Rilevamento scheda con NFC e RFID Low-Power

Benvenuti a un nuovo appuntamento con la Rubrica Firmware Reload di Elettronica Open Source. In questa Rubrica del blog EOS abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi passati ancora di interesse per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. Molto spesso risulta necessario rilevare la presenza di una scheda affinché possa interagire o meno con i dispositivi periferici. In questo articolo, basato sul Rapporto Applicativo SLOA184 di TI, scopriamo le migliori tecniche a disposizione e i circuiti destinati a rilevare la presenza della scheda in applicazioni NFC e RFID di bassa potenza.

Introduzione

Quando si utilizzano le tecniche NFC e RFID in applicazioni alimentate a batteria, occorre compiere delle opportune scelte progettuali in modo tale da soddisfare sia i requisiti di basso assorbimento che quelli economici, legati al costo complessivo del sistema. Nell’articolo mostreremo una soluzione particolarmente innovativa ed efficiente per il rilevamento della presenza scheda proposta da Texas Instruments. Come vedremo meglio nel seguito, tale soluzione prevede l’aggiunta, ad un progetto già esistente, di un semplice circuito elettronico e di un opportuno anello di controllo implementato a livello firmware. Verranno inoltre presentati i vantaggi e gli svantaggi offerti dalle principali implementazioni relative ai lettori NFC e RFID alimentati a batteria, e la soluzione di TI basata sull’impiego del microcontrollore a 16-bit a bassissimo assorbimento MSP430 e della famiglia di dispositivi TRF79xxA (circuiti integrati per la lettura e scrittura rivolti espressamente ad applicazioni NFC e RFID). Le applicazioni in cui vengono utilizzati i sistemi NFC e RFID di bassa potenza sono molteplici e tra queste possiamo ricordare: sistemi di controllo degli accessi (utilizzati ad esempio per l’accesso del personale nelle strutture aziendali), serrature elettroniche per porte e varchi, misuratori “intelligenti” (utilizzabili nei sistemi di prepagamento, per consentire l’accesso da parte di personale tecnico autorizzato, oppure per consentire l’aggiornamento del firmware di un dispositivo), altoparlanti portatili, terminali portatili per il controllo dell’inventario, registratori portatili di dati e dispositivi medicali per la diagnostica. Tutte queste applicazioni sono accomunate da alcuni requisiti di base, che possiamo sintetizzare nella lista seguente:

  • il costo totale del sistema, che deve essere ottimizzato il più possibile;
  • la progettazione della parte elettronica, che deve essere eseguita in modo tale da poter essere utilizzata in tutti i paesi del mondo (impiegando, ad esempio, un sistema operante alla frequenza di 13,56 MHz e basato sulla famiglia di dispositivi TRF79xxA);
  • la progettazione meccanica, che deve garantire un prodotto robusto, sicuro, e con diversi livelli di protezione nei confronti degli atti vandalici;
  • semplicità di utilizzo: i sistemi basati sulle tecnologie NFC e RFID, per quanto complessi possano essere al loro interno, devono presentare un’interfaccia verso l’utente intuitiva, “user-friendly” e in grado di minimizzare i tempi di addestramento dei tecnici;
  • basso assorbimento: si tratta ovviamente di un requisito imprescindibile per le applicazioni alimentate a batteria, in grado di fare la differenza rispetto a soluzioni analoghe presentate dai diretti concorrenti.

IL SISTEMA DI SVILUPPO

La soluzione proposta da TI è stata sperimentata e validata utilizzando la piattaforma di sviluppo TRF79xxA (visibile in Figura 1).

Figura 1: TRF79xxA EVM

Figura 1: TRF79xxA EVM

Grazie a questo validissimo strumento è possibile valutare e verificare le prestazioni dei transceiver NFC/RFID TRF7960A e TRF7970A, validare il firmware sviluppato, progettare e verificare antenne personalizzate, e sviluppare dei transponder completi in grado di adattarsi alle esigenze delle singole applicazioni. Nel caso specifico, il lettore di schede è stato intenzionalmente alimentato alla tensione continua di 3V (anziché 5V), per dimostrare che nelle applicazioni alimentate a batteria si possono comunque ottenere delle prestazioni eccellenti.

