NFC简介

2020-07-18

NFC虽然在许多(duō)方面与RFID相似，并且其历史基于RFID，但它是一个独立的概念。在RFID具有(yǒu)无源和有(yǒu)源标签的情况下，可(kě)以从相对長(cháng)的距离读取有(yǒu)源标签，而NFC就像其名称所暗示的那样，在電(diàn)磁场的近场區(qū)域中起作用(yòng)。 

RFID仍然存在，并将在可(kě)预见的将来。NFC是RFID的直接发展，您也许可(kě)以考虑并行分(fēn)支。在最基本的级别上，NFC通常是两个電(diàn)感耦合设备，其通信是通过调制无源设备吸收的功率来执行的。无源RFID吸收RF功率，然后将其用(yòng)于将数据传输回读取器-有(yǒu)源RFID可(kě)以使用(yòng)其自身的電(diàn)源将数据传输回读取器。与NFC一样，规则总是有(yǒu)例外-5型NFC标签的工作距离更長(cháng)（可(kě)达1米），但我们稍后再讲。

在NFC的最典型实现中，一个设备是主动设备，在通信中充当主设备，并创建将為(wèi)无源从设备供電(diàn)的调制RF近场。主动设备通常使用(yòng)读取器的名称，而被动设备则称為(wèi)标签。标签的常见示例包括贴纸和嵌入式系统；您可(kě)能(néng)会在日常生活中看到的最常见的NFC阅读器是智能(néng)手机或支付终端。

近场通讯

在典型的RF通信中，发射天線(xiàn)将RF信号发射到自由空间中，要求至少λ/ 4（四分(fēn)之一波長(cháng)）的天線(xiàn)有(yǒu)效。当两个RF设备之间的距离超过2λ（两个波長(cháng)）时，例如，对于2.4GHz信号，约為(wèi)245mm（10英寸）时，通常可(kě)以相互通信。

NFC而是在λ/ 2以下（小(xiǎo)于波長(cháng)的一半）的空间近场區(qū)域内通信。两个近场设备用(yòng)作缠绕在公共磁芯上的耦合電(diàn)感或变压器的两个線(xiàn)圈。

NFC技术参数

由于NFC标签在近场中运行，因此技术功能(néng)和规格与您可(kě)能(néng)更熟悉的更传统的基于遠(yuǎn)场的无線(xiàn)技术完全不同。让我们看一下与NFC相关的一些有(yǒu)趣的技术数据，以及将其与遠(yuǎn)场无線(xiàn)技术进行比较的方法。

工作距离

尽管在遵守标准的情况下，专用(yòng)的点对点设备可(kě)以达到100Km以上，但估计2.4GHz WiFi设备的典型最大室外范围约為(wèi)50至75米。蓝牙设备在相同的2.4GHz WiFi上运行时，会折衷带宽以提高功耗，并针对5.0版本扩展到300米以上。LoRa设备的范围可(kě)以超过10Km，其功耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于这两种技术，并且带宽非常有(yǒu)限。

NFC受设计限制為(wèi)最大10厘米。 

近场磁感应通信系统（例如NFC）具有(yǒu)非常严格的功率密度。功率密度以与第六功率的范围的倒数成比例的速率衰减。这遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)场通信，以至于在13.56MHz（NFC最常见的频率）的近场區(qū)域结束时，其能(néng)量水平比遠(yuǎn)场通信低10,000至1,000,000倍（-40dB至-60dB）。等效的故意遠(yuǎn)场发射机。

像任何好的规则一样，这也有(yǒu)例外。使用(yòng)ISO-15693协议的NFC 5类标签可(kě)以通过专用(yòng)硬件读取長(cháng)达一米的距离；但是，实际上，即使不是全部，大多(duō)数智能(néng)手机也只能(néng)遵守10厘米的限制。一些高性能(néng)NFC天線(xiàn)允许读取距离不超过15厘米的标签，而在频谱的另一侧，一些较小(xiǎo)的标签将距离限制在2厘米左右。

减小(xiǎo)的距离导致用(yòng)户需要明确的物(wù)理(lǐ)动作以使协议起作用(yòng)。与WiFi和蓝牙的始终在線(xiàn)特性相反，NFC是唯一需要用(yòng)户采取有(yǒu)意识的操作才能(néng)使用(yòng)的唯一广泛的无線(xiàn)通信协议。

频率

MHz是人们无法期望在现代智能(néng)手机的无線(xiàn)规格中找到的一种测量单位。iPhone 11具有(yǒu)高达8GHz的通信频率，而60GHz WiGig设备在市场上越来越受欢迎。NFC采用(yòng)了不同的方法，降低了功耗，范围，价格和频率。

