電路設計中實(shí)現NFC的想法

2020-08-23

NFC最常見(jiàn)的用途之一是帶外憑據共享。為了共享WiFi憑據，用戶(hù)可能已經(jīng)擁有適當配置為其家庭WiFi網(wǎng)絡(luò )的支持NFC的智能手機。通過(guò)NFC，他們可以與訪(fǎng)問(wèn)者共享憑據和SSID，而無(wú)需鍵入復雜的字母數字密碼或進(jìn)入他們塵土飛揚的路由器后面以讀取標簽。

第一次通電時(shí)，許多廉價(jià)的WiFi設備的行為就像WiFi接入點(diǎn)。如果要構建連接WiFi的設備，則還可以充當訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)以允許設備的初始配置。不幸的是，此功能不能很好地被智能手機操作系統接受，因為該設備無(wú)法提供互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)，并且與現代路由器相比，它顯得不安全。最近，我不得不為此奮斗，設置了機器人吸塵器。

NFC還可以用于為音頻設備配置藍牙連接，使用戶(hù)可以?xún)H使用一個(gè)“ tap”（而不是： 

在智能手機上啟用藍牙 

打開(kāi)設備電源 

在設備上啟用配對 

打開(kāi)設置 

等待藍牙掃描并找到設備 

配對設備

NFC消除了手動(dòng)輸入WiFi憑據所帶來(lái)的復雜性，減少了錯誤，改善了用戶(hù)體驗，并且無(wú)需重置設備即可輕松進(jìn)行重新配置。第一次開(kāi)始使用您的設備時(shí)，用戶(hù)體驗的改善可能會(huì )給您留下良好的第一印象。

具有WiFi功能的應用程序通常需要相當多的計算能力。因此，Realtek的RTL8195AM可能非常適合，它具有ARM?Cortex?-M3 CPU和集成的WiFi和NFC。

諸如Nordic Semiconductors nRF52832，NXP的QN9090和QN9030之類(lèi)的眾多藍牙SoC具有集成的NFC。

固定安裝的直觀(guān)設備調試

通過(guò)網(wǎng)狀協(xié)議（例如ZigBee或Bluetooth Mesh）進(jìn)行通信的許多設備可能需要更高一級配置才能加入網(wǎng)絡(luò )。接觸隱藏的按鈕或安裝在墻壁上的電源循環(huán)設備，例如開(kāi)關(guān)，夜燈和PIR傳感器，可能會(huì )有些麻煩，尤其是如果我們想在第一次采用后對其進(jìn)行重新配置。 

在電工實(shí)際安裝此類(lèi)設備后，可以將NFC用于測試和配置，而不會(huì )在早期部署階段不必要地引入復雜性。通過(guò)與設備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信以執行配置和診斷，而無(wú)需使用板載相對昂貴的IC的潛在不安全協(xié)議，您可以節省安裝成本，而不會(huì )損害設備的安全性或實(shí)質(zhì)上增加材料清單的成本。

對于此類(lèi)應用，意法半導體ST25DV-I2C憑借其易用性，低成本和直觀(guān)的I2C界面可能是一個(gè)理想的選擇。

仍然打包時(shí)配置無(wú)電設備

制造后配置設備通常需要提供有線(xiàn)調試連接或臨時(shí)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

NFC允許在仍處于包裝狀態(tài)時(shí)進(jìn)行產(chǎn)品配置。例如，您可以直接在銷(xiāo)售點(diǎn)預先配置帶有用戶(hù)名的高端電子禮物。 

根據其銷(xiāo)售國家/地區，需要不同配置的電子設備（例如，無(wú)線(xiàn)電通信設備）可以在包裝和質(zhì)量檢查之后配置。這樣，您無(wú)需為每個(gè)目的地國家都保留單獨的庫存，而只需要一種產(chǎn)品：在后一刻對其進(jìn)行配置，在其上添加標簽，然后將其運送給客戶(hù)或分銷(xiāo)商。這樣可以將即時(shí)生產(chǎn)和庫存庫存混合在一起，既可以節省大量資金，又可以快速運送到任何地區。

