Le soluzioni NFC Reader/Initiator per applicazioni multiple: payment, automotive, access control, consumer

La tecnologia Near Field Communication (NFC) è sempre più diffusa, con un fattore di crescita considerevole in vari campi applicativi del mercato globale. Uno dei più grandi vantaggi di questa tecnologia è il risparmio energetico rispetto ad altri protocolli di comunicazione wireless. STMicroelectronics dispone di varie soluzioni in grado di fornire un'offerta globale di prodotti IC e soluzioni in kit di sviluppo per l'implementazione della tecnologia NFC.

Introduzione

NFC definisce due tipi di dispositivi conosciuti come initiator e target. Come ci suggerisce il nome, l'iniziatore o initiator è il dispositivo che avvia la comunicazione, controllando anche gli scambi di dati. Il dispositivo di destinazione è quello che ha risposto alla richiesta dell'iniziatore e accettato la comunicazione. NFC initiator è, per esempio, un lettore RFID o un cellulare. In prossimità di un altro dispositivo NFC, si avvia una comunicazione e di conseguenza viene eseguita un'azione in accordo alle informazioni scambiate.  La serie di lettori ST25R HF della STMicroelectronics fornisce un supporto multiprotocollo per le comunicazioni NFC / RFID a 13.56 MHz come ISO / IEC 14443 tipo A o B, ISO / IEC 15693, ISO / IEC 1809, FeliCa e protocolli NFC forum.  Essi sono adatti per un'ampia gamma di applicazioni quali l'identificazione, la configurazione di un prodotto, il controllo di accesso, serrature e lettori di etichette industriali (Figura 1).

Figura 1: schema a blocchi di una comunicazione NFC readers con interfaccia SPI per il microcontrollore host

In particolare, i dispositivi ST25R39xx NFC Initiator associati con i microcontrollori STM32, forniscono una soluzione completa per le operazioni di pagamento e terminali POS; con le versioni ST25R3911B/12/13 conformi alle certificazioni EMVCo & PBOC, e le soluzioni ST25R3914/15 conformi, invece, allo standard di qualifica automotive AEC-Q100, ideali per applicazioni di avvio del motore e controllo di serrature e accesso.

La tecnologia NFC

NFC è un insieme di tecnologie wireless a corto raggio che richiede tipicamente una separazione fisica di meno 10 cm; funziona a 13,56 MHz ISO / IEC 18000-3 con velocità di trasferimento da 106 kbit / s a 424 kbit / s. L'iniziatore genera attivamente un campo di radiofrequenza che può alimentare un target passivo. I tag NFC contengono dati e sono in genere di sola lettura, ma con la possibilità di essere anche scrivibili. I tag possono inoltre memorizzare in modo sicuro (protezione con password) i dati personali come le carte di credito, dati di fidelizzazione, i PIN e contatti in rete. L'associazione NFC Forum definisce quattro tipi di tag che forniscono diverse velocità e capacità di comunicazione in termini di vari parametri quali configurabilità, memoria, sicurezza, conservazione dei dati e la resistenza alla scrittura. Come molti altri sistemi di comunicazione, la tecnologia NFC è costruita su una pila strutturata in strati funzionali, a partire da quello fisico fino all’implementazione software come illustrato nella Figura 2.

Figura 2: schema a blocchi dello stack NFC con alla base la struttura RFID

La prima peculiarità relativa a NFC viene fornita con il supporto della modalità di comunicazione P2P ovvero peer-to-peer. Questi sono il protocollo di controllo del collegamento logico (LLCP, Logical Link Control Protocol), e quello di scambio NFC-DEP (SNEP), come definito in ISO / IEC 18092. Gli strati più alti dello stack, i messaggi e le registrazioni NDEF sono specifiche proprie del protocollo NFC.  NFC Forum ha definito un formato di dati comune denominato appunto NFC Data Exchange Format (NDEF).

NFC Forum ha anche aggiunto alle specifiche il protocollo Simple NDEF Exchange (SNEP) per abilitare l'invio e la ricezione di messaggi tra due dispositivi abilitati che comunicano in modalità peer-to-peer. NFC impiega due codifiche differenti per trasferire i dati. Se un dispositivo attivo trasferisce i dati a 106 kbit / s, viene utilizzata una codifica Miller con il 100% di modulazione. In tutti gli altri casi, ad eccezione di NFC-B che usa la codifica NRZ, viene utilizzata la codifica Manchester con un rapporto di modulazione del 10%.

Nella codifica Manchester ogni elemento viene segnalato come transizione, non necessita di un sincronismo essendo auto-sincronizzante, permettendo, quindi, un’accurata caratterizzazione del flusso dati. I dispositivi NFC sono in grado di ricevere e trasmettere dati nello stesso tempo. In questo modo possono verificare la presenza di potenziali collisioni se la frequenza del segnale ricevuto non corrisponde a quella del segnale trasmesso. ISO / IEC 14.443-2 specifica l’indice di modulazione, tollerando valori dall'8% al 14%. La modalità di calcolo dell'indice di modulazione, così come la profondità di modulazione utilizzata, è mostrata in Figura 3.

