NFC簡(jiǎn)介

2020-07-18

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)獨立的概念。在RFID具有無(wú)源和有源標簽的情況下，可以從相對長(cháng)的距離讀取有源標簽，而NFC就像其名稱(chēng)所暗示的那樣，在電磁場(chǎng)的近場(chǎng)區域中起作用。 

RFID仍然存在，并將在可預見(jiàn)的將來(lái)。NFC是RFID的直接發(fā)展，您也許可以考慮并行分支。在最基本的級別上，NFC通常是兩個(gè)電感耦合設備，其通信是通過(guò)調制無(wú)源設備吸收的功率來(lái)執行的。無(wú)源RFID吸收RF功率，然后將其用于將數據傳輸回讀取器-有源RFID可以使用其自身的電源將數據傳輸回讀取器。與NFC一樣，規則總是有例外-5型NFC標簽的工作距離更長(cháng)（可達1米），但我們稍后再講。

在NFC的最典型實(shí)現中，一個(gè)設備是主動(dòng)設備，在通信中充當主設備，并創(chuàng )建將為無(wú)源從設備供電的調制RF近場(chǎng)。主動(dòng)設備通常使用讀取器的名稱(chēng)，而被動(dòng)設備則稱(chēng)為標簽。標簽的常見(jiàn)示例包括貼紙和嵌入式系統；您可能會(huì )在日常生活中看到的最常見(jiàn)的NFC閱讀器是智能手機或支付終端。

近場(chǎng)通訊

在典型的RF通信中，發(fā)射天線(xiàn)將RF信號發(fā)射到自由空間中，要求至少λ/ 4（四分之一波長(cháng)）的天線(xiàn)有效。當兩個(gè)RF設備之間的距離超過(guò)2λ（兩個(gè)波長(cháng)）時(shí)，例如，對于2.4GHz信號，約為245mm（10英寸）時(shí)，通?？梢韵嗷ネㄐ?。

NFC而是在λ/ 2以下（小于波長(cháng)的一半）的空間近場(chǎng)區域內通信。兩個(gè)近場(chǎng)設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(xiàn)圈。

NFC技術(shù)參數

由于NFC標簽在近場(chǎng)中運行，因此技術(shù)功能和規格與您可能更熟悉的更傳統的基于遠場(chǎng)的無(wú)線(xiàn)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)數據，以及將其與遠場(chǎng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行比較的方法。

工作距離

盡管在遵守標準的情況下，專(zhuān)用的點(diǎn)對點(diǎn)設備可以達到100Km以上，但估計2.4GHz WiFi設備的典型最大室外范圍約為50至75米。藍牙設備在相同的2.4GHz WiFi上運行時(shí)，會(huì )折衷帶寬以提高功耗，并針對5.0版本擴展到300米以上。LoRa設備的范圍可以超過(guò)10Km，其功耗要遠遠低于這兩種技術(shù)，并且帶寬非常有限。

NFC受設計限制為最大10厘米。 

近場(chǎng)磁感應通信系統（例如NFC）具有非常嚴格的功率密度。功率密度以與第六功率的范圍的倒數成比例的速率衰減。這遠大于遠場(chǎng)通信，以至于在13.56MHz（NFC最常見(jiàn)的頻率）的近場(chǎng)區域結束時(shí)，其能量水平比遠場(chǎng)通信低10,000至1,000,000倍（-40dB至-60dB）。等效的故意遠場(chǎng)發(fā)射機。

像任何好的規則一樣，這也有例外。使用ISO-15693協(xié)議的NFC 5類(lèi)標簽可以通過(guò)專(zhuān)用硬件讀取長(cháng)達一米的距離；但是，實(shí)際上，即使不是全部，大多數智能手機也只能遵守10厘米的限制。一些高性能NFC天線(xiàn)允許讀取距離不超過(guò)15厘米的標簽，而在頻譜的另一側，一些較小的標簽將距離限制在2厘米左右。

減小的距離導致用戶(hù)需要明確的物理動(dòng)作以使協(xié)議起作用。與WiFi和藍牙的始終在線(xiàn)特性相反，NFC是唯一需要用戶(hù)采取有意識的操作才能使用的唯一廣泛的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議。