該概念也可以與上述思想結合。它允許對設備進(jìn)行預配置，而無(wú)需進(jìn)行任何不必要的處理，然后再將其運送到安裝現場(chǎng)，從而節省了現場(chǎng)應用工程師的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間。

支持雙端口存儲器操作的廣泛IC包括NXP的NT3H2111和STMicroelectronics ST25DV-I2C。

無(wú)線(xiàn)可編程修剪器

隨時(shí)間流逝出現不必要漂移或生產(chǎn)/供應變化的模擬組件可能會(huì )在批量生產(chǎn)中極度受挫。該解決方案一直將組件的使用限制在產(chǎn)品的特定子組件中，構建自定義夾具以提供電源，測試并隨后重新校準產(chǎn)品。

一些制造商的NFC標簽IC提供多達兩個(gè)可編程PWM輸出。通過(guò)添加幾個(gè)無(wú)源組件，PWM輸出可以輕松轉換為模擬輸出。

照明行業(yè)廣泛采用以?xún)?yōu)化和補償LED模塊中的各種參數，從而降低了具有此功能的IC的價(jià)格?？梢钥焖俨捎?span lang="EN-US">PWM輸出來(lái)補償模擬組件中的漂移或差異。另外，如果通信端口不足，可以通過(guò)使用MCU中的ADC通道而不是I2C或SPI通信來(lái)使用這些功能來(lái)編程基本產(chǎn)品功能。

提供PWM輸出的NFC標簽示例包括STMicroelectronics ST25DV-PWM和NXP的NTP5210，前者在448Hz時(shí)提供高達15位的分辨率。

增強的設備支持/故障排除

許多嵌入式設備會(huì )產(chǎn)生錯誤代碼，大多數產(chǎn)品具有正確實(shí)現的自診斷功能，但顯示復雜消息的內存和用戶(hù)界面空間有限，因此無(wú)法向用戶(hù)提供多少信息。

在被扔掉或長(cháng)期遺忘在地下室的手冊中查找錯誤代碼始終是不切實(shí)際且令人討厭的。由于產(chǎn)品故障，這只會(huì )使用戶(hù)可能已經(jīng)感到沮喪。

通過(guò)動(dòng)態(tài)生成NDEF記錄，可以使用NFC將用戶(hù)指向特定的網(wǎng)頁(yè)（或應用程序內容），例如http://support.company.com/product/error123。

彈出錯誤代碼時(shí)，還可以自動(dòng)顯示其他內容，例如支持電子郵件地址，網(wǎng)站或電話(huà)號碼。通過(guò)在設備上輕按智能手機來(lái)幫助用戶(hù)處理錯誤，您可以節省支持成本并提高用戶(hù)保留率。

假設您的產(chǎn)品具有用于讀取代碼的內部調試接口，則可以使用NXP的LPC8N04實(shí)施將這些代碼轉換為可讀URL所需的適度邏輯。

經(jīng)濟高效的無(wú)線(xiàn)電源

由于無(wú)法滿(mǎn)足EMC兼容性認證要求的風(fēng)險，在許多項目中實(shí)施臨時(shí)無(wú)線(xiàn)功率傳輸技術(shù)可能不可行。

NFC是目前僅使用廣泛采用的技術(shù)來(lái)實(shí)現亞瓦特無(wú)線(xiàn)能量傳輸的便宜，最簡(jiǎn)單的方法。

知名度不高的制造商Silicon Craft的SIC4310具有高達10mA和3.3V的輸出，非常適合此類(lèi)應用。

與旋轉設備通訊

想象以下情形：您有一個(gè)固定的設備，帶有一個(gè)旋轉的主體，上面裝有一個(gè)設備。假設您要從固定側與設備旋轉組件上的設備進(jìn)行通信。 

例如，您想將傳感器放置在起重機或工業(yè)設備上。機電接口在一定條件下無(wú)法長(cháng)時(shí)間可靠運行，并且振動(dòng)和工業(yè)環(huán)境條件會(huì )嚴重影響機械接口的使用壽命。如果您試圖在沒(méi)有電源的情況下傳輸數據，那么任何旋轉的觸點(diǎn)都會(huì )引入很多虛假信號。 