Figura 3: calcolo dell’indice di modulazione per una comunicazione NFC

 

Figura 4: classi di antenna NFC

Il trasferimento dei dati tra il lettore NFC (dispositivo di polling) e l’ascoltatore (un tag o una smart card) è assicurato con la segnalazione e la codifica dei dati stessi. L'obiettivo della segnalazione è quello di distinguere in modo affidabile i vari stati binari. L'obiettivo della codifica, invece, è quello di organizzare gli stati binari al fine di formare un flusso di dati che possono essere interpretati in modo affidabile dal ricevitore.  La norma ISO / IEC 14443 definisce anche sei classi di antenna (figura 4), indicati anche nella norma ISO / IEC 15693. Per ogni dispositivo NFC, la progettazione dell'antenna deve essere studiata per garantire prestazioni ottimali in funzione dell'ambiente di destinazione. La grande antenna di classe-1 ha il fattore di forma di una smart card. Essa fornisce le migliori prestazioni per quanto riguarda il campo elettromagnetico RF.

NFC Initiator / HF Reader IC

ST25R3911B della STMicroelectronics è un dispositivo IC NFC Initiator / HF Reader altamente integrato con un range di alimentazione da 2,4 a 5,5 V che include un front-end analogico (AFE), un sistema di framing per ISO 18092 (NFCIP-1) initiator, ISO 18092 (NFCIP-1) active target, ISO 14443A/B reader, ISO 15693 e il lettore FeliCa.

FeliCa è un sistema di smart card RFID contactless di Sony, utilizzato in una vasta gamma di paesi come Singapore, Giappone e Stati Uniti. In primo luogo è stato utilizzato nel sistema di carte Octopus di Hong Kong. In accordo al funzionamento tipico NFC tra card e lettore, FeliCa non ha bisogno di una batteria per poter essere alimentato, sfruttando la capacità di raccolta di energia direttamente dal lettore di schede.

Attraverso l’AFE e un microcontrollore esterno è possibile personalizzare ed implementare altri protocolli come MIFARE. Il circuito integrato è ottimizzato per offrire flessibilità, prestazioni RF ottimali e soprattutto bassi consumi. Grazie alla tecnologia di taratura automatica dell'antenna (AAT), il dispositivo è ottimizzato per applicazioni con antenne ad azionamento diretto.

Figura 5: schema a blocchi del ST25R3911B

ST25R3911B (figura 5) include numerose caratteristiche che lo rendono molto adatto per applicazioni a bassa potenza. Esso integra diversi timer e un sensore capacitivo low power che può essere utilizzato per implementare il rilevamento di bassa potenza del transponder, misurando la capacità tra due patch di rame collegati ai piedini CSI e CSO. La presenza di una card può essere rilevata anche effettuando una misura di ampiezza o fase del segnale sul circuito LC Antenna, e confrontandolo con il riferimento memorizzato.  Durante la calibrazione viene memorizzata la capacità di riferimento (che rappresenta la capacità parassita dell'ambiente). Nel funzionamento normale la capacità viene periodicamente misurata e confrontata con il valore di riferimento memorizzato, se tali valori differiscono sensibilmente, viene inviato al controllore esterno un interrupt. Il trasmettitore contiene due blocchi driver push-pull identici collegati al pin RFO1 e RFO2. Questi driver guidano contemporaneamente il blocco LC Antenna. Al fine di trasmettere i dati, il livello di uscita del trasmettitore deve essere modulato. Sia la modulazione AM che OOK sono supportati. Il tipo di modulazione è definito impostando una serie di bit nel Auxiliary Definition Register, e altri come parametri di modulazione.

L'oscillatore a cristallo di quarzo può operare con 13.56 MHz e 27.12 MHz. All'avviamento, la transconduttanza dell'oscillatore viene aumentata per permettere un rapido startup dell'oscillatore. Il tempo di avvio varia non solo con il tipo di cristallo, ma anche in base ad altri fattori ambientali (temperatura, umidità etc). L'ampiezza dell'oscillatore viene misurata e un interrupt viene successivamente inviato al raggiungimento della stabilità dell’oscillatore. Il ricevitore esegue la demodulazione della sotto-portante transponder che si sovrappone sulla frequenza portante di 13,56 MHz. Esegue inoltre l’amplificazione, filtraggio passa banda e digitalizzazione dei segnali sotto-portanti. In applicazioni tipiche, i segnali RFI1 e RFI2 sono le uscite dei divisori capacitivi collegati direttamente ai morsetti della bobina (antenna). Questo concetto assicura che i due segnali di ingresso siano in fase con la tensione sulla bobina d'antenna (figura 6 e 7). AGC (Automatic Gain Control) è utilizzato per ridurre il guadagno come richiesto e mantenere il processo di demodulazione insensibile al rumore del sistema.

