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技術(shù)專題
NFC簡(jiǎn)介
NFC雖然在許多方面與RFID相似，并且其歷史基于RFID，但它是一個(gè)獨(dú)立的概念。在RFID具有無源和有源標(biāo)簽的情況下，可以從相對(duì)長(zhǎng)的距離讀取有源標(biāo)簽，而NFC就像其名稱所暗示的那樣，在電磁場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)域中起作用。
RFID仍然存在，并將在可預(yù)見的將來。NFC是RFID的直接發(fā)展，您也許可以考慮并行分支。在最基本的級(jí)別上，NFC通常是兩個(gè)電感耦合設(shè)備，其通信是通過調(diào)制無源設(shè)備吸收的功率來執(zhí)行的。無源RFID吸收RF功率，然后將其用于將數(shù)據(jù)傳輸回讀取器-有源RFID可以使用其自身的電源將數(shù)據(jù)傳輸回讀取器。與NFC一樣，規(guī)則總是有例外-5型NFC標(biāo)簽的工作距離更長(zhǎng)（可達(dá)1米），但我們稍后再講。
在NFC的最典型實(shí)現(xiàn)中，一個(gè)設(shè)備是主動(dòng)設(shè)備，在通信中充當(dāng)主設(shè)備，并創(chuàng)建將為無源從設(shè)備供電的調(diào)制RF近場(chǎng)。主動(dòng)設(shè)備通常使用讀取器的名稱，而被動(dòng)設(shè)備則稱為標(biāo)簽。標(biāo)簽的常見示例包括貼紙和嵌入式系統(tǒng)；您可能會(huì)在日常生活中看到的最常見的NFC閱讀器是智能手機(jī)或支付終端。
近場(chǎng)通訊
在典型的RF通信中，發(fā)射天線將RF信號(hào)發(fā)射到自由空間中，要求至少λ/ 4（四分之一波長(zhǎng)）的天線有效。當(dāng)兩個(gè)RF設(shè)備之間的距離超過2λ（兩個(gè)波長(zhǎng)）時(shí)，例如，對(duì)于2.4GHz信號(hào)，約為245mm（10英寸）時(shí)，通常可以相互通信。
NFC而是在λ/ 2以下（小于波長(zhǎng)的一半）的空間近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)通信。兩個(gè)近場(chǎng)設(shè)備用作纏繞在公共磁芯上的耦合電感或變壓器的兩個(gè)線圈。
NFC技術(shù)參數(shù)
由于NFC標(biāo)簽在近場(chǎng)中運(yùn)行，因此技術(shù)功能和規(guī)格與您可能更熟悉的更傳統(tǒng)的基于遠(yuǎn)場(chǎng)的無線技術(shù)完全不同。讓我們看一下與NFC相關(guān)的一些有趣的技術(shù)數(shù)據(jù)，以及將其與遠(yuǎn)場(chǎng)無線技術(shù)進(jìn)行比較的方法。
工作距離
盡管在遵守標(biāo)準(zhǔn)的情況下，專用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)備可以達(dá)到100Km以上，但估計(jì)2.4GHz WiFi設(shè)備的典型最大室外范圍約為50至75米。藍(lán)牙設(shè)備在相同的2.4GHz WiFi上運(yùn)行時(shí)，會(huì)折衷帶寬以提高功耗，并針對(duì)5.0版本擴(kuò)展到300米以上。LoRa設(shè)備的范圍可以超過10Km，其功耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這兩種技術(shù)，并且?guī)挿浅Ｓ邢蕖?/span>
NFC受設(shè)計(jì)限制為最大10厘米。
