NF4: po mostě od NFC do světa (1)

NFC (Near Field Communication) je bezdrátová technologie pro obousměrný přenos informací mezi různými elektronickými zařízeními na krátkou vzdálenost v řádu jednotek cm. Umožňuje párování aktivních zařízení (např. smartphonů) mezi sebou nebo aktivních zařízení s pasivními prvky, což mohou být např. NFC tagy. Existují různé normami definované typy NFC tagů, lišící se přenosovými rychlostmi, zabezpečením a velikostí paměti. Tagy se při výrobě konfigurují pro režim čtení/zápis nebo pouze pro čtení.

Čipy NF4

Švýcarský výrobce EM Microelectronic uvedl nedávno na trh čip s označením NF4, který vyhovuje specifikaci NFC Type 4 a navíc obsahuje celou řadu dalších důležitých funkcí. Tou nejvýznamnější je duální rozhraní – čip NF4 umožňuje bezkontaktní i kontaktní komunikaci, vytváří most mezi NFC světem a světem kontaktním. NFC smartphone pak ovládá prostřednictvím čipu NF4 například domácí spotřebiče, přístroje spotřební elektroniky nebo z těchto zařízení čte data.

Bezkontaktní rozhraní standardu ISO/IEC14443 typ A pro čipové karty využívající technologii NFC. Čip NF4 podporuje všechny vrstvy protokolu a dokáže zajistit bezchybný přenos informací již při minimální síle elektromagnetického pole 0,5 A/m. Rychlost přenosu dat lze zvolit v rozmezí 106 až 848 kbps. Anténa může být součástí ohebné fólie (inlay) uvnitř ISO karty nebo může být realizována na tištěném spoji podle rozměrů a možností v dané aplikaci.

Kontaktní rozhraní – dvouvodičová, sériová, obousměrná linka s rychlostí přenosu dat až 1 Mb/s a hodinovým signálem. RF BUSY signál může indikovat ukončení bezdrátové komunikace. Čip NF4 v pouzdře SO8 může být umístěn na tištěný spoj uvnitř příslušného zařízení.

Napájení a Energy Harvesting

Samotný čip NF4 může být napájen prostřednictvím různých zdrojů energie a navíc je ještě schopen poskytovat energii dalším externím součástkám. Tato důležitá, často zmiňovaná a velmi potřebná funkce se označuje termínem Energy Harvesting – získávání, sběr energie. Kontaktní napájení se uskutečňuje přes pin 7 (VCC) z baterie či jakéhokoliv jiného zdroje, bezkontaktní napájení je možné z energie RF pole generovaného čtečkou (smartphonem) prostřednictvím antény připojené k vývodům 1 (C1) a 8 (C2). NF4 obsahuje několik různých systémů pro sledování napájecího napětí a ty ho udržují pomocí napěťových regulátorů ve specifikovaném rozsahu, kde je zaručen plný a bezpečný provoz.

Možné varianty napájení a přenosu energie jsou zřejmé z jednotlivých obrázků, které současně znázorňují datovou komunikaci.

Obr. 1

U jednoduchého zapojení na obrázku 1 získává čip NF4 energii z RF pole, které generuje smartphone s NFC (reader).

Obr. 2

Na obrázku 2 je tomu stejně s tím, že se stejnosměrné napětí na vývodu 2 (VPOS) obvodu NF4 využívá k napájení dalších součástek. U takových pasivních aplikací bez využití napájení z baterie je čip schopen získat z energie elektromagnetického pole až 1 mA při napětí 3,3 V, čehož lze s výhodou využít ještě k napájení připojeného mikrokontroleru a dále také digitálního senzoru.

Obr. 3

V kombinovaném zapojení na obrázku 3 se využívá také napájení z baterie. Ta je připojena k vývodu 7 (VCC), anténa k vývodům 1 (C1) a 8 (C2) obvodu NF4. Buď jsou všechny součástky napájeny přímo z baterie, nebo obvod NF4 z RF pole a energii pak poskytuje dalším součástkám. Kontaktní napájení přes vývod 7 má vyšší prioritu a je považováno za hlavní. Pokud hodnota napětí na vývodu 7 poklesne pod přípustnou mez a čip detekuje přítomnost RF pole, čip se přepne do režimu napájení z RF pole a restartuje se. Bootovací sekvence trvá 650 μs. K restartování dochází z bezpečnostních důvodů vždy, když NF4 přechází z kontaktního na bezkontaktní napájení a naopak.

Obr. 4

Obrázek 4 znázorňuje kontaktní napájení přes pin 7 (VCC) obvodu NF4. Jedná se např. o domácí spotřebič, který je obvykle připojen k napětí 230 V. Z tohoto zdroje je napájeno vše na plošném spoji uvnitř spotřebiče, tedy i obvod NF4 a mikrokontroler. Smartphone komunikuje s obvodem NF4 a dalšími součástkami pouze datově, energie z RF pole není k napájení potřeba. NF4 se stává skutečným mostem ze břehu bezkontaktního přes rozbouřené vody ke břehu kontaktnímu.

Paměť až 64 kB

Velikost datové flash paměti na čipu lze zvolit z hodnot 8, 32 nebo 64 kB. Paměť je přístupná bezkontaktně nebo prostřednictvím vysokorychlostního 2drátového sériového rozhraní, přičemž pro obě rozhraní se používá stejná standardní sada příkazů a souborová struktura paměti podle normy ISO7816-4. Některé soubory jsou do paměti vloženy výrobcem, uživatel má pak možnost vytvářet, číst a do paměti ukládat své datové soubory různých aplikací a definovat přístupové podmínky.

Zabezpečení

NF4 poskytuje různé úrovně zabezpečeného přístupu do paměti, od jednoduchého hesla až po vzájemný autentizační mechanismus využívající kryptování AES-128. Pro vyšší úroveň utajení dat přenášených mezi čtečkou a NF4 čipem lze jako varianty využít Message Authentication Code (MAC) a Secure Messaging (bezdrátová komunikace je kryptována). Každý čip NF4 je vybaven unikátním sériovým číslem o velikosti 7 bytů.

Čipy NF4 se dodávají pro další zpracování ve formě nařezaných křemíkových plátků nebo zapouzdřené do pouzdra SO8. V obou provedeních je možná volba velikosti paměti 8, 32 nebo 64 kB. Existují verze jen s bezkontaktním rozhraním nebo verze duální. Rozsah pracovních teplot čipu NF4 je –25 až +85 °C.

Dostupnost a aplikace

Pražská firma ASICentrum, návrhové středisko švýcarské firmy EM Microelectronic, poskytuje bližší informace a technickou podporu k obvodu NF4, na jehož vývoji pracovali návrháři 4 roky.

Vzorky NF4 v pouzdře SO8 jsou k dispozici zdarma. Obvod NF4 i vývojový kit EMDB415 jsou volně prodejné. V dalším čísle časopisu DPS bude následovat pokračování tohoto článku o čipu NF4. Rozebereme jednotlivé aplikace z technického hlediska a ukážeme možná využití v konkrétních zařízeních každodenního života. Popsán bude rovněž vývojový kit EMDB415.

www.asicentrum.cz