Integrare velocemente un dispositivo NFC

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Introduzione

Molti di voi già sapranno cos’è la tecnologia NFC, ma per chi ancora non lo sapesse è utile fare un preambolo, non troppo tecnico, per comprendere meglio quali sono le caratteristiche e i recenti sviluppi di questa tecnologia, oggi diffusamente abbinata a prodotti come tablet e smartphone.

CENNI SULL’NFC

Nel 2004 Philips, Nokia e Sony fondano un consorzio per promuovere e stabilire gli standard della tecnologia NFC (Near Field Communication). Oggi questo consorzio conta oltre 150 membri. La tecnologia NFC può essere vista come evoluzione della tecnologia RFID (identificazione a radiofrequenza, Radio Frequency IDentification). Il principio di funzionamento è semplice: si sfrutta la comunicazione radio (sul canale a 13,56 MHz) tra due dispositivi: il lettore, che genera un campo elettromagnetico ed il tag che, eccitato da questo campo elettromagnetico, si attiva ed invia al lettore le informazioni in esso contenute. In realtà, il discorso è un pò più complicato. Esistono tag (che prendono anche il nome di trasponder) diversi tra loro ed essenzialmente si distinguono in due categorie: attivi e passivi. Per i tag passivi la complessità realizzativa è relativamente bassa: sono costituiti da un chip, contenente le informazioni, un substrato che funge da supporto, un’antenna, che ha la duplice funzionalità di alimentare il chip mediante il campo magnetico generato dal lettore e fungere da antenna per lo scambio di informazioni. Chiaramente, a causa della bassa tensione di alimentazione non si ha la potenza necessaria a trasmettere su distanze elevate. Quindi, il limite è di qualche decina di centimetri.

I tag attivi, invece, sono più complessi: oltre al chip e all’antenna hanno anche un modulo di alimentazione che permette al dispositivo di trasmettere fino ad una distanza maggiore. La tecnologia NFC quindi permette una connettività wireless bidirezionale a corto raggio (indicativamente fino ad un massimo di 10 cm). Quando due apparecchi NFC (l’Initiator e il Target) vengono accostati entro un raggio di 4 cm, viene creata una rete peer- to-peer tra i due ed entrambi possono inviare e ricevere informazioni. L’ambito d’utilizzo più promettente per la tecnologia NFC è quello dei pagamenti da cellulare, non a caso ormai tutti gli smartphone di fascia alta contengono un lettore NFC. Ma i suoi campi d’impiego sono numerosi: si possono, ad esempio, scaricare dal PC, direttamente su un terminale mobile, prenotazioni alberghiere, ingressi a cinema, teatri, stadi, viaggi in treno o aereo, eccetera, per poi accedere ai relativi servizi avvicinando il proprio terminale ai chioschi elettronici in loco. Dai “chioschi” si potranno anche scaricare (e pagare) giochi, file MP3, video o software. Una delle applicazioni più recenti e promettenti relativamente alla tecnologia NFC è il pagamento “contactless” con i tag NFC integrati nelle carte di credito.

OBIETTIVO NFC

Proprio in relazione a quanto detto in precedenza relativamente al rapido sviluppo e diffusione della tecnologia NFC, esiste una opportunità, per chi realizza prodotti o dispositivi elettronici, di cavalcare l’onda dell’NFC e integrare all’interno dei loro design un metodo di comunicazione wireless verso gli smartphone. Per integrare in un dispositivo la tecnologia NFC, attualmente le soluzioni più diffuse sono quella di inserire un tag nel sistema o addirittura inserire un lettore NFC completo; ma entrambe le soluzioni servono semplicemente allo scambio del contenuto di un pezzo di memoria. Se quello che si vuole fare è una comunicazione con uno scambio dati bidirezionale, allora siamo lontani dall’obiettivo. Per ottenere queste funzionalità necessariamente gli sforzi aumentano ed è necessario scrivere del codice che consenta di ottenere tutto ciò. Tutto questo comporta un costo in termini di tempo di sviluppo; per questo in alcuni casi una soluzione rapida, già pronta e affidabile, è di gran lunga preferita.

COME L’NFC È IMPLEMENTATO OGGI

Proprio come un collegamento dati, un canale NFC può essere progettato per comunicare in due modalità. La prima è una comunicazione passiva, dove il dispositivo initiator (il lettore) fornisce il campo radio e il dispositivo target (il tag) risponde modulando questo campo. Il lettore a questo punto legge le informazioni che il tag racchiude nella sua memoria interna. Questo tipo di comunicazione è sufficiente per applicazioni dove l’intento è fare un’autenticazione o un’identificazione. Il secondo tipo di comunicazione è una comunicazione attiva, una completa comunicazione bidirezionale, in cui due dispositivi NFC si scambiano dati su un link half-duplex. Questo tipo di comunicazione può essere utilizzato ad esempio per scambiarsi file, informazioni di contatto, foto, etc. In questo caso la comunicazione dati è più versatile rispetto alla connessione ad un tag passivo, espandendo la possibilità di applicazione. Questo però comporta anche l’implementazione di un complesso stack di protocollo NFC da entrambi i lati del link NFC e la necessità che entrambi gli hardware siano dei lettori NFC. Questo significa, per chi vuole implementare tutto ciò, un costo supplementare, non solo di materiali, ma anche in termini di potenza, spazio e sforzi progettuali. Un lettore richiede la realizzazione di un'antenna più complessa rispetto ad un tag. Per realizzare un lettore NFC servono esperti in radiofrequenza e in EMC, nonché un tempo di sviluppo lungo. In aggiunta si deve considerare che il progetto di un lettore NFC non può essere autoalimentato da una sorgente “rinnovabile” perché l’antenna richiede un assorbimento di circa 200-300 mA quando trasmette il campo radio. Questo significa assorbire una considerevole quantità di energia dalla sorgente di alimentazione primaria (per esempio una batteria) o addirittura la necessità di avere una batteria dedicata. Ciò spiega perché in dispositivi a basso costo, gadget o sensori, una comunicazione attiva non viene implementata quasi mai, ma ci si limita alle applicazioni che consentono il semplice inserimento di un tag passivo.