与广泛的高速连接相比，有(yǒu)限的频率加上短距离，使得NFC天線(xiàn)的实施相对没有(yǒu)压力。出于简单或经验不足的考虑，明智的设计人员可(kě)能(néng)希望為(wèi)蓝牙或WiFi采用(yòng)带有(yǒu)集成天線(xiàn)的模块。在NFC领域，如果您遵循IC的建议，则无论微小(xiǎo)的制造差异或附近的物(wù)體(tǐ)（例如在微波频率下），您的设计都可(kě)能(néng)表现良好。

数据速率

NFC标准支持的最大带宽為(wèi)424Kbit / s，约為(wèi)传统拨号56K连接速度的八倍。该限制使该标准在性能(néng)上可(kě)与蓝牙媲美，约為(wèi)4.0版本数据速率的一半。不幸的是，该标准有(yǒu)很(hěn)多(duō)开销，并且大多(duō)数设备通常以50Kbit / s的速度运行。即使连接上的数据速率如此有(yǒu)限，又(yòu)有(yǒu)一些独创性和创造力，应用(yòng)程序却无穷无尽。由于大多(duō)数标签上的内存相对有(yǒu)限，因此几乎不需要更高的数据速率。

记忆

大多(duō)数型号的NFC标签都包含100字节至1KB的内存，尽管可(kě)用(yòng)型号的内存容量高达64 KB。这些较大的存储容量通常用(yòng)于智能(néng)卡。

尽管此存储量听起来有(yǒu)些限制，但它允许大量8-16位（1-2字节）传感器读数或有(yǒu)关Tag所附着内容的数据。

当前抽奖

许多(duō)NFC IC提供能(néng)量收集输出，在较好条件下可(kě)提供约5mA的電(diàn)流。以下是对于小(xiǎo)于5mA的处理(lǐ)方法没有(yǒu)特别的建议：

為(wèi)外部传感器和模拟電(diàn)路供電(diàn)。就温度感测而言，带有(yǒu)嵌入式温度传感器的NFC IC已经广泛用(yòng)于跟踪易腐货物(wù)。

為(wèi)外部存储器供電(diàn)，其容量要大于NFC IC所提供的容量。

更新(xīn)電(diàn)子墨水显示。

给一块小(xiǎo)的锂電(diàn)池充電(diàn)。

给超级電(diàn)容器（電(diàn)解双层電(diàn)容器）充電(diàn)

价钱

NFC标签，标签和基本IC被广泛用(yòng)于资产跟踪，因此需要非常实惠。如果超市中的每件商(shāng)品上都贴有(yǒu)NFC标签，或服装店(diàn)中的每件服装，即使每个标签50c，也会很(hěn)快变得不受欢迎。幸运的是，NFC的简单性使标签和基本标签的生产变得容易，每个标签的成本在10c到50c之间，具體(tǐ)取决于體(tǐ)积。

阅读NFC标准时，您会发现它们已被构建為(wèi)支持多(duō)种现有(yǒu)标准和应用(yòng)程序。幸运的是，出于我们的理(lǐ)智，几乎没有(yǒu)从事主流NFC实施工作的電(diàn)子工程师都需要了解NFC标签类型的深度。所有(yǒu)现代智能(néng)手机都必须支持每种标签类型，以符合NFC标准。数据表中会清楚说明每个NFC IC的功能(néng)和特性，无论是有(yǒu)源还是无源，标签或读取器，贴纸或整个SoC。

标记类型2可(kě)以满足NFC论坛标记类型2的绝大多(duō)数NFC卡，不干胶标签和资产标签。通过NFC通信或用(yòng)于连接微控制器的I2C接口，可(kě)以进行基本的信息存储和检索。

标签类型4主要支持在存储和检索基础上执行计算的功能(néng)以及高级安全功能(néng)。最后，如果您需要長(cháng)时间阅读并允许用(yòng)户通过智能(néng)手机与标签进行交互，则将需要标记类型5。

如果您要為(wèi)自定义应用(yòng)程序构建阅读器，则您使用(yòng)的标签类型很(hěn)可(kě)能(néng)取决于应用(yòng)程序以及可(kě)以購(gòu)买的标签，而不是选择特定的标签类型。如果要构建自定义标签，通常也会為(wèi)您做出选择，因為(wèi)用(yòng)于标签实现的NFC IC将确定标签类型。

NFC论坛标记类型1

如数字所示，NFC 1类标签是所有(yǒu)NFC标签类型中最简单，非常便宜的。典型的Type 1标签支持只读或一次写入操作。但是，可(kě)以使用(yòng)具有(yǒu)R / W功能(néng)的模型，它们通常具有(yǒu)大约一百个字节（最大2 Kbyte）的内存，并且具有(yǒu)相对较慢的106kbit / s带宽。典型的应用(yòng)包括贴纸，市场营销，产品跟踪，因此，这些标签对于普通電(diàn)子工程师来说意义不大。