Figura 6: esempio di schema applicativo per antenna single sided

 

Figura 7: esempio di schema applicativo per antenna differenziale e filtro EMC

Per la demodulazione sono implementati un blocco PM e due diversi blocchi AM: un rivelatore di picco, e un mixer. Il rivelatore di picco è limitato in velocità e può funzionare per frequenze delle sotto-portanti fino a fc / 8 dove fc è la frequenza portante. Il suo guadagno di demodulazione è G = 0.7.  Il mixer AM ha un guadagno G = 0.55. Il blocco PM è un demodulatore mixer con uscite differenziali di 60 mV con cambiamento di fase del 1%. Il suo funzionamento è ottimizzato per le frequenze delle sotto-portanti fino a fc / 8 (1700 kHz).

Discovery kit per ST25R3911B

ST25R3911B-DISCO è un kit di sviluppo (figura 8) che implementa ST25R3911B NFC Initiator descritto nel paragrafo precedente, e consente all'utente di utilizzare diverse funzionalità dell'integrato. Una rappresentazione a blocchi è visualizzata in figura 9. La scheda è configurata per supportare vari standard di comunicazione quali ISO14443A / B, ISO15693, FeliCaTM e comunicazione AP2P.

Figura 8: il kit ST25R3911B-DISCO

 

Figura 9: schema a blocchi del kit ST25R3911B

Il kit permette di affrontare una vasta gamma di applicazioni come il controllo di accesso, ma anche nel settore della biglietteria, medicale, consumer e industriale, dove gli utenti necessitano di prestazioni RF ottimali, flessibilità e basso consumo energetico. L’hardware è formato da un sensore di bassa potenza capacitivo che può essere utilizzato come “wake-up” ultra-low power senza necessità del campo lettore. La tecnologia di taratura automatica dell'antenna (AAT) o Automatic Antenna Tuning consente il funzionamento vicino a parti metalliche e / o cambiamenti ambientali.  Un circuito AAT è un dispositivo collegato fra un trasmettitore radio o ricevitore e l'antenna per migliorare il trasferimento di potenza attraverso un'ottimizzazione dell'adattamento di impedenze. La scheda ST25R3911B-DISCO può essere collegata tramite USB ad un PC per una facile implementazione e programmazione. L’interfaccia UART supplementare e quella host I2C (figura 10) possono essere utilizzate per integrare la scheda direttamente in una configurazione esistente. Un'interfaccia utente grafica (GUI) che la STMicroelectronics mette a disposizione, consente una facile comunicazione con la scheda e permette all'utente di esplorare in maniera semplice le caratteristiche del IC ST25R3911B.

Figura 10: layout PCB della scheda ST25R3911B-DISCO

Conclusioni e considerazioni

I produttori di tecnologia NFC stanno entrando in un periodo molto importante con la relativa crescita del mercato. La capacità tecnologica per sostenere questo slancio e ottenere un corretto utilizzo dipende dalla sua capacità di fornire sempre una customer experience di successo. STMicroelectronics fornisce oltre ad un vasto portafoglio di soluzioni IC, anche kit di sviluppo per una facile implementazione della tecnologia NFC, attraverso un corredo hardware e software di facile gestione con esempi di codice per velocizzare il time-to-market del prodotto finale.

Finora, la consapevolezza dei consumatori ha minimizzato il suo assorbimento e di conseguenza il settore industriale ne ha risentito, probabilmente non valutando bene le capacità di questa tecnologia. NFC facilita lo scambio sicuro di dati a corto raggio, offrendo ai consumatori un elevato livello di convenienza, interattività, e la sicurezza con i loro dispositivi mobile. La comunicazione sfrutta il principio di induzione tra initiator e target. La corrente ad alta frequenza che scorre nell’antenna induce un campo magnetico che si estende attorno all'anello e si muove attraverso l'antenna dell'altra interfaccia NFC che si trova nelle vicinanze. Una tensione viene indotta nell'antenna che la rileva con il suo ricevitore.

Attualmente, il settore retail domina il mercato a causa della forte domanda di prodotti per l'automazione, dove NFC è la tecnologia chiave per molte applicazioni. Inoltre, l'industria automobilistica e commerciale sono attesi in crescita con il più alto CAGR tra tutte le altre industrie. La crescita di questi due settori è attribuita alla potenziale adozione di dispositivi intelligenti e alla facilità di comunicazione. Il crescente impiego della tecnologia NFC ha portato verso una maggiore realizzazione di terminali POS presso i punti di vendita al dettaglio per i pagamenti mobile contactless.

 

 

 

2 Commenti

  1. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 20 aprile 2017

Scrivi un commento

ESPertino è la nuova scheda per IoT compatibile ARDUINO.
Scopri come averla GRATIS!