近場通信（NFC）和射頻識別（RFID）的新應用每天都在許多消費和工業市場中不斷涌現。本應用筆記簡要概述了NFC/RFID技術。它提出了一個基于DeepCover? MAX66242的通用電路模塊，這是一個安全的雙接口無源標簽。擬議的電路將使將NFC / RFID短距離無線技術添加到任何嵌入式電子平臺變得容易?，F在，OEM 可以在便攜式電子產品中啟用新的非接觸式 NFC/RFID 功能。

大多數支持NFC / RFID的設備尚未發明。所以，快點！

近場通信（NFC）是否夾在炒作的承諾和妥協之間？不會了。該技術以前僅被視為下一代條形碼，但事實證明，該技術不僅實用且堅固耐用。NFC和射頻識別（RFID）的新應用每天都在許多消費和工業市場中不斷涌現。這些應用已經迅速從傳統的簡單、直觀、安全、非接觸式交易轉變為兩個支持 NFC/RFID 的設備之間的信息交換（例如電話號碼、圖片、海報數據等）。您所要做的就是簡單地將它們觸摸在一起或將它們靠近。今天，NFC/RFID的主要概念和傳統用途正在隨著新的、非傳統的思維而發展。事實上，我們正在看到不斷的創新狀態。

今天，您聽到有人問：“NFC與傳統RFID有何不同？在物理或射頻層，差別不大！NFC本質上是RFID的一種進化形式。事實上，NFC是在RFID的13.56MHz頻段（HF）上構建的。NFC 論壇是一個行業聯盟，1 從 RFID 物理層協議開始，并通過向協議堆棧添加一些新層來對其進行改進。添加了 NFC 數據交換格式 （NDEF），用于在支持 NFC 的設備之間識別、封裝和交換應用數據。這種標準化格式使NFC/RFID成為一種新興的無線技術，在未來的普適計算中具有非常有前途的應用。

為了保持對廣泛應用基礎的依賴和包容性，在此討論中，RFID和NFC這兩個術語將互換使用。在本文中，我們簡要概述了NFC / RFID技術，并提出了一個通用電路模塊，OEM可以使用該電路模塊在便攜式電子產品中實現新的非接觸式NFC / RFID功能。示例電路將基于DeepCover MAX66242，這是一種安全的雙接口無源標簽。擬議的電路將使將NFC / RFID短距離無線技術添加到任何嵌入式電子平臺變得容易。我們將通過一些實際用例來結束討論。

讀寫器和標簽：NFC/RFID 的基礎知識

NFC/RFID 是一種基于短距離無線電和標準的無線連接技術，可實現彼此保持或放置相對較短距離的設備之間的通信。NFC / RFID的工作距離從幾英寸到一米。該技術使用電感耦合，這是一種通過兩個設備之間的共享磁場傳輸能量的過程。這種做法實際上與空心變壓器中的工作原理相同，其中讀取器的天線線圈代表初級側，標簽的天線線圈代表次級側。閱讀器使用磁感應來創建標簽檢測到的無線電波場。因此，當標簽放置在靠近閱讀器的位置時，來自閱讀器天線線圈的磁場將耦合到標簽的天線線圈。在標簽中感應出電壓，然后對其進行整流并用于為標簽的內部電路供電。

圖 1 顯示了讀取器如何調制字段以將其數據與標簽進行通信。為了將數據從標簽傳回讀取器，標簽的電路會改變其線圈上的負載（而來自讀取器的未調制載波保持打開），并且讀取器再次作為相互耦合的結果檢測到這一點。這種負載變化方案稱為負載調制。NFC/RFID 的工作載波頻率為 13.56 MHz，是全球可用且未經許可的射頻 ISM 頻段的一部分。該技術有一些現有的標準規范，包括ISO / IEC 14443 Type A&B和ISO / IEC 15693.2

圖1.NFC/RFID標簽，MAX66242，耦合到讀卡器MAX66300的磁場。

在本例中，MAX66242本質上是一個無源IC，一個不需要外部電源即可工作的無源標簽。相反，無源標簽從閱讀器的電磁場中獲得能量。使用這種NFC/RFID技術的典型應用包括訪問控制、智能海報、會員卡和優惠券、移動支付（非接觸式信用卡）、票務和交通收費。