頻率

MHz是人們無(wú)法期望在現代智能手機的無(wú)線(xiàn)規格中找到的一種測量單位。iPhone 11具有高達8GHz的通信頻率，而60GHz WiGig設備在市場(chǎng)上越來(lái)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(xiàn)的實(shí)施相對沒(méi)有壓力。出于簡(jiǎn)單或經(jīng)驗不足的考慮，明智的設計人員可能希望為藍牙或WiFi采用帶有集成天線(xiàn)的模塊。在NFC領(lǐng)域，如果您遵循IC的建議，則無(wú)論微小的制造差異或附近的物體（例如在微波頻率下），您的設計都可能表現良好。

數據速率

NFC標準支持的最大帶寬為424Kbit / s，約為傳統撥號56K連接速度的八倍。該限制使該標準在性能上可與藍牙媲美，約為4.0版本數據速率的一半。不幸的是，該標準有很多開(kāi)銷(xiāo)，并且大多數設備通常以50Kbit / s的速度運行。即使連接上的數據速率如此有限，又有一些獨創(chuàng )性和創(chuàng )造力，應用程序卻無(wú)窮無(wú)盡。由于大多數標簽上的內存相對有限，因此幾乎不需要更高的數據速率。

記憶

大多數型號的NFC標簽都包含100字節至1KB的內存，盡管可用型號的內存容量高達64 KB。這些較大的存儲容量通常用于智能卡。

盡管此存儲量聽(tīng)起來(lái)有些限制，但它允許大量8-16位（1-2字節）傳感器讀數或有關(guān)Tag所附著(zhù)內容的數據。

當前抽獎

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。以下是對于小于5mA的處理方法沒(méi)有特別的建議：

為外部傳感器和模擬電路供電。就溫度感測而言，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。

給超級電容器（電解雙層電容器）充電

價(jià)錢(qián)

NFC標簽，標簽和基本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標簽，或服裝店中的每件服裝，即使每個(gè)標簽50c，也會(huì )很快變得不受歡迎。幸運的是，NFC的簡(jiǎn)單性使標簽和基本標簽的生產(chǎn)變得容易，每個(gè)標簽的成本在10c到50c之間，具體取決于體積。

閱讀NFC標準時(shí)，您會(huì )發(fā)現它們已被構建為支持多種現有標準和應用程序。幸運的是，出于我們的理智，幾乎沒(méi)有從事主流NFC實(shí)施工作的電子工程師都需要了解NFC標簽類(lèi)型的深度。所有現代智能手機都必須支持每種標簽類(lèi)型，以符合NFC標準。數據表中會(huì )清楚說(shuō)明每個(gè)NFC IC的功能和特性，無(wú)論是有源還是無(wú)源，標簽或讀取器，貼紙或整個(gè)SoC。

標記類(lèi)型2可以滿(mǎn)足NFC論壇標記類(lèi)型2的絕大多數NFC卡，不干膠標簽和資產(chǎn)標簽。通過(guò)NFC通信或用于連接微控制器的I2C接口，可以進(jìn)行基本的信息存儲和檢索。

標簽類(lèi)型4主要支持在存儲和檢索基礎上執行計算的功能以及高級安全功能。最后，如果您需要長(cháng)時(shí)間閱讀并允許用戶(hù)通過(guò)智能手機與標簽進(jìn)行交互，則將需要標記類(lèi)型5。

如果您要為自定義應用程序構建閱讀器，則您使用的標簽類(lèi)型很可能取決于應用程序以及可以購買(mǎi)的標簽，而不是選擇特定的標簽類(lèi)型。如果要構建自定義標簽，通常也會(huì )為您做出選擇，因為用于標簽實(shí)現的NFC IC將確定標簽類(lèi)型。

NFC論壇標記類(lèi)型1

如數字所示，NFC 1類(lèi)標簽是所有NFC標簽類(lèi)型中最簡(jiǎn)單，非常便宜的。典型的Type 1標簽支持只讀或一次寫(xiě)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（最大2 Kbyte）的內存，并且具有相對較慢的106kbit / s帶寬。典型的應用包括貼紙，市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)，產(chǎn)品跟蹤，因此，這些標簽對于普通電子工程師來(lái)說(shuō)意義不大。