TECNICHE DI RILEVAMENTO PRESENZA SCHEDA

Nell’ambito delle applicazioni RFID e NFC, sono oggi disponibili diversi tipi di tecniche volte a rilevare la presenza fisica della scheda. Analizziamo ora singolarmente ciascuna di queste tecniche, evidenziandone i principali vantaggi e svantaggi.

SISTEMI MECCANICI E OTTICI

In questi sistemi (vedi Figura 2) lo slot in cui viene inserita la scheda è provvisto di un interruttore elettromeccanico oppure di un sensore ottico in grado di rilevare l’interruzione di un fascio luminoso. In entrambi i casi è pertanto possibile rilevare l’inserimento della card e attivare la procedura di lettura della stessa. I vantaggi offerti da questa soluzione sono essenzialmente due: assorbimento di corrente molto basso ed estrema semplicità di utilizzo. Lo svantaggio è invece rappresentato dalle limitazioni offerte dal fattore di forma della scheda, e dal fatto che essa può essere danneggiata o resa inutilizzabile col tempo.

Figura 2: sistemi meccanici e ottici

Figura 2: Sistemi meccanici e ottici

RISUONATORE

Questa tecnica prevede di equipaggiare il lettore NFC/RFID con un risuonatore addizionale, oppure con un oscillatore, oppure ancora con un quarzo abbinato a una bobina risonante. Il microcontrollore abilita la generazione di un segnale emesso con impulsi molto corti (tra i 20 e i 50 μs) e misura poi l’eventuale attenuazione del segnale ricevuto dall’antenna. Tra i vantaggi rientrano sicuramente l’assorbimento, molto contenuto, e il fatto che non sono richiesti componenti meccanici addizionali. Il principale svantaggio, tuttavia, è che sono richiesti dei componenti elettrici aggiuntivi, in particolare:

  • due antenne (una per l’RFID e l’altra per il rilevamento della scheda);
  • un secondo oscillatore o quarzo con tempo di risposta molto ridotto;
  • conformità rispetto alle norme EMC, sia a livello di frequenze che di accuratezza;
  • rilevamento della distanza. Questo tipo di tecnica è rappresentata nello schema a blocchi visibile in Figura 3.
Figura 3: risuonatore

Figura 3: Risuonatore

Il segnale EN rappresenta il pin di abilitazione, collegato a uno dei GPIO dell’MCU. Il segnale prodotto in uscita dai blocchi oscillatore + amplificatore+ filtro viene inviato all’antenna secondaria (la quale deve essere in grado di gestire la frequenza di 13,56 MHz con livelli di potenza fino a +23 dBm), mentre il segnale sulla linea ADC permette di rilevare la presenza o meno della scheda.

SENSORE DI PROSSIMITÀ CAPACITIVO

L’antenna presente sul lettore NFC/RFID include anche delle aree utilizzabili da un sensore capacitivo. I sensori di prossimità capacitivi sono in grado di rilevare la presenza di oggetti nelle immediate vicinanze basandosi sulla loro proprietà di caricarsi elettricamente. Poiché anche gli oggetti non conduttori di corrente possono caricarsi elettricamente, con questo tipo di sensore è possibile rilevare la presenza di (quasi) qualsiasi oggetto. I vantaggi di questa soluzione (vedi Figura 4) sono la flessibilità a livello firmware, la possibilità di utilizzare tutti i tipi di schede NFC/RFID, e la facilità di ottenere una buona precisione nella rilevazione. Tra gli svantaggi rientrano l’elevato consumo di corrente ed il fatto che il sensore sfrutta il campo elettrico, mentre la scheda NFC/RFID il campo magnetico. Ciò può condurre a dei falsi positivi. Inoltre, sono comunque necessari dei componenti aggiuntivi.

Figura 4: sensore di prossimità

Figura 4: Sensore di prossimità

TRF79XXA

Si tratta della famiglia di lettori NFC/RFID di Texas Instruments, composta dai due dispositivi TRF7960A e TRF7970A (Figura 5).