為什么有效 – 被動標簽身份驗證器

設計人員現在可以收集安全的系統配置/校準數據，并與其便攜式電子產品交換，即使便攜式設備已失去主電源或無法運行。圖1中的解決方案允許任何嵌入式電子產品通過I與周圍的任何設備和網絡進行無線連接。2C 接口。

無線 NFC/RFID 應用必須具備以下幾個功能：集成在無源標簽身份驗證器中的高級安全性（圖 2），它將無線 NFC/RFID 接口與 I2C接口;數據保護模式;快速數據傳輸;和標簽中的能量收集。MAX66242集成了SHA-256加密引擎，提供基于共享密鑰的對稱質詢和響應認證功能。這是控制NFC/RFID讀寫器與MAX66242通信的人員以及如何通信的最佳方法。一個 32 字節 SRAM 緩沖器有助于通過 I 實現快速數據事務2C 接口。能量收集V外標簽上的引腳使其使用天線從閱讀器的高頻場收集電力。

因此，SHA-256的安全性、快速數據傳輸和能量收集（關鍵的差異化功能）使該無源標簽成為任何希望在開放和可擴展平臺上使用NFC / RFID嵌入式便攜式系統的OEM的有吸引力的組件。

圖2.MAX66342無源標簽的功能框圖

保護數據 - 只有經過審查或真正的奴隸才受信任

MAX66242采用SHA-256加密引擎，在讀卡器和從器件之間實現安全、對稱、雙向密鑰認證。SHA-256 哈希算法基于安全哈希標準，即由美國國家標準與技術研究院 （NIST） 定義的出版物 FIPS PUB 180-4。主設備與從設備之間的SHA-256質詢與響應安全交換是控制NFC/RFID讀寫器與MAX66242無源標簽通信的最佳方法。

SHA-256 是一種基于對稱密鑰的雙向身份驗證方案，其中讀取器（即發起方）僅接受真正的標簽;只有真正的讀者才能更改標簽的內存。該方案假設便攜式設備（MAX66242）和讀卡器系統具有相同的SHA-256密鑰。啟用 SHA-256 后，便攜式設備必須首先向 NFC/RFID 讀取器提供有效的答案或響應才能進行身份驗證。此外，便攜式設備的響應取決于它收到的質詢及其存儲的機密。如果便攜式設備錯誤地回答了問題，則閱讀器系統（例如，智能手機）將拒絕便攜式設備。

該認證方案的主要元件包括256位隨機質詢、MAX66242的ROM ID和密鑰本身。ROM ID 是唯一的 64 位序列號，在制造過程中嵌入到標簽中。必須在讀取器中編程和保護相同的密鑰。圖 3 顯示了一個安全門示例，其中 NFC/RFID 在釋放解鎖房屋門、防火保險箱或槍支保險箱的命令之前啟動質詢和響應身份驗證。

為了確保針對這些類型的安全IC的（不可避免的）惡意攻擊提供最經濟實惠的保護，這種無源標簽采用了專有的芯片級物理技術、電路和加密方法。這些防御措施可防止黑客提取密鑰（以破壞系統的安全實現），其唯一目的是克隆它或更改專有校準數據。

確保數據保護 — 配置和限制使用設置

保護數據至關重要。這就是為什么MAX66242帶有4k位用戶EEPROM，可以劃分為開放訪問區域（例如，未受保護）或讀卡器必須驗證自身才能進行EEPROM寫訪問的區域。提供多種保護模式，包括EPROM仿真（EM）模式，該模式允許支持不可復位的計數器和限制使用應用。激活 EM 模式時，標簽中的單個內存位只能從 1 更改為 0，而不能從 0 更改為 1。一旦選擇了EM模式，就無法逆轉。此過程是在便攜式設備中實現倒計時或限制使用功能的最佳方法，但要擊敗可能極具挑戰性。

EM 模式還允許 OEM 更好地控制哪個 NFC/RFID 讀取器系統可以與其產品連接。這是保護存儲在設備上的校準、配置和診斷專有數據的可靠方法。

更快的數據傳輸，無需外部微控制器

MAX66242無源標簽本質上是一個I2C 到 NFC/RFID 協議轉換器網關。標簽的 I2C 端口可以用作數據交換的主端口或從端口。通過上圖3所示的應用，NFC/RFID閱讀器可以訪問I2基于C的電子元件，直接連接到MAX66242。因此，不需要額外的微控制器（例如在傳感器卡上）來訪問數據。