近場(chǎng)磁感應(yīng)通信系統(tǒng)（例如NFC）具有非常嚴(yán)格的功率密度。功率密度以與第六功率的范圍的倒數(shù)成比例的速率衰減。這遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)場(chǎng)通信，以至于在13.56MHz（NFC最常見的頻率）的近場(chǎng)區(qū)域結(jié)束時(shí)，其能量水平比遠(yuǎn)場(chǎng)通信低10,000至1,000,000倍（-40dB至-60dB）。等效的故意遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射機(jī)。
像任何好的規(guī)則一樣，這也有例外。使用ISO-15693協(xié)議的NFC 5類標(biāo)簽可以通過專用硬件讀取長(zhǎng)達(dá)一米的距離；但是，實(shí)際上，即使不是全部，大多數(shù)智能手機(jī)也只能遵守10厘米的限制。一些高性能NFC天線允許讀取距離不超過15厘米的標(biāo)簽，而在頻譜的另一側(cè)，一些較小的標(biāo)簽將距離限制在2厘米左右。
減小的距離導(dǎo)致用戶需要明確的物理動(dòng)作以使協(xié)議起作用。與WiFi和藍(lán)牙的始終在線特性相反，NFC是唯一需要用戶采取有意識(shí)的操作才能使用的唯一廣泛的無線通信協(xié)議。
頻率
MHz是人們無法期望在現(xiàn)代智能手機(jī)的無線規(guī)格中找到的一種測(cè)量單位。iPhone 11具有高達(dá)8GHz的通信頻率，而60GHz WiGig設(shè)備在市場(chǎng)上越來越受歡迎。NFC采用了不同的方法，降低了功耗，范圍，價(jià)格和頻率。
與廣泛的高速連接相比，有限的頻率加上短距離，使得NFC天線的實(shí)施相對(duì)沒有壓力。出于簡(jiǎn)單或經(jīng)驗(yàn)不足的考慮，明智的設(shè)計(jì)人員可能希望為藍(lán)牙或WiFi采用帶有集成天線的模塊。在NFC領(lǐng)域，如果您遵循IC的建議，則無論微小的制造差異或附近的物體（例如在微波頻率下），您的設(shè)計(jì)都可能表現(xiàn)良好。
數(shù)據(jù)速率
NFC標(biāo)準(zhǔn)支持的最大帶寬為424Kbit / s，約為傳統(tǒng)撥號(hào)56K連接速度的八倍。該限制使該標(biāo)準(zhǔn)在性能上可與藍(lán)牙媲美，約為4.0版本數(shù)據(jù)速率的一半。不幸的是，該標(biāo)準(zhǔn)有很多開銷，并且大多數(shù)設(shè)備通常以50Kbit / s的速度運(yùn)行。即使連接上的數(shù)據(jù)速率如此有限，又有一些獨(dú)創(chuàng)性和創(chuàng)造力，應(yīng)用程序卻無窮無盡。由于大多數(shù)標(biāo)簽上的內(nèi)存相對(duì)有限，因此幾乎不需要更高的數(shù)據(jù)速率。
記憶
大多數(shù)型號(hào)的NFC標(biāo)簽都包含100字節(jié)至1KB的內(nèi)存，盡管可用型號(hào)的內(nèi)存容量高達(dá)64 KB。這些較大的存儲(chǔ)容量通常用于智能卡。
盡管此存儲(chǔ)量聽起來有些限制，但它允許大量8-16位（1-2字節(jié)）傳感器讀數(shù)或有關(guān)Tag所附著內(nèi)容的數(shù)據(jù)。
當(dāng)前抽獎(jiǎng)
許多NFC IC提供能量收集輸出，在較好條件下可提供約5mA的電流。以下是對(duì)于小于5mA的處理方法沒有特別的建議：
為外部傳感器和模擬電路供電。就溫度感測(cè)而言，帶有嵌入式溫度傳感器的NFC IC已經(jīng)廣泛用于跟蹤易腐貨物。
為外部存儲(chǔ)器供電，其容量要大于NFC IC所提供的容量。
更新電子墨水顯示。
給一塊小的鋰電池充電。
給超級(jí)電容器（電解雙層電容器）充電
價(jià)錢
