需要NFC/RFID吗?未来不再遥远(下)

摘要：本文给出了NFC技术给出常见的电路，展示OEM在便携式电子产品中实现新型非接触式NFC/RFID功能。利用电路，

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关键词：NFC；读卡器；无源标签认证

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.10.019

高速数据传输，无需外部微控制器

MAX66242无源标签是I2C至NFC/RFID协议转换器网关。标签的I2C端口可作为主机端口或从机端口进行数据交换。在图3所示应用中，NFC/RFID读卡器可访问基于I2C的电子元件，后者直接连接至MAX66242。所以不需要附加微控制器（例如安装在传感器卡上）即可访问数据。

如上所述，IC集成的32字节SRAM缓存器有助于加快I2C至HF数据传输。与必须通过其EEPROM单元传输数据的方案类似，示例中的MAX66242利用其SRAM缓存器管理此类传输。SRAM的访问时间比EEPROM快，这是相对于其它方案的一项优势，加速系统的总体事务处理。

IC也提供可编程输入/输出（PIO）引脚，实现多功能用途，包括在特定应用中中断便携设备的微控制器。该PIO引脚可配置作为RF Busy或RF-Access-In-Progress报警信号。报警信号的一项极好用途是在出现13.56MHzHF电磁场时唤醒正在休眠的嵌入式系统。简而言之，该多功能PIO引脚提供更好的控制系统数据流的途径。

能量收集，提高灵活性和扩展性

能量收集非常有用，使MAX66242成为高度灵活、可扩展的方案，适用于宽范围NFC/RFID应用。

IC作为通用无源标签，不要求外部供电；仅消耗极低功率即可工作，大约50μA，或根据支持的功能略有变化。标签从读卡器的13.56MHz HF电磁场收集能量。针对高效、优化链路正确构造和调谐天线时，无源标签获得的能量远高于本身所需的功率。剩余能量往往被分流至地。相反，在MAX66242中，整流器未使用的收集能量可通过IC的VOUT引脚输出到IC的外部电路。即收集能量可用于IC供电，如温度传感器，也用于从该传感器中采集温度转换数据。IC的VOUT引脚可配置为提供1.8V或3.3V（典型值）电压，磁场足够强时，可配置电源输出提供高达5mA电流。

优化天线设计，最大程度提高功率和效率

只有实现最优的RF电路设计，最大程度传输RF能量时，无源标签的能量提取方法才更有效。读卡器与标签天线线圈之间的能量传输效率很大程度上取决于谐振电路的精度和/或天线调谐方式。天线线圈之间能量的有效吸收或传递是靠电谐振实现的。此时，使MAX66242标签的天线线圈及其调谐电容在13.56MHz工作频率下产生谐振是关键。

天线设计原理相对简单、明确。必须在PCB（或内层基片）上构建标签的天线电感（LINDUCTOR），使其与片上调谐电容（CTUNING）相匹配，实现13.56MHz的IC谐振。所以，所有电容和电感电抗之和必须为零。当LCw2= LC（2πf）2=1 （with f= fRES）时，满足该条件。这在理论上表示流入MAX66242标签的能量流（IRF流）达到最大，或者说阻抗达到最小。由此得到式1中的谐振频率fRES和LINDUCTOR。

式1，PCB上集成的外部天线电感（LINDUCTOR）必须与标签的内部调谐电容（CTUNING）相匹配，使电路谐振点为13.56MHZ。

满足上式，意味着调谐电路发生谐振。式1也可以作为已知CTUNING值时计算实际LINDUCTOR的例子。计算得到L值后，设计者将构建外部天线，得到L值。实现以上条件后，说明天线设计已经使LC环路接收到的电流最大化。

值得注意的是，实际应用中，设计工程师总是通过设计NFC/RFID天线线圈，使真实系统的功率最大化。由于将标签安装在HF场中，往往存在标签“加载效应”。为考虑该加载效应，天线线圈设计师可能不得不将其设计在超调或欠调，即略微低于或高于13.56MHz的频率，使电路效率较高。关于如何构建天线，超出了本文的讨论范围。

在便携设备中嵌入NFC/RFID

客观地说，NFC/RFID正在开启可穿戴技术的市场大门。在物联网（IoT）大潮下，将涌现出越来越多支持传感器的嵌入式系统，通过网络上的各种系统收集用户的生物及其它数据；将会有非常多支持NFC/RFID的医疗和工业应用涌现出来，我们对其规模尚不得而知。

在讨论特定应用之前，首先了解一下嵌入式设计中支持NFC/RFID的基本电路结构（图4）。注意，系统需要具备与外部世界通信的途径。

图4中，I2C接口（SDL和SDA）和PIO信号（RF-AIP和RF-BUSY功能的多路复用线）是连接主机微控制器所必须的，RFID―VCC_ANABLE和SYS_ALERT_INT#信号可选。MOSFET Q1用于隔离。由于可通过RF和I2C接口访问标签内部的EEPROM，当主机微控制器必须在存在HF场的情况下进行连接时，Q1为标签供电。然而，可选的Q2利用电路板上的稳压VCC切换开漏（open-drain）SYS_ ALERT_INT#（这种情况下不安装R4）。