如前所述，IC的集成32字節SRAM緩沖器有助于加快I的速度。2C-to-HF數據事務。雖然類似的方案必須通過EEPROM單元傳遞數據，但MAX66242使用SRAM緩沖器來管理這種切換。SRAM的訪問時間比EEPROM更快，與其他解決方案相比，這一優勢轉化為相對更快的整體交易時間。

該 IC 還提供可編程輸入輸出 （PIO） 引腳，可用于多種用途，包括在某些應用中中斷便攜式設備的微控制器。該PIO引腳也可以配置為RF忙或RF訪問進行中警報信號。警報信號的一個很好的用途是在存在13.56MHz HF場時喚醒睡眠的嵌入式系統。簡而言之，這種多功能PIO引腳為通過系統實現更好的數據流控制提供了手段。

能量收集，增加靈活性和可擴展性

能量收集非常有用，因為它使MAX66242成為高度靈活和可擴展的方案，適用于各種NFC/RFID應用。

作為通用無源標簽，IC不需要外部電源。它只需要非常小的功率即可工作，大約 50μA 或略高，具體取決于支持的功能。標簽從閱讀器的13.56MHz HF電磁場中提取所有能量。當天線被正確構造并針對高效和優化的鏈路進行調整時，這種無源標簽獲得的能量遠遠超過為自己供電所需的能量。剩余的能量經常被分流到地面。相反，整流器在MAX66242中未使用的收集能量被收集并通過其V從IC發送出去。外針。這種收集的功率現在可用于為周圍IC供電，例如溫度傳感器貼片，從中收集溫度轉換數據。集成電路的V外引腳可配置為提供 1.8V 或 3.3V （典型值）。這種可配置的電源輸出可以提供高達5mA的電流，前提是有足夠的場強。

優化天線設計，實現最大功率和效率

無源標簽中的能量清除方案只有在實施RF電路的優化設計以最大化RF能量傳輸時才能有效工作。讀取器和標簽天線線圈之間的能量傳輸效率在很大程度上取決于諧振電路的精度和/或天線的調諧方式。天線線圈之間的有效能量消耗或傳輸在電共振時存檔。在這種情況下，關鍵是讓MAX66242標簽的天線線圈及其調諧電容在13.56 MHz工作頻率下諧振。

天線設計原理相對簡單明了。標簽的天線電感（L感應器） 必須在 PCB（或嵌體基板）上構建以匹配片上調諧 （C調音）電容值，以實現13.56MHz的LC諧振。因此，所有容抗和感抗之和必須為零。這是在 LCw2= LC （2πf）2= 1（f = fRES).這在理論上代表了能量流動（I射頻流入MAX66242標簽的流量最大化，或者阻抗最小化。這導致共振頻率fRES和 L感應器在下面的等式1中。

等式 1.外部天線電感（L感應器） 集成在 PCB 上，必須與標簽的內部調諧電容 （C調音），以產生一個諧振頻率為13.56MHz的電路。

當滿足這個等式時，這意味著調諧電路正在諧振。等式1還顯示了實際計算L的示例感應器使用已知的 C調音價值。計算L值后，設計人員將構建外部天線，以實現L。當這種情況發生時，天線設計據說已經最大化了LC環路中接收的電流量。

值得注意的是，實際上，設計工程師必須始終設計NFC / RFID天線線圈，以便在實際系統中實現最大功率。通常存在標簽“加載效果”，這是由于在HF字段中放置標簽而產生的。為了考慮這種負載效應，天線線圈設計人員可能經常不得不過度調諧或調低其設計，使其諧振頻率略低于或高于13.56MHz，以使電路高效。但是，構建天線線圈本身超出了本文的主題。

在便攜式設備中啟用 NFC/RFID

可以說，NFC/RFID目前正在消費可穿戴技術大眾市場大舉入場。在物聯網（IoT）的旗幟下，將設計和設置更多支持傳感器的嵌入式系統，以從網絡上的多個設備系統收集用戶生物識別和其他數據。將會有如此多的NFC / RFID支持的醫療和工業應用，我們還沒有看到極限。