NFC標(biāo)簽，標(biāo)簽和基本IC被廣泛用于資產(chǎn)跟蹤，因此需要非常實(shí)惠。如果超市中的每件商品上都貼有NFC標(biāo)簽，或服裝店中的每件服裝，即使每個(gè)標(biāo)簽50c，也會(huì)很快變得不受歡迎。幸運(yùn)的是，NFC的簡(jiǎn)單性使標(biāo)簽和基本標(biāo)簽的生產(chǎn)變得容易，每個(gè)標(biāo)簽的成本在10c到50c之間，具體取決于體積。
閱讀NFC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)它們已被構(gòu)建為支持多種現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用程序。幸運(yùn)的是，出于我們的理智，幾乎沒有從事主流NFC實(shí)施工作的電子工程師都需要了解NFC標(biāo)簽類型的深度。所有現(xiàn)代智能手機(jī)都必須支持每種標(biāo)簽類型，以符合NFC標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)表中會(huì)清楚說明每個(gè)NFC IC的功能和特性，無論是有源還是無源，標(biāo)簽或讀取器，貼紙或整個(gè)SoC。
標(biāo)記類型2可以滿足NFC論壇標(biāo)記類型2的絕大多數(shù)NFC卡，不干膠標(biāo)簽和資產(chǎn)標(biāo)簽。通過NFC通信或用于連接微控制器的I2C接口，可以進(jìn)行基本的信息存儲(chǔ)和檢索。
標(biāo)簽類型4主要支持在存儲(chǔ)和檢索基礎(chǔ)上執(zhí)行計(jì)算的功能以及高級(jí)安全功能。最后，如果您需要長(zhǎng)時(shí)間閱讀并允許用戶通過智能手機(jī)與標(biāo)簽進(jìn)行交互，則將需要標(biāo)記類型5。
如果您要為自定義應(yīng)用程序構(gòu)建閱讀器，則您使用的標(biāo)簽類型很可能取決于應(yīng)用程序以及可以購(gòu)買的標(biāo)簽，而不是選擇特定的標(biāo)簽類型。如果要構(gòu)建自定義標(biāo)簽，通常也會(huì)為您做出選擇，因?yàn)橛糜跇?biāo)簽實(shí)現(xiàn)的NFC IC將確定標(biāo)簽類型。
NFC論壇標(biāo)記類型1
如數(shù)字所示，NFC 1類標(biāo)簽是所有NFC標(biāo)簽類型中最簡(jiǎn)單，非常便宜的。典型的Type 1標(biāo)簽支持只讀或一次寫入操作。但是，可以使用具有R / W功能的模型，它們通常具有大約一百個(gè)字節(jié)（最大2 Kbyte）的內(nèi)存，并且具有相對(duì)較慢的106kbit / s帶寬。典型的應(yīng)用包括貼紙，市場(chǎng)營(yíng)銷，產(chǎn)品跟蹤，因此，這些標(biāo)簽對(duì)于普通電子工程師來說意義不大。
NFC Type 1標(biāo)簽采用的標(biāo)準(zhǔn)是ISO-14443A。
NFC論壇標(biāo)簽類型2
與Type 1標(biāo)簽類似，NFC Type 2標(biāo)簽在只讀和讀寫應(yīng)用程序中僅支持ISO-14443A。許多2型IC提供能量收集功能以及與外部微控制器的I2C連接。但是，類型2標(biāo)簽普遍用作貼紙，卡片和票證。
如上所述，Type 2標(biāo)簽是市場(chǎng)上最常見的標(biāo)簽，其形狀和尺寸范圍很廣，可用于粘貼到電纜扎帶的標(biāo)簽。
NFC論壇標(biāo)記類型3
基于Sony FeliCa協(xié)議的Type 3標(biāo)簽主要在日本和亞洲使用。在日本相關(guān)市場(chǎng)中，此標(biāo)簽類型經(jīng)常用于電子貨幣，身份證明，公交票和類似應(yīng)用。該標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)際電子商品中的采用受到限制，其主要用途包括支持舊版應(yīng)用程序。
NFC論壇標(biāo)簽類型4
