RF电路的优化设计以最大化RF能量传输时才能有效工作。读取器和标签天线线圈之间的能量传输效率在很大程度上取决于谐振电路的精度和/或天线的调谐方式。天线线圈之间的有效能量消耗或传输在电共振时存档。在这种情况下，关键是让MAX66242标签的天线线圈及其调谐电容在13.56 MHz工作频率下谐振。
天线设计原理相对简单明了。标签的天线电感（L感应器） 必须在 PCB（或嵌体基板）上构建以匹配片上调谐 （C调音）电容值，以实现13.56MHz的LC谐振。因此，所有容抗和感抗之和必须为零。这是在 LCw2= LC （2πf）2= 1（f = fRES).这在理论上代表了能量流动（I射频流入MAX66242标签的流量最大化，或者阻抗最小化。这导致共振频率fRES和 L感应器在下面的等式1中。
等式 1.外部天线电感（L感应器） 集成在 PCB 上，必须与标签的内部调谐电容 （C调音），以产生一个谐振频率为13.56MHz的电路。
当满足这个等式时，这意味着调谐电路正在谐振。等式1还显示了实际计算L的示例感应器使用已知的 C调音价值。计算L值后，设计人员将构建外部天线，以实现L。当这种情况发生时，天线设计据说已经最大化了LC环路中接收的电流量。
值得注意的是，实际上，设计工程师必须始终设计NFC / RFID天线线圈，以便在实际系统中实现最大功率。通常存在标签“加载效果”，这是由于在HF字段中放置标签而产生的。为了考虑这种负载效应，天线线圈设计人员可能经常不得不过度调谐或调低其设计，使其谐振频率略低于或高于13.56MHz，以使电路高效。但是，构建天线线圈本身超出了本文的主题。
在便携式设备中启用 NFC/RFID
可以说，NFC/RFID目前正在消费可穿戴技术大众市场大举入场。在物联网（IoT）的旗帜下，将设计和设置更多支持传感器的嵌入式系统，以从网络上的多个设备系统收集用户生物识别和其他数据。将会有如此多的NFC / RFID支持的医疗和工业应用，我们还没有看到极限。
在介绍一些具体应用之前，让我们先了解一下在嵌入式设计中实现NFC/RFID的基本电路架构（图4）。请注意，系统需要与外界的通信路径。
图4.在任何嵌入式设计中实现 NFC/RFID 功能的典型电路模块。该电路模块与MAX66242安全认证器标签的主要特性相结合，可为当今便携式安全嵌入式系统提供新的非接触式应用。
在图4中，虽然I2C 接口（SDL 和 SDA）和 PIO 信号（RF-AIP 和 RF-BUSY 功能的多路复用线）是连接到主机微控制器所必需的，RFID_V抄送_ANABLE 和 SYS_ALERT_INT# 信号是可选的。MOSFET Q1用于隔离。由于标签的内部EEPROM可以通过RF和I访问2C 接口，当主机微控制器必须在没有 HF 场的情况下与其接口时，Q1 为标签供电。然而，可选的Q2用于切换具有稳压V的漏极开路SYS_ALERT_INT#。抄送在董事会上。（在这种情况下未放置 R4。
通过在器件原理图中实现此拟议电路模块的变体（图4），OEM的产品已准备好与任何NFC / RFID阅读器或启动器系统进行通信。一旦电路板进入高频场，V外出现并打开 Q2。漏极开路信号SYS_ALERT_INT#变为低电平，中断或唤醒主机微控制器，从而表明系统处于HF场中。然后，主机微控制器驱动RFID_V抄送_ANABLE进入逻辑高电平状态，打开 MOSFET Q1。主机微控制器现在已准备好与提供HF场的NFC/RFID读取器设备交换数据字节。再次，V抄送MAX66242的引脚不需要连接电源，因为IC的内部电路由HF场收集的能量供电。然而，V抄送图4中的引脚保持连接，因此主机微控制器可以在没有HF场的情况下访问IC。作为有线到无线转换盒，I2C信号将数据传输到外部世界。数据流由 RF-AIP（RF-ACCESS-IN-gain）引脚控制，该引脚也多路复用为 RF-BUSY 引脚。
该NFC/RFID标签IC带有一个集成的调谐电容。外部调谐电容，C外调电路所示，是可选的。然而，C外调电容器为设计人员提供了一种相对快速地重新调整系统的方法，具体取决于标签放置环境中遇到的负载效应。
NFC/RFID 标签助力新应用
如上所述，NFC / RFID有望在工业和医疗领域实现新的潜在用途。这些新应用的部分列表包括自动设备配置（也称为行为设置）、使用限制设置、系统警报设置（例如，系统唤醒）、从设备安全身份验证和传感器标签实现，仅举几例。
支持传感器的 NFC/RFID 标签 – 传感器标签
NFC/RFID的一个新兴增长领域是传感器标签。传感器标签是一个组件（例如，补丁），其中包含一个传感器 IC，用于监控用户行为和周围环境中定义的物理参数（图 5）。这些参数包括温度、压力、光、冲击、振动、湿度、加速度和化学成分，仅举几例。除了标签的正常识别功能之外，还会发生此传感操作。安全传感器标签的一个吸引人的特点是它能够在没有有线连接的情况下收集和报告物理参数测量值。最大的好处是，以MAX66242为例是传感器标签分立式方案的关键元件。