在介紹一些具體應用之前，讓我們先了解一下在嵌入式設計中實現NFC/RFID的基本電路架構（圖4）。請注意，系統需要與外界的通信路徑。

圖4.在任何嵌入式設計中實現 NFC/RFID 功能的典型電路模塊。該電路模塊與MAX66242安全認證器標簽的主要特性相結合，可為當今便攜式安全嵌入式系統提供新的非接觸式應用。

在圖4中，雖然I2C 接口（SDL 和 SDA）和 PIO 信號（RF-AIP 和 RF-BUSY 功能的多路復用線）是連接到主機微控制器所必需的，RFID_V抄送_ANABLE 和 SYS_ALERT_INT# 信號是可選的。MOSFET Q1用于隔離。由于標簽的內部EEPROM可以通過RF和I訪問2C 接口，當主機微控制器必須在沒有 HF 場的情況下與其接口時，Q1 為標簽供電。然而，可選的Q2用于切換具有穩壓V的漏極開路SYS_ALERT_INT#。抄送在董事會上。（在這種情況下未放置 R4。

通過在器件原理圖中實現此擬議電路模塊的變體（圖4），OEM的產品已準備好與任何NFC / RFID閱讀器或啟動器系統進行通信。一旦電路板進入高頻場，V外出現并打開 Q2。漏極開路信號SYS_ALERT_INT#變為低電平，中斷或喚醒主機微控制器，從而表明系統處于HF場中。然后，主機微控制器驅動RFID_V抄送_ANABLE進入邏輯高電平狀態，打開 MOSFET Q1。主機微控制器現在已準備好與提供HF場的NFC/RFID讀取器設備交換數據字節。再次，V抄送MAX66242的引腳不需要連接電源，因為IC的內部電路由HF場收集的能量供電。然而，V抄送圖4中的引腳保持連接，因此主機微控制器可以在沒有HF場的情況下訪問IC。作為有線到無線轉換盒，I2C信號將數據傳輸到外部世界。數據流由 RF-AIP（RF-ACCESS-IN-gain）引腳控制，該引腳也多路復用為 RF-BUSY 引腳。

該NFC/RFID標簽IC帶有一個集成的調諧電容。外部調諧電容，C外調電路所示，是可選的。然而，C外調電容器為設計人員提供了一種相對快速地重新調整系統的方法，具體取決于標簽放置環境中遇到的負載效應。

NFC/RFID 標簽助力新應用

如上所述，NFC / RFID有望在工業和醫療領域實現新的潛在用途。這些新應用的部分列表包括自動設備配置（也稱為行為設置）、使用限制設置、系統警報設置（例如，系統喚醒）、從設備安全身份驗證和傳感器標簽實現，僅舉幾例。

支持傳感器的 NFC/RFID 標簽 – 傳感器標簽

NFC/RFID的一個新興增長領域是傳感器標簽。傳感器標簽是一個組件（例如，補?。?，其中包含一個傳感器 IC，用于監控用戶行為和周圍環境中定義的物理參數（圖 5）。這些參數包括溫度、壓力、光、沖擊、振動、濕度、加速度和化學成分，僅舉幾例。除了標簽的正常識別功能之外，還會發生此傳感操作。安全傳感器標簽的一個吸引人的特點是它能夠在沒有有線連接的情況下收集和報告物理參數測量值。最大的好處是，以MAX66242為例是傳感器標簽分立式方案的關鍵元件。

傳感器標簽的兩個醫療耗材應用示例是溫度貼片和防曬系數 （SPF） 貼片。一旦患者安裝了一次性溫度傳感器標簽貼片，護士就可以在不接觸患者的情況下進行核心體溫測量。鑒于我們對隱藏和危險病毒的全球關注，這是減輕或完全消除醫院或醫療診所交叉污染情況的健康方法。以同樣的方式，SPF傳感器標簽貼片可以幫助海灘游客涂抹正確的防曬霜化妝水以避免曬傷。用戶只需要偶爾使用智能手機讀取SPF補丁。

傳感器標簽還可以幫助監控貨物的完整性。例如，沖擊或振動傳感器標簽將在運輸貴重和/或易碎物品時提供震動的證據。

在本例中，MAX66242是這些應用的關鍵推動因素，其創新支持主控I。2C 端口是關鍵的區分功能。如果沒有主人我2C 端口，設計需要一個小型微控制器來收集溫度轉換數據，然后將這些數據寫入標簽的存儲器，以便讀取器稍后收集（圖 5）。