使用某種形式的無(wú)線(xiàn)電通信似乎是好的主意，類(lèi)似于安裝在汽車(chē)輪胎上的壓力傳感器如何與車(chē)載計算機通信。 

NFC協(xié)議非常適合此應用：NFC天線(xiàn)可以設計成螺旋形，在旋轉軸上具有幾乎完美的旋轉對稱(chēng)性。如果傳感器或設備的耗電量有限，則使用上面的無(wú)線(xiàn)電源概念還可以使傳感器/設備長(cháng)時(shí)間運行而無(wú)需更換電池或為電池充電。

恩智浦半導體提供了一個(gè)涵蓋這種精確場(chǎng)景的開(kāi)發(fā)套件PN5180。

通過(guò)防水屏障進(jìn)行通訊

在連接器周?chē)M(jìn)行防水密封非常困難，尤其是在產(chǎn)品暴露于鹽水，大量紫外線(xiàn)輻射會(huì )干燥和損壞O形圈的情況下，并且如果必須為連接提供電源，則增加了電化學(xué)風(fēng)險損傷。NFC不受此類(lèi)問(wèn)題的影響，并且NFC天線(xiàn)可以很容易地隱藏在密封的塑料墻后面或嵌入硅樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂灌封中。

進(jìn)一步詳細說(shuō)明這一想法，NFC可用于有效地通過(guò)少量水進(jìn)行通信。我們使用的大多數物理通信層都受到水的負面影響。由于連接器很難充分防水，因此使用電勢進(jìn)行通訊會(huì )使產(chǎn)品容易受到腐蝕，電化學(xué)作用和水的滲透?？梢?jiàn)光或紅外光用于通訊幾乎總是不可行的，因為光會(huì )被水散射并吸收，即使并非所有頻率的光都被均等地吸收。射頻場(chǎng)被吸收，而電場(chǎng)被屏蔽在鹽水中。之所以存在2.4Ghz ISM頻段，是因為它在微波爐中加熱食物中的水的有效性，因此存在WiFi和藍牙。聲波

NFC基于磁感應，因此可通過(guò)多種介質(zhì)（包括適量的水）發(fā)揮出色的性能。

暴露在這些元素下的產(chǎn)品（尤其是密封的產(chǎn)品）不太可能接受維護，并且經(jīng)常被設計為易于安裝和遺忘。用作內存存儲的NFC標簽很可能會(huì )使產(chǎn)品壽命更長(cháng)，可以在事后訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)以進(jìn)行診斷和故障分析。

NFC克服非空氣介質(zhì)的能力必須通過(guò)實(shí)驗進(jìn)行測試；僅查找材料的導磁率是一個(gè)錯誤，因為RF場(chǎng)是動(dòng)態(tài)的（在13.56MHz處）而不是靜態(tài)的。恩智浦NTA5332 IC具有有源負載調制功能，該功能主要用于提高物理層的性能，從而允許使用更小的天線(xiàn)。這也可以補償小于理想條件下的信號衰減。

惡劣環(huán)境/防爆設備的通訊

某些設備必須能夠抵抗高沖擊和高溫。NFC標簽可在廣泛的工業(yè)溫度范圍內使用，并且可以輕松嵌入環(huán)氧樹(shù)脂或硅樹(shù)脂中。

由于沒(méi)有連接器會(huì )引起靜電電弧，因此NFC非常適合用于可能存在易燃氣體的防爆設計。

NFC標簽可以通過(guò)一層鐵氧體直接放在金屬上；通常，這些標簽采用防金屬標簽或金屬標簽的名稱(chēng)。在遠場(chǎng)無(wú)線(xiàn)通信難以穿透完全密封的金屬外殼的情況下，NFC的磁耦合可以繼續工作。