NFC Type 1標簽采用的標準是ISO-14443A。

NFC論壇標簽類(lèi)型2

與Type 1標簽類(lèi)似，NFC Type 2標簽在只讀和讀寫(xiě)應用程序中僅支持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(lèi)型2標簽普遍用作貼紙，卡片和票證。

如上所述，Type 2標簽是市場(chǎng)上最常見(jiàn)的標簽，其形狀和尺寸范圍很廣，可用于粘貼到電纜扎帶的標簽。

NFC論壇標記類(lèi)型3

基于Sony FeliCa協(xié)議的Type 3標簽主要在日本和亞洲使用。在日本相關(guān)市場(chǎng)中，此標簽類(lèi)型經(jīng)常用于電子貨幣，身份證明，公交票和類(lèi)似應用。該標準在國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用程序。

NFC論壇標簽類(lèi)型4

與ISO-14443A和ISO-14443B協(xié)議兼容的Type 4標簽增加了對用于智能卡識別的ISO-7815標準的支持。這些標簽可以修改其內存中包含的數據，并且通常用于安全性，標識和支付應用程序。

NFC論壇標記類(lèi)型5

Type 5標簽是要發(fā)布的最新規范。底層物理層與所有其他NFC標簽類(lèi)型不同，因為它基于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標簽類(lèi)型一樣，客戶(hù)NFC設備（例如智能手機）的最大長(cháng)度限制為10厘米，并且與更遠的地方進(jìn)行交互需要專(zhuān)門(mén)的閱讀器。

NFC互動(dòng)的類(lèi)型

NFC支持三種主要的通信模式：讀/寫(xiě)，對等和卡仿真。

讀/寫(xiě)模式

讀寫(xiě)模式是NFC標準中最簡(jiǎn)單，最常見(jiàn)的操作模式。NFC標簽實(shí)現了一種存儲器，其內容通常由NDEF（NFC數據交換格式）格式的數據組成。讀取器可以讀取或寫(xiě)入此類(lèi)存儲器的內容。

定義非常簡(jiǎn)單，但是與電子產(chǎn)品中的大多數簡(jiǎn)單概念一樣，它的用途也非常廣泛。

NFC標簽具有完整的SoC（片上系統）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(fǎng)問(wèn)，而且可以由標簽本身訪(fǎng)問(wèn)。在這種情況下，標簽充當雙端口內存，就像兩臺計算機訪(fǎng)問(wèn)的數據庫一樣。此外，標簽本身可以由NFC讀取器和/或輔助MCU供電。因此，無(wú)論訪(fǎng)問(wèn)何處，Tag始終可以供電，就像托管在Internet上某個(gè)地方的數據庫一樣。

對等模式

在對等模式下，兩個(gè)活動(dòng)設備通過(guò)以下兩種方法之一相互通信。

一臺設備可以模擬為標簽，而另一臺設備可以模擬為閱讀器。這種情況顯然是主從解決方案。它非常適合系統中具有“智能”和“笨拙”部分的情況，例如主微控制器通過(guò)物理屏障與較小的輔助MCU通信。此模式還允許系統保持與智能手機的兼容性，因為智能手機本身可以充當讀取器，而嵌入式設備可以充當標簽。

通過(guò)稱(chēng)為LLCP（邏輯鏈路控制協(xié)議）的協(xié)議來(lái)實(shí)現對等網(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(lèi)似于BSD套接字的活動(dòng)設備之間進(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。獨特的是，LLCP協(xié)議允許通過(guò)NFC連接快速移植現有協(xié)議，例如Modbus，RS485，CAN，LIN或UART，從而實(shí)現新穎的通信方式。

通過(guò)LLCP協(xié)議交換數據的缺點(diǎn)是缺乏對智能手機的支持，只能將其委托給嵌入式到嵌入式通信或嵌入式到PC。如果您要構建自定義NFC應用程序，或者可以使用NFC來(lái)滿(mǎn)足項目要求而無(wú)需智能手機集成，那么如果需要近距離無(wú)線(xiàn)連接，LLCP可能就是您想要的。