圖5.通用分立傳感器標簽的高級電路圖。MAX66242主站I2C端口允許智能手機在不使用微控制器的情況下訪問傳感器并收集溫度數據。

如上所述，傳感器標簽將物理模擬量轉換（或轉導）為數字輸出。MAX66242本質上是將這些外部模擬參數連接到用戶可在智能手機或平板電腦屏幕上讀取的有用信息的電橋或導管。同樣，使用該IC的傳感器標簽不需要外部能量源，因為它使用其能量收集V外引腳作為傳感器 IC 的電源。圖6顯示了詳細的典型分立傳感器標簽原理圖。

圖6.進化的分立式嵌入式傳感器標簽架構。

診斷和錯誤數據收集解決了長期的可靠性問題

簡而言之，MAX66242標簽使任何嵌入式系統能夠與支持NFC的便攜式通信設備進行通信。NFC/RFID 端口還可以向維修技術人員表示警告顯示，類似于汽車儀表板上看到的維修引擎很快的指示燈。

在任何嵌入式設計中實現圖4所示的電路架構后，系統現在可以與外界交換無線信息，包括診斷和錯誤代碼、從故障電路收集的數據、運行時警告以及其他系統配置/調試和校準數據。所有這些靈活性使OEM有機會為其最終產品添加更多增值功能。

設計人員可以使用MAX66242存儲系統運行時的重要診斷和錯誤數據。此數據將在系統“死機”或未通電后上傳。此系統運行狀況和故障數據的收集是通過 NFC/RFID 標簽的接口完成的。下面的圖7顯示了一個典型的電源管理系統，其中每個負載點穩壓器（POL）都由公共電源管理總線（PMBus）配置和監控。PMBus只是I2C總線。在正常的系統運行期間，每個POL的某些重要運行參數都會受到持續監控。在這種持續監控模式下，系統管理器還可以執行糾正措施以響應故障或操作警告。

圖7.功率轉換系統框圖，采用MAX66242 NFC/RFID標簽進行故障記錄。

以MAX66242為示例，OEM可以創建“瓶中消息”或“黑匣子飛行記錄儀”場景，其中可以存儲重要的超出范圍的參數（例如，來自所有監測故障保護電路的跳變點參數）。使用 RFID/NFC 閱讀器，技術人員現在可以訪問在實際故障發生前記錄的放松管制測量值。這些數據以后還可用于預測某些特定故障，并幫助比以前更早地識別異常操作條件。這種增加的故障智能將有助于預測、緩解甚至消除下一代產品已知災難性故障的某些根本原因。

NFC/RFID 應用可與現場傳感器和 I/O 卡一起應用于工業控制和自動化。MAX66242標簽允許在器件未通電時對傳感器卡進行調試。模擬校準數據、關鍵參數或其他系統級信息在安裝前使用智能手機下載到傳感器或 I/O 卡上的標簽中。因此，消費者可以使用他們的智能手機為某些設備購買積分，并使用智能手機應用程序（應用程序）加載積分或通過便攜式設備的 NFC/RFID 連接啟用該功能。

結論

近年來，NFC/RFID 技術的采用率急劇上升。但是，為什么要將NFC / RFID添加到您的便攜式設備中呢？因為它將為更多的應用程序打開嵌入式平臺。它正在實現新的、安全的便攜式通信應用。它將為原始設備制造商提供非凡的商機。毫不奇怪，該技術發展相對較快，應用范圍可能很長，毫無疑問，NFC / RFID被認為是物聯網迫在眉睫的基石之一。

我們提出了一個以DeepCover MAX66242安全認證為中心的NFC/RFIC應用電路。使用這種新方法，嵌入式便攜式系統將很容易與外界連接。原始設備制造商可以增強其產品差異化。隨著智能手機和平板電腦制造商繼續在其產品中啟用NFC / RFID技術，這極大地幫助完成了生態系統。

因此，每個人都將很快擁有NFC / RFID閱讀器。然后每個人都需要閱讀一些東西。這就是原始設備制造商可以再次獲勝的地方。示例MAX66242標簽為設計人員提供了靈活的配置、安全認證和診斷數據報告功能。它是在嵌入式系統中實現NFC / RFID功能的非常簡單直接方法的核心。事實上，MAX66242會讓系統架構師說：“如果呢？所以，快點！大多數支持NFC / RFID的設備尚未發明。

審核編輯：郭婷