與ISO-14443A和ISO-14443B協(xié)議兼容的Type 4標(biāo)簽增加了對(duì)用于智能卡識(shí)別的ISO-7815標(biāo)準(zhǔn)的支持。這些標(biāo)簽可以修改其內(nèi)存中包含的數(shù)據(jù)，并且通常用于安全性，標(biāo)識(shí)和支付應(yīng)用程序。
NFC論壇標(biāo)記類型5
Type 5標(biāo)簽是要發(fā)布的最新規(guī)范。底層物理層與所有其他NFC標(biāo)簽類型不同，因?yàn)樗?/span>RFID技術(shù)（ISO-15693）而不是ISO-14443A，從而允許最大1.5m的讀取距離。但是，像其他任何NFC標(biāo)簽類型一樣，客戶NFC設(shè)備（例如智能手機(jī)）的最大長(zhǎng)度限制為10厘米，并且與更遠(yuǎn)的地方進(jìn)行交互需要專門的閱讀器。
NFC互動(dòng)的類型
NFC支持三種主要的通信模式：讀/寫，對(duì)等和卡仿真。
讀/寫模式
讀寫模式是NFC標(biāo)準(zhǔn)中最簡(jiǎn)單，最常見的操作模式。NFC標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)了一種存儲(chǔ)器，其內(nèi)容通常由NDEF（NFC數(shù)據(jù)交換格式）格式的數(shù)據(jù)組成。讀取器可以讀取或?qū)懭氪祟惔鎯?chǔ)器的內(nèi)容。
定義非常簡(jiǎn)單，但是與電子產(chǎn)品中的大多數(shù)簡(jiǎn)單概念一樣，它的用途也非常廣泛。
NFC標(biāo)簽具有完整的SoC（片上系統(tǒng)）功能或與外部微控制器連接時(shí)，通常不僅可以由讀取器訪問，而且可以由標(biāo)簽本身訪問。在這種情況下，標(biāo)簽充當(dāng)雙端口內(nèi)存，就像兩臺(tái)計(jì)算機(jī)訪問的數(shù)據(jù)庫(kù)一樣。此外，標(biāo)簽本身可以由NFC讀取器和/或輔助MCU供電。因此，無論訪問何處，Tag始終可以供電，就像托管在Internet上某個(gè)地方的數(shù)據(jù)庫(kù)一樣。
對(duì)等模式
在對(duì)等模式下，兩個(gè)活動(dòng)設(shè)備通過以下兩種方法之一相互通信。
一臺(tái)設(shè)備可以模擬為標(biāo)簽，而另一臺(tái)設(shè)備可以模擬為閱讀器。這種情況顯然是主從解決方案。它非常適合系統(tǒng)中具有“智能”和“笨拙”部分的情況，例如主微控制器通過物理屏障與較小的輔助MCU通信。此模式還允許系統(tǒng)保持與智能手機(jī)的兼容性，因?yàn)橹悄苁謾C(jī)本身可以充當(dāng)讀取器，而嵌入式設(shè)備可以充當(dāng)標(biāo)簽。
通過稱為LLCP（邏輯鏈路控制協(xié)議）的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)是一種更抽象的方法，但也更加靈活連接。LLCP協(xié)議旨在允許在兩個(gè)類似于BSD套接字的活動(dòng)設(shè)備之間進(jìn)行任意靈活的通信，并且許多嵌入式和Unix程序員都熟悉這種協(xié)議。獨(dú)特的是，LLCP協(xié)議允許通過NFC連接快速移植現(xiàn)有協(xié)議，例如Modbus，RS485，CAN，LIN或UART，從而實(shí)現(xiàn)新穎的通信方式。
通過LLCP協(xié)議交換數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)是缺乏對(duì)智能手機(jī)的支持，只能將其委托給嵌入式到嵌入式通信或嵌入式到PC。如果您要構(gòu)建自定義NFC應(yīng)用程序，或者可以使用NFC來滿足項(xiàng)目要求而無需智能手機(jī)集成，那么如果需要近距離無線連接，LLCP可能就是您想要的。