Figura 5: TRF9xxA

Figura 5: TRF79xxA

Entrambi i componenti includono dei ricevitori integrati duali, ciascuno provvisto di un rilevatore RSSI (acronimo di Received Signal Strength Indicator). Normalmente, il dispositivo si trova in un loop di rilevamento RSSI, durante il quale esso genera i comandi di attivazione previsti dal protocollo e legge i corrispondenti valori RSSI (disponibili nell’apposito registro, omonimo). Basandosi sui valori letti da tale registro, la logica implementata nel firmware decide poi se generare dei comandi addizionali oppure se rimanere nell’anello di rilevamento RSSI. I vantaggi sono facilmente individuabili: nessuna necessità di componenti addizionali, flessibilità ottenibile attraverso il firmware, buona ampiezza di rilevamento e compatibilità con tutti i tipi di schede NFC/RFID. Lo svantaggio principale di questa soluzione, rispetto alle precedenti, è rappresentato da un maggiore assorbimento di potenza e una maggiore corrente di picco, cui si aggiunge una media risoluzione nel rilevamento.

LA SOLUZIONE ULTRA LOW-POWER (ULP)

La soluzione proposta da TI utilizza alcune delle tecniche viste in precedenza, ma il tipo di approccio è totalmente innovativo. L’idea è quella di combinare parte della soluzione basata sul risuonatore con il sistema lettore NFC/RFID basato sui componenti TRF79xxA e MSP430.

IL PRINCIPIO

Il sistema rileva la presenza di una scheda misurando il tempo di decadimento del segnale trasmesso a partire dall’istante in cui il trasmettitore viene spento. Se infatti una scheda si trova nelle immediate vicinanze, si genera come effetto un trasferimento di potenza, e la tensione misurata sul trasmettitore aumenta come effetto dell’incremento di corrente. Il sistema viene ottenuto aggiungendo o modificando qualche componente rispetto alla scheda originale TRF7970A, e utilizzando un comparatore interno all’MSP430. Il vantaggio di questa soluzione è quello di presentare un assorbimento molto ridotto, ottenuto attivando il trasmettitore in modo intermittente anziché continuo (tipicamente, vengono eseguiti tre cicli di polling ogni secondo). Nello stato a riposo, il TRF79xxA ha un assorbimento praticamente nullo, mentre l’MSP430 assorbe soltanto circa 0,8 μA.

Quando si trova nello stato attivo, nel quale si mantiene solo per alcuni millisecondi, il TRF7970A viene rapidamente abilitato, inizializzato, e viene trasmesso un burst di segnale della durata di circa 20 μs. Prima di spegnere nuovamente il trasmettitore, viene inizializzato il circuito comparatore di tensione e viene attivato un timer per la misura del tempo. Il timer rimane attivo sino a quando il comparatore genera un interrupt, indicando in questo modo il raggiungimento della soglia di tensione programmata. Il valore del timer indicherà a questo punto il tempo di decadimento del segnale. Tempi più lunghi indicano un trasferimento di potenza, e quindi la potenziale presenza di una scheda nelle immediate vicinanze. Per impostare correttamente il valore del timer occorre eseguire un apposito algoritmo di calibrazione automatica. In caso contrario, si rischierebbero di creare dei falsi positivi a causa delle variazioni dei valori di tensione di alimentazione e temperatura. L’algoritmo di calibrazione automatica consiste nel prendere il valore più alto presente nello storico dei valori, sommandogli una costante (THRESHOLD_OFFSET). Il valore ottenuto diventa la soglia utilizzata per discriminare la presenza o meno della scheda.

L’HARDWARE

In Figura 6 è visibile lo schema a blocchi della soluzione ad assorbimento ultra ridotto proposta da TI. Il cuore del circuito è rappresentato dalla scheda TRF79xxA EVM, mentre in colore blu sono evidenziati i componenti che sono stati aggiunti.

Figura 6: la soluzione ULP

Figura 6: La soluzione ULP

In Figura 7 possiamo invece osservare un “esploso” del blocco di rilevamento, caratterizzato dalla presenza del comparatore COMP_A (interno all’MSP430) e del Timer A.