在设备原理图中利用该电路（图4）的各种变型，OEM产品可与任何NFClRFID读卡器或发起方系统进行通信。一旦电路板进入HF场，VOUT升高并导通Q2。开漏信号SYS_ALERT_INT#变为低电平，中断或唤醒主机微控制器，由此表示系统处于HF场中。然后主机微控制器将RFIDVcc_ANABLE驱动为逻辑高状态，将MOSFET Q1导通。此时，主机微控制器即可与产生HF场的NFC/RFID读卡器交换数据。同样，MAX66242的Vcc引脚不需要连接电源，因为IC的内部电路由从HF场收集的能量供电。然而，Vcc引脚如图4所示连接，所以主机微控制器能够在没有HF场的情况下访问IC。就像有线至无线转换器一样，I2C信号将数据传输至外部。数据流由RF-AIP （RF-Access-In-Progress）引脚控制，也与RF-BUSY引脚多路复用。

该NFC/RFID标签IC带有集成调谐电容。电路中所示的外部调谐电容CEXT-TUNE可选。然而，CEXT-TUNE电容为设计者提供了重新快速调谐系统的途径，取决于标签所处环境下的加载效应。

NFC/RFID标签催生新应用

如上所述，NFC/RFID有望催生工业和医疗领域的新型市场。其中部分新应用包括自动设备配置（也称为行为设置）、使用次数设置、系统报警设置（例如系统唤醒）、从设备安全认证以及传感器标签实现等。

支持传感器的NFC/RFID标签一一传感器标签

NFC/RFID快速增长的一个领域是传感器标签。传感器标签是包含传感器IC的组件（例如插件），从用户行为及周围环境监测规定的物理参数（图5）。这些参数包括温度、压力、光、冲击、振动、湿度、加速度以及化学特性等。这些检测操作附加在标签的标准识别功能之外。安全传感器标签极具吸引力的一个特性是无需连线，即可收集和报告物理参数测量值。

传感器标签在医疗消耗品应用中的两个例子是：温度传感器和防晒指数传感器（SPF）。病人戴上一次性温度传感器标签后，护士无需接触病人即可测量体温。鉴于隐蔽的、危险的病毒传播问题，这种方式在一定程度上可以减轻或彻底避免医院或诊所内的交叉感染。按照相同的方式，SFP传感器标签可帮助沙滩上的游人正确使用防晒霜，避免太阳灼伤，用户只需利用智能手机读取SPF传感器即可。

传感器标签也有助于监测货物运输的完整性。例如，在运输贵重和/或易碎货物期间，冲击或振动传感器标签可测量发生的冲击。

本例中，MAX66242是此类应用的关键元件，创新设计可支持主机I2C端口。如果没有主机I2C端口，就需要小型微控制器收集温度转换数据，然后将数据写入到标签的存储器，随后由读卡器收集数据（图5）。

如上所述，传感器标签将模拟物理量转换（或变换）为数字输出。此时，MAX66242实际上是连接这些外部模拟参数转换与有用信息的桥梁或管道，用户可在智能电话或平板电脑的屏幕上读取信息。同样，使用该IC的传感器标签无需外部能源，而是使用其能量收集引脚VOUT作为传感器IC的电源。图6所示为典型的分立式传感器标签原理图。

诊断和错误数据收集解决长期稳定性问题

简而言之，MAX66242标签真正地支持嵌入式系统与支持NFC功能的便携式通信设备进行通信。NFC/RFID端口也可向服务人员提供报警，类似于汽车仪表盘上的“立即检修引擎”指示灯。

在嵌入式设计中实现了图4所示的电路结构后，系统即能够以无线方式与外部交换信息，包括诊断和误码校验、从失效电路收集数据、运行状态报警，以及其它系统配置/调试和校准数据。这种灵活性为OEM提供了终端产品的增值功能。

设计者可利用MAX66242储存对系统运行至关重要的诊断和故障数据。在系统“死机”后或未上电时，可上传该数据。这种系统健康和故障数据的收集是通过NFC/RFID标签的接口实现的。图7所示为典型的电源管理系统，其中每个负载点（POL）稳压器由公共电源管理总线（PMBus）进行配置和监测。PMBus仅仅是I2C总线的一种变体。系统正常工作期间，持续监测每个POL的关键工作参数。在持续监测模式下，系统管理器也可执行修正措施，以响应故障或工作报警。

利用该结构中的MAX66242，OEM可创建“瓶中信”或“黑匣子飞行记录仪”，可储存超容限参数（例如所有被监测故障保护电路的触发点参数）。现在，技术人员利用RFID/NFC读卡器读取发生故障之前记录的测量值。该数据也可用于随后预测特定的故障，帮助识别异常工作条件。附加的智能诊断故障功能有助于在下一代产品中预测、缓解甚至消除灾难性故障的根源。

NFC/RFID应用常见于工业控制和自动化领域的现场传感器和I/O卡。MAX66242标签允许调试传感器卡，同时设备在货架上可保持不上电。只是在安装之前，利用智能电话将模拟校准数据、关键参数或其它系统级信息下载到传感器或I/O卡上的标签中。所以，消费者可利用其智能电话购买特定设备点卡，然后利用智能电话应用程序（app）装载点卡，或通过便携式设备的NFC/RFID连接激活功能。

总结

最近几年，NFC/RFID技术的普及率已经大幅提高。因为这将使嵌入式平台向更多应用开放，催生了新兴的安全便携式通信应用；为OEM提供绝佳的商业机会。毫无疑问，随着该技术的快速发展，潜在应用也越来越多；NFC/RFID被认为是IoT的关键基石之一。

我们给出了以DeepCoverMAX66242安全认证为核心的NFC/RFIC应用电路。使用这种新方法，嵌入式便携系统很容易连接外部世界。OEM可增强其产品差异化。

参考文献：

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