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技術(shù)專題
NFC簡介
NFC雖然在許多方面與RFID相似，并且其歷史基于RFID，但它是一個獨立的概念。在RFID具有無源和有源標(biāo)簽的情況下，可以從相對長的距離讀取有源標(biāo)簽，而NFC就像其名稱所暗示的那樣，在電磁場的近場區(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。在最基本的級別上，NFC通常是兩個電感耦合設(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（可達(dá)1米），但我們稍后再講。
在NFC的最典型實現(xiàn)中，一個設(shè)備是主動設(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。主動設(shè)備通常使用讀取器的名稱，而被動設(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)；您可能會在日常生活中看到的最常見的NFC閱讀器是智能手機或支付終端。
近場通訊
在典型的RF通信中，發(fā)射天線將RF信號發(fā)射到自由空間中，要求至少λ/ 4（四分之一波長）的天線有效。當(dāng)兩個RF設(shè)備之間的距離超過2λ（兩個波長）時，例如，對于2.4GHz信號，約為245mm（10英寸）時，通?？梢韵嗷ネㄐ?。
NFC而是在λ/ 2以下（小于波長的一半）的空間近場區(qū)域內(nèi)通信。兩個近場設(shè)備用作纏繞在公共磁芯上的耦合電感或變壓器的兩個線圈。
NFC技術(shù)參數(shù)
由于NFC標(biāo)簽在近場中運行，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)場無線技術(shù)進行比較的方法。
工作距離
盡管在遵守標(biāo)準(zhǔn)的情況下，專用的點對點設(shè)備可以達(dá)到100Km以上，但估計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上運行時，會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(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)計限制為最大10厘米。
近場磁感應(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)場通信，以至于在13.56MHz（NFC最常見的頻率）的近場區(qū)域結(jié)束時，其能量水平比遠(yuǎn)場通信低10,000至1,000,000倍（-40dB至-60dB）。等效的故意遠(yuǎn)場發(fā)射機。
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達(dá)一米的距離；但是，實際上，即使不是全部，大多數(shù)智能手機也只能遵守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)代智能手機的無線規(guī)格中找到的一種測量單位。iPhone 11具有高達(dá)8GHz的通信頻率，而60GHz WiGig設(shè)備在市場上越來越受歡迎。NFC采用了不同的方法，降低了功耗，范圍，價格和頻率。
與廣泛的高速連接相比，有限的頻率加上短距離，使得NFC天線的實施相對沒有壓力。出于簡單或經(jīng)驗不足的考慮，明智的設(shè)計人員可能希望為藍(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的速度運行。即使連接上的數(shù)據(jù)速率如此有限，又有一些獨創(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)型號的NFC標(biāo)簽都包含100字節(jié)至1KB的內(nèi)存，盡管可用型號的內(nèi)存容量高達(dá)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
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，即使每個標(biāo)簽50c，也會很快變得不受歡迎。幸運的是，NFC的簡單性使標(biāo)簽和基本標(biāo)簽的生產(chǎn)變得容易，每個標(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，您會發(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。幸運的是，出于我們的理智，幾乎沒有從事主流NFC實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)表中會清楚說明每個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，可以進行基本的信息存儲和檢索。
標(biāo)簽類型4主要支持在存儲和檢索基礎(chǔ)上執(zhí)行計算的功能以及高級安全功能。最后，如果您需要長時間閱讀并允許用戶通過智能手機與標(biāo)簽進行交互，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，通常也會為您做出選擇，因為用于標(biāo)簽實現(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字節(jié)（最大2 Kbyte）的內(nèi)存，并且具有相對較慢的106kbit / s帶寬。典型的應(yīng)用包括貼紙，市場營銷，產(chǎn)品跟蹤，因此，這些標(biāo)簽對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)簽增加了對用于智能卡識別的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(biāo)簽類型一樣，客戶NFC設(shè)備（例如智能手機）的最大長度限制為10厘米，并且與更遠(yuǎn)的地方進行交互需要專門的閱讀器。
NFC互動的類型
NFC支持三種主要的通信模式：讀/寫，對等和卡仿真。
讀/寫模式
讀寫模式是NFC標(biāo)準(zhǔn)中最簡單，最常見的操作模式。NFC標(biāo)簽實現(xiàn)了一種存儲器，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ζ鞯膬?nèi)容。
定義非常簡單，但是與電子產(chǎn)品中的大多數(shù)簡單概念一樣，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，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，就像兩臺計算機訪問的數(shù)據(jù)庫一樣。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上某個地方的數(shù)據(jù)庫一樣。
對等模式
在對等模式下，兩個活動設(shè)備通過以下兩種方法之一相互通信。
一臺設(shè)備可以模擬為標(biāo)簽，而另一臺設(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)保持與智能手機的兼容性，因為智能手機本身可以充當(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)議來實現(xiàn)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)議旨在允許在兩個類似于BSD套接字的活動設(shè)備之間進行任意靈活的通信，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NFC連接快速移植現(xiàn)有協(xié)議，例如Modbus，RS485，CAN，LIN或UART，從而實現(xiàn)新穎的通信方式。
通過LLCP協(xié)議交換數(shù)據(jù)的缺點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(gòu)建自定義NFC應(yīng)用程序，或者可以使用NFC來滿足項目要求而無需智能手機集成，那么如果需要近距離無線連接，LLCP可能就是您想要的。