Figura 7: il rilevatore

Figura 7: Il rilevatore

Il comparatore confronta il segnale di riferimento disponibile sul pin CA0 con il segnale proveniente dal trasmettitore (pin CA1). Si noti la presenza di un filtro passa basso di tipo RC proprio sul ramo del segnale CA1. L’uscita CAOUT del comparatore alimenta poi il modulo del Timer A, che quindi misurerà il tempo intercorrente tra i fronti di salita di CAOUT. In Figura 8 possiamo invece osservare lo schema dettagliato del modulo comparatore, la cui funzione principale è quella di indicare quale, tra le due tensioni presenti in ingresso (VCA0 e VCA1), è maggiore. Se VCA0 > VCA1, allora CAOUT = 1, altrimenti CAOUT = 0.

Figura 8: il comparatore

Figura 8: Il comparatore

ANALISI DEI SEGNALI

In Figura 9 sono rappresentati i principali segnali che agiscono nel sistema di rilevamento della presenza scheda: RF, MOD CONTROL, DEMOD e CAOUT. Il diagramma mostra un tipico ciclo del processo di rilevamento della presenza scheda.

Figura 9: i segnali in gioco

Figura 9: I segnali in gioco

Inizialmente viene acceso il trasmettitore, e viene conseguentemente attivata per un breve periodo la portante a radiofrequenza (RF1). Durante questo periodo il circuito RC si carica rapidamente e, allo spegnimento del trasmettitore, il condensatore C1 comincia a scaricarsi, mentre viene misurato il decadimento del segnale DEMOD (trasmettitore). Il periodo misurato dal timer corrisponde al tempo che intercorre tra l’istante in cui il trasmettitore viene spento (prima linea rossa punteggiata) e l’istante in cui CAOUT assume il valore logico alto (superamento della soglia CAREF), corrispondente alla seconda linea rossa punteggiata. In Figura 10 è visualizzato l’andamento dei segnali coinvolti in un ciclo completo di rilevamento della scheda (nel caso particolare di scheda presente).

Figura 10: scheda presente

Figura 10: Scheda presente

Inizialmente viene portato alto il segnale EN, che funge da abilitazione per il modulo TRF79xxA. Vediamo poi un breve periodo, necessario per configurare il TRF79xxA e attendere che esso si inizializzi correttamente. A questo punto il trasmettitore viene abilitato, e viene acquisito un campione della misura quando questo viene successivamente disabilitato. Si noti come il segnale DEMOD inizialmente diventi alto, per poi cominciare a decrescere. Infine, il pin EN viene portato basso ed il modulo entra in uno stato di riposo nel quale rimane sino al successivo periodo di misura. L’andamento visibile in Figura 11 si riferisce invece al caso in cui la scheda sia assente.

Figura 11: scheda assente

Figura 11: Scheda assente

IL FIRMWARE

Il diagramma di flusso relativo al main loop del firmware è visibile in Figura 12. Ricordiamo a questo proposito che il firmware completo dell’applicazione è liberamente scaricabile all’indirizzo: http://www.ti.com/lit/zip/sloa184.

Figura 12: schema a blocchi del firmware

Figura 12: Schema a blocchi del firmware

ASSORBIMENTI

In Figura 13 è visualizzato graficamente l’assorbimento di corrente durante ogni fase del ciclo di rilevamento della presenza scheda, nell’ipotesi che questo venga eseguito tre volte al secondo (quindi abbia una durata pari a circa 336 ms). Il numero di ripetizioni del ciclo per secondo può essere comunque facilmente modificato nel firmware. Il primo spike di corrente avviene quando i condensatori di bypass vengono istantaneamente caricati. Immediatamente dopo segue la fase di inizializzazione del TRF79xxA, e quindi il periodo di sleep. L’ultimo spike corrisponde invece al burst del trasmettitore RF, dopo il quale segue il periodo di campionamento.

Figura 13: gli assorbimenti

Figura 13: Gli assorbimenti

CONCLUSIONI

La tecnica di individuazione della presenza scheda descritta in questo articolo, basata sui dispositivi TRF79xxA e MSP430, permette ai progettisti di sistemi NFC/RFID di ottenere una soluzione a bassissimo assorbimento, particolarmente adatta per essere alimentata a batteria. Grazie alla presenza di un opportuno algoritmo di controllo firmware e all’algoritmo di calibrazione automatica, le variazioni di tensione o temperatura non possono più generare dei falsi positivi, riducendo anche gli assorbimenti. La soluzione presentata è stata testata con successo utilizzando schede e tag di vario tipo e forma (ISO15693, ISO14443A e ISO14443B).

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