工業(yè)應用可能會(huì )發(fā)現意法半導體（STMicroelectronics）的ST25DV系列是理想的選擇，溫度范圍為-40°C至85°C，在125°C的溫度下最多可寫(xiě)入400k EEPROM。

診斷和配置界面

產(chǎn)品通常具有一個(gè)供用戶(hù)使用的主界面和一個(gè)用于調試和維護的輔助界面。后者應盡量遠離用戶(hù)。輔助接口可以通過(guò)UART，隱藏的Web API，telnet或SSH連接來(lái)實(shí)現，但是實(shí)現此類(lèi)功能的所有便宜的方法都需要在產(chǎn)品內部放置專(zhuān)用連接。出于診斷目的，必須打開(kāi)或拆卸設備才能訪(fǎng)問(wèn)輔助通信接口可能會(huì )花費大量時(shí)間。將診斷或配置與用戶(hù)可訪(fǎng)問(wèn)的連接混合使用會(huì )提供潛在的安全漏洞。

可以使用NFC來(lái)實(shí)現簡(jiǎn)單的診斷界面，并且無(wú)需打開(kāi)產(chǎn)品即可對其進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。該接口可以輕松地受到密碼或加密密鑰的保護，并且可以通過(guò)NDEF記錄公開(kāi)所有相關(guān)的可配置參數。

在為數不多的實(shí)現安全功能的相關(guān)IC中，我們可以注意到NXP的NTA5332，因為它對電子工程師極為友好并支持AES加密標準。許多IC都采用類(lèi)似的措施，但其中許多更適合于智能卡。

與傳感器互動(dòng)

許多傳感器僅需要有限的電源和網(wǎng)絡(luò )連接，每周或每月收集一次數據。對于此類(lèi)設備，操作員點(diǎn)擊啟用NFC的傳感器可能是最方便的選擇。這可能與通過(guò)設施分布的日常檢查清單的一部分的傳感器特別相關(guān)，從而允許自動(dòng)輸入數據，同時(shí)仍然需要人工檢查設備/傳感器。

AMS的SL13A IC是專(zhuān)門(mén)為此角色設計的，它采用10位ADC以及高達3.4V和4mA的輸出功率傳感器和外部電路。如果與薄電池耦合，則這種IC對于環(huán)境數據記錄特別有用。

固件更新

實(shí)施固件更新非常困難。通過(guò)采用諸如LPC8N04之類(lèi)的NFC SoC，您可以引入一種低成本且廣泛兼容的方式來(lái)執行固件更新，技術(shù)人員和最終用戶(hù)都可以通過(guò)智能手機應用程序采用這種方式進(jìn)行固件更新。

恩智浦LPC8N04的功率收集功能還可以幫助在自動(dòng)重啟后的系統中實(shí)施固件更新，因為NFC SoC仍將由RF場(chǎng)供電。

更加自給自足的設計可以利用EM Microelectronics NF4極高的數據速率和64KB的內存。

您如何使用NFC？

如您所見(jiàn)，NFC的用途廣泛，從實(shí)施到技術(shù)支持，以及在充滿(mǎn)挑戰的環(huán)境中進(jìn)行通信。 

過(guò)去，在惡劣的環(huán)境中（爆炸性和腐蝕性蒸氣，高溫或劇烈振動(dòng)使傳統連接器的設計極具挑戰性），我已經(jīng)建立了精心設計的通信方式?；谶h場(chǎng)輻射的協(xié)議（例如WiFi或藍牙）由于外殼或安全性要求而不合適或沒(méi)有能力。NFC將為這些項目解決許多問(wèn)題；但是，必須提供或設計專(zhuān)門(mén)的閱讀器會(huì )破壞許多好處。

隨著(zhù)NFC閱讀器在現代智能手機中的普及以及智能手機應用程序開(kāi)發(fā)的便捷性，NFC現在已成為應對這些挑戰的可行選擇。它的多功能性帶來(lái)了廣泛的激動(dòng)人心的可能性，這些可能性以前是不可能實(shí)現的，或者實(shí)施起來(lái)成本很高。