传感器标签的两个医疗耗材应用示例是温度贴片和防晒系数 （SPF） 贴片。一旦患者安装了一次性温度传感器标签贴片，护士就可以在不接触患者的情况下进行核心体温测量。鉴于我们对隐藏和危险病毒的全球关注，这是减轻或完全消除医院或医疗诊所交叉污染情况的健康方法。以同样的方式，SPF传感器标签贴片可以帮助海滩游客涂抹正确的防晒霜化妆水以避免晒伤。用户只需要偶尔使用智能手机读取SPF补丁。
传感器标签还可以帮助监控货物的完整性。例如，冲击或振动传感器标签将在运输贵重和/或易碎物品时提供震动的证据。
在本例中，MAX66242是这些应用的关键推动因素，其创新支持主控I。2C 端口是关键的区分功能。如果没有主人我2C 端口，设计需要一个小型微控制器来收集温度转换数据，然后将这些数据写入标签的存储器，以便读取器稍后收集（图 5）。
图5.通用分立传感器标签的高级电路图。MAX66242主站I2C端口允许智能手机在不使用微控制器的情况下访问传感器并收集温度数据。
如上所述，传感器标签将物理vwin 量转换（或转导）为数字输出。MAX66242本质上是将这些外部模拟参数连接到用户可在智能手机或平板电脑屏幕上读取的有用信息的电桥或导管。同样，使用该IC的传感器标签不需要外部能量源，因为它使用其能量收集V外引脚作为传感器 IC 的电源。图6显示了详细的典型分立传感器标签原理图。
图6.进化的分立式嵌入式传感器标签架构。
诊断和错误数据收集解决了长期的可靠性问题
简而言之，MAX66242标签使任何嵌入式系统能够与支持NFC的便携式通信设备进行通信。NFC/RFID 端口还可以向维修技术人员表示警告显示，类似于汽车仪表板上看到的维修引擎很快的指示灯。
在任何嵌入式设计中实现图4所示的电路架构后，系统现在可以与外界交换无线信息，包括诊断和错误代码、从故障电路收集的数据、运行时警告以及其他系统配置/调试和校准数据。所有这些灵活性使OEM有机会为其最终产品添加更多增值功能。
设计人员可以使用MAX66242存储系统运行时的重要诊断和错误数据。此数据将在系统“死机”或未通电后上传。此系统运行状况和故障数据的收集是通过 NFC/RFID 标签的接口完成的。下面的图7显示了一个典型的电源管理系统，其中每个负载点稳压器（POL）都由公共电源管理总线（PMBus）配置和监控。PMBus只是I2C总线。在正常的系统运行期间，每个POL的某些重要运行参数都会受到持续监控。在这种持续监控模式下，系统管理器还可以执行纠正措施以响应故障或操作警告。
图7.功率转换系统框图，采用MAX66242 NFC/RFID标签进行故障记录。
以MAX66242为示例，OEM可以创建“瓶中消息”或“黑匣子飞行记录仪”场景，其中可以存储重要的超出范围的参数（例如，来自所有监测故障保护电路的跳变点参数）。使用 RFID/NFC 阅读器，技术人员现在可以访问在实际故障发生前记录的放松管制测量值。这些数据以后还可用于预测某些特定故障，并帮助比以前更早地识别异常操作条件。这种增加的故障智能将有助于预测、缓解甚至消除下一代产品已知灾难性故障的某些根本原因。
NFC/RFID 应用可与现场传感器和 I/O 卡一起应用于工业控制和自动化。MAX66242标签允许在器件未通电时对传感器卡进行调试。模拟校准数据、关键参数或其他系统级信息在安装前使用智能手机下载到传感器或 I/O 卡上的标签中。因此，消费者可以使用他们的智能手机为某些设备购买积分，并使用智能手机应用程序（应用程序）加载积分或通过便携式设备的 NFC/RFID 连接启用该功能。
结论
近年来，NFC/RFID 技术的采用率急剧上升。但是，为什么要将NFC / RFID添加到您的便携式设备中呢？因为它将为更多的应用程序打开嵌入式平台。它正在实现新的、安全的便携式通信应用。它将为原始设备制造商提供非凡的商机。毫不奇怪，该技术发展相对较快，应用范围可能很长，毫无疑问，NFC / RFID被认为是物联网迫在眉睫的基石之一。
我们提出了一个以DeepCover MAX66242安全认证为中心的NFC/RFIC应用电路。使用这种新方法，嵌入式便携式系统将很容易与外界连接。原始设备制造商可以增强其产品差异化。随着智能手机和平板电脑制造商继续在其产品中启用NFC / RFID技术，这极大地帮助完成了生态系统。
因此，每个人都将很快拥有NFC / RFID阅读器。然后每个人都需要阅读一些东西。这就是原始设备制造商可以再次获胜的地方。示例MAX66242标签为设计人员提供了灵活的配置、安全认证和诊断数据报告功能。它是在嵌入式系统中实现NFC / RFID功能的非常简单直接方法的核心。事实上，MAX66242会让系统架构师说：“如果呢？所以，快点！大多数支持NFC / RFID的设备尚未发明。
审核编辑：郭婷
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