LA SOLUZIONE NFIC

Se si vuole realizzare una comunicazione bidirezionale, come detto in precedenza, serve molto di più di un singolo tag conforme alla ISO 14443A. Una possibile soluzione è l’architettura NFiC, un acronimo creato dalle parole “NFC interface IC”, prodotto dall'azienda Ams. Lo schema semplificato di Figura 1 mostra come l’architettura NFiC si inserisce nell’architettura di un sistema.

Figura 1: Architettura NFiC

Il suo progetto del circuito RF è molto simile a quello di un tag passivo e fa uso di un’antenna piccola e semplice; ma la cosa ancora più importante è che consente un'interfaccia NFC wireless, low-cost e bidirezionale controllata da un microcontrollore e completamente alimentata da energia rinnovabile. Vediamo in dettaglio quali sono le caratteristiche salienti di questa architettura:

  • L’NFiC può essere usato per uno scambio dati bidirezionale
  • Il circuito RF è facile da progettare
  • L’NFiC non si “nutre” dell’alimentazione del sistema ma di “energia recuperata” con la quale può alimentare anche la MCU che la controlla
  • L’interfaccia tra la MCU e l’NFiC arriva fino ad un data-rate di 848 kbps
  • Poiche l’NFiC appare come un tag agli occhi della MCU, il suo stack di protocollo è solo una sottoparte dello stack completo richiesto fra due reader NFC
  • Come un tag, un dispositivo NFiC può essere certificato più agevolmente di un reader NFC

Un’implementazione dell’architettura NFiC risiede nel chip AS3953 della Ams e permette a qualsiasi dispositivo o gadget dotato di microcontrollore di offrire una comunicazione bidirezionale NFC. Uno schema a blocchi del dispositivo AS3953 è mostrato in Figura 2.

Figura 2: Schema a blocchi del dispositivo NFiC AS3953

Questo IC fornisce un front-end RF con un data framing integrato conforme alla ISO 14443, mentre dal lato MCU offre una interfaccia SPI. In aggiunta, dispone di un sistema di energy-harvesting e di gestione dell’alimentazione che lo rendono unico. A bordo ha anche una EEPROM, utilizzabile per memorizzare dei dati o per fornire un pattern di wake-up passivo. Il chip è stato progettato per creare un link veloce tra un dispositivo “reader compliant” con lo standard ISO14443A (PCD) e un microcontrollore. L’AS3953 viene passivamente alimentato grazie al campo magnetico generato dal dispositivo PCD e quindi non richiede un'alimentazione esterna continuativa. Ai terminali LC1 e LC2 del dispositivo va collegata l’antenna e va progettata come se si stesse utilizzando un tag passivo (PICC). Poiché è completamente compatibile con lo standard ISO 14443, richiede un protocollo NFC ridotto e può essere integrato con un minimo sforzo rispetto ad un lettore NFC completo. Dopo una fase iniziale di comunicazione dove viene superato il protocollo anticollisione previsto dallo standard, il PCD invia un comando di wake-up che sveglia il microcontrollore attraverso un interrupt. A questo punto l’AS3953 funziona come collegamento dati tra il microcontrollore e il PCD. Come detto in precedenza, l’AS3953 integra una EEPROM e questo aspetto lo rende ideale in applicazioni dove il PCD deve salvare dei dati, anche se il lato SPI non è alimentato, e successivamente letto dal microcontrollore. Oppure un’altra applicazione potrebbe essere quella dove il microcontrollore periodicamente esegue il log di dati in EEPROM, chip che il PCD potrà leggere successivamente anche quando il microcontrollore non è alimentato. Una tensione di alimentazione regolata è disponibile all’esterno dell’IC su di un pin e può essere utilizzata per alimentare ulteriore circuiteria, come per esempio il microcontrollore stesso o un sensore.

APPLICAZIONI POSSIBILI

Le applicazioni possibili per l’architettura NFiC ricalcano un pò quelli che sono attualmente i segmenti di mercato in cui la tecnica NFC sta prendendo piede, ovvero:

  • Smart card interattive e smart card con display
  • Etichette di scaffale elettroniche per il settore della grande distribuzione
  • Dispositivi medici
  • Dispositivi per il collegamento sicuro per il bluethooth o Wi-Fi
  • Elettronica di consumo
  • Programmazione passiva dei dispositivi, personalizzazione e attivazione (per settaggi regionali o durante la produzione)

STRUMENTI DI SVILUPPO

Per chi volesse iniziare a sviluppare con l‘AS3953, Ams mette a disposizione un demo kit, le misure disponibili sono 3 e sono mostrate in Figura 3.

Figura 3: Demo kit NFiC per AS3953

Il costo è di 20$ ed è abbastanza esiguo.

Articolo tratto dalla rivista cartacea Firmware Anno 2015 - Numero 109 -110

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2 Commenti

  1. Giuseppe Garofalo 27 Febbraio 2022

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