NFC Type 1标签采用(yòng)的标准是ISO-14443A。

NFC论坛标签类型2

与Type 1标签类似，NFC Type 2标签在只读和读写应用(yòng)程序中仅支持ISO-14443A。许多(duō)2型IC提供能(néng)量收集功能(néng)以及与外部微控制器的I2C连接。但是，类型2标签普遍用(yòng)作贴纸，卡片和票证。

如上所述，Type 2标签是市场上最常见的标签，其形状和尺寸范围很(hěn)广，可(kě)用(yòng)于粘贴到電(diàn)缆扎带的标签。

NFC论坛标记类型3

基于Sony FeliCa协议的Type 3标签主要在日本和亚洲使用(yòng)。在日本相关市场中，此标签类型经常用(yòng)于電(diàn)子货币，身份证明，公交票和类似应用(yòng)。该标准在國(guó)际電(diàn)子商(shāng)品中的采用(yòng)受到限制，其主要用(yòng)途包括支持旧版应用(yòng)程序。

NFC论坛标签类型4

与ISO-14443A和ISO-14443B协议兼容的Type 4标签增加了对用(yòng)于智能(néng)卡识别的ISO-7815标准的支持。这些标签可(kě)以修改其内存中包含的数据，并且通常用(yòng)于安全性，标识和支付应用(yòng)程序。

NFC论坛标记类型5

Type 5标签是要发布的最新(xīn)规范。底层物(wù)理(lǐ)层与所有(yǒu)其他(tā)NFC标签类型不同，因為(wèi)它基于RFID技术（ISO-15693）而不是ISO-14443A，从而允许最大1.5m的读取距离。但是，像其他(tā)任何NFC标签类型一样，客户NFC设备（例如智能(néng)手机）的最大長(cháng)度限制為(wèi)10厘米，并且与更遠(yuǎn)的地方进行交互需要专门的阅读器。

NFC互动的类型

NFC支持三种主要的通信模式：读/写，对等和卡仿真。

读/写模式

读写模式是NFC标准中最简单，最常见的操作模式。NFC标签实现了一种存储器，其内容通常由NDEF（NFC数据交换格式）格式的数据组成。读取器可(kě)以读取或写入此类存储器的内容。

定义非常简单，但是与電(diàn)子产品中的大多(duō)数简单概念一样，它的用(yòng)途也非常广泛。

NFC标签具有(yǒu)完整的SoC（片上系统）功能(néng)或与外部微控制器连接时，通常不仅可(kě)以由读取器访问，而且可(kě)以由标签本身访问。在这种情况下，标签充当双端口内存，就像两台计算机访问的数据库一样。此外，标签本身可(kě)以由NFC读取器和/或辅助MCU供電(diàn)。因此，无论访问何处，Tag始终可(kě)以供電(diàn)，就像托管在Internet上某个地方的数据库一样。

对等模式

在对等模式下，两个活动设备通过以下两种方法之一相互通信。

一台设备可(kě)以模拟為(wèi)标签，而另一台设备可(kě)以模拟為(wèi)阅读器。这种情况显然是主从解决方案。它非常适合系统中具有(yǒu)“智能(néng)”和“笨拙”部分(fēn)的情况，例如主微控制器通过物(wù)理(lǐ)屏障与较小(xiǎo)的辅助MCU通信。此模式还允许系统保持与智能(néng)手机的兼容性，因為(wèi)智能(néng)手机本身可(kě)以充当读取器，而嵌入式设备可(kě)以充当标签。

通过称為(wèi)LLCP（逻辑链路控制协议）的协议来实现对等网络是一种更抽象的方法，但也更加灵活连接。LLCP协议旨在允许在两个类似于BSD套接字的活动设备之间进行任意灵活的通信，并且许多(duō)嵌入式和Unix程序员都熟悉这种协议。独特的是，LLCP协议允许通过NFC连接快速移植现有(yǒu)协议，例如Modbus，RS485，CAN，LIN或UART，从而实现新(xīn)颖的通信方式。

通过LLCP协议交换数据的缺点是缺乏对智能(néng)手机的支持，只能(néng)将其委托给嵌入式到嵌入式通信或嵌入式到PC。如果您要构建自定义NFC应用(yòng)程序，或者可(kě)以使用(yòng)NFC来满足项目要求而无需智能(néng)手机集成，那么如果需要近距离无線(xiàn)连接，LLCP可(kě)能(néng)就是您想要的。