Obvody pre NFC komunikáciu

História technológie NFC (Near Field Communication) sa začala písať pred približne 15 rokmi a stále patrí medzi najnovšie možnosti komunikácie. Aj keď si to možno neuvedomujeme, tak NFC je bežnou súčasťou našich životov. Najbežnejším príkladom je bezkontaktná platba kartou, ktorá využíva práve túto technológiu.

NFC technológia definuje komunikáciu na krátku vzdialenosť, ktorá vychádza z RFID (Radio Frequency Identification) štandardov a používa frekvenciu 13,56 MHz, pričom dosah je rádovo v jednotkách centimetrov. NFC komunikácia funguje na princípe elektromagnetickej indukcie. To umožňuje nielen komunikáciu dvoch aktívnych zariadení (zdroj napájania je súčasťou zariadenia), ale aj komunikáciu aktívneho a pasívneho zariadenia (zdroj napájania nie je súčasťou zariadenia). NFC komunikáciu rozdeľujeme do troch režimov (obr. 1):

• Reader/writer – tento režim charakterizuje komunikáciu medzi aktívnym zariadením a NFC tagom. NFC tag je pasívne zariadenie, ktoré pozostáva z antény a NFC čipu. Cieľom tejto komunikácie je čítanie alebo zapisovanie dát z alebo do pamäte NFC tagu. Rovnako ako pri čítaní, aj pri zapisovaní je NFC tag napájaný elektromagnetickým poľom z aktívneho NFC zariadenia.
• Card emulation – je to špeciálny režim, pri ktorom sa aktívne NFC zariadenie správa ako pasívny NFC čip. Po priložení tohto zariadenia k čítačke je komunikácia iniciovaná čítacím zariadením. To umožňuje napr. bezkontaktné platby pomocou mobilného telefónu.
• Peer-to-peer – opisuje obojstrannú komunikáciu dvoch aktívnych zariadení. Najčastejšie ide o dva mobilné telefóny umiestnené vedľa seba v blízkej vzdialenosti, ktoré si prostredníctvom tohto módu môžu vymieňať dáta.

Najjednoduchším riešením realizácie NFC komunikácie je používanie integrovaných obvodov, ktoré môžeme označiť ako prevodníky medzi komunikačnou technológiou NFC a štandardnou sériovou komunikačnou zbernicou. Vstupom do NFC integrovaného obvodu je signál z antény a výstupom sú dáta posielané zbernicou (napr. SPI, I²C) alebo naopak. K týmto integrovaným obvodom patria NTAG I²C, RF430CL330H a M24SR64.

NTAG I²C „ponúka prevod“ z bezdrôtovej vysokofrekvenčnej komunikácie NFC na komunikáciu po I²C zbernici. Vysokofrekvenčné NFC rozhranie pracuje s prenosovou rýchlosťou 106 kbit.s-1. Na svoju činnosť potrebuje napájanie prostredníctvom elektromagnetického poľa, ktoré je generované aktívnym NFC zariadením. Prostredníctvom obvodu NTAG I²C je možné elektromagnetickým poľom napájať aj mikroprocesor pripojený k tomuto obvodu. Naopak, pomocou obvodu NTAG I²C nie je možné komunikovať s pasívnym NFC tagom. Súčasťou NTAG I²C je pamäť SRAM s veľkosťou 1 až 2 kB, ktorá slúži na ukladanie prenášaných dát vo formáte NDEF (NFC Data Exchange Format). Puzdro XQFN8 s rozmermi 1,6 × 1,6 × 0,5 mm, v ktorom sa NTAG I²C vyrába, uľahčuje integrovanie tohto obvodu do zariadení s podporou NFC, ako napr. rôzna spotrebná elektronika, elektronické regálové etikety alebo zariadenia pre inteligentné domy [1]. Princíp aplikácie týchto obvodov je zobrazený na obr. 2.

M24SR64 ponúka rovnakú zbernicu s identickou prenosovou rýchlosťou ako NTAG I²C. Výhodou M24SR64 je možnosť napájania obvodu zo zdroja napätia, ale aj prostredníctvom elektromagnetického poľa. To umožňuje obvodu komunikovať aj s pasívnym NFC tagom. Obvod je dostupný v puzdre UFDFPN8 s rozmermi 2 × 3 × 0,5 mm, čo umožňuje jeho integrovanie do zariadení ako fitnes náramky [2].

Obvod RF430CL330H ponúka okrem zbernice I²C aj zbernicu SPI. Výhodou tohto obvodu je aj vyššia prenosová rýchlosť NFC rozhrania, ktorá môže byť až 848 kbit.s-1. Nevýhodou je nutnosť napájania zo zdroja napätia, pretože nie je možné napájanie prostredníctvom elektromagnetického poľa. Obvod RF430CL330H je vyrábaný v puzdre VQFN16 s rozmermi 3,1 × 3,1 × 1 mm a je určený pre NFC aplikácie s väčším množstvom prenášaných dát. K týmto zariadeniam patria napr. smart tlačiarne, pri ktorých vyššia prenosová rýchlosť výrazne skracuje čas prenosu súborov [3].

Komplexnejším riešením realizácie NFC komunikácie sú NFC mikroprocesory, ktoré podporujú všetky NFC protokoly. To znamená, že pomocou týchto mikroprocesorov môžeme realizovať všetky režimy komunikácie NFC.

Jedným z NFC mikroprocesorov je ST54F. ST54F je SiP (System in Package) umiestnený do puzdra WFBGA64, ktorý obsahuje mikroprocesor ST21- NFCD a bezpečnostný mikroprocesor ST33G1M2. Bloková schéma obvodu ST54F je na obr. 3. Primárny mikroprocesor ST21NFCD je založený na jadre ARM® Cortex®-M3 s taktovacou frekvenciou 28 MHz. Súčasťou mikroprocesora je pamäť eFlash pre potreby aktualizácie firmvéru zariadenia. ST21NFCD využíva technológiu aktívnej modulácie záťaže (active load modulation), vďaka ktorej je možné využívať niekoľkonásobne menšie antény. V oblasti vysokofrekvenčnej komunikácie je možné realizovať:

1. Aktívny (Reader/writer) mód definovaný štandardmi NFC Forum Typ 1/2/3/4/5 tagy, ISO/IEC 15693 a MIFARE® Classic.
2. Pasívny (Card emulation) mód v rámci štandardov ISO/IEC 14443 Type A & B, JIS X 6319 – 4 a MIFARE® Classic.
3. Peer-to-peer mód definovaný štandardom ISO/IEC 18092.

Pre potreby komun ikácie po zbernici sú dostupné štandardné komunikačné zbernice SWP, I²C, SPI a HSUART. Dôležitou súčasťou obvodu ST54F je mikroprocesor ST33G1M2 založený na jadre ARM SecurCore SC300™ s taktovacou frekvenciou 25 MHz. Mikroprocesor ST33G1M2 je optimalizovaný pre eUICC (embedded universal integrated circuit card) alebo eSE (embedded secure element) aplikácie, pri ktorých je potrebné zachovať vysoký stupeň bezpečnosti, ako napr. bezkontaktné platby prostredníctvom mobilného telefónu. Jednotka napájania prerozdeľuje energiu pre celý obvod ST54F, výsledkom toho je nižšia spotreba, čo umožňuje väčšie množstvo spustených funkcií v úspornom režime a s tým súvisiace rýchlejšie prebudenie z tohto režimu pri detegovaní NFC tagu alebo elektromagnetického poľa. Obvod ST54F je vhodný na použitie v mobilnej elektronike, najčastejšie v mobilných telefónoch alebo inteligentných hodinkách [4].