電(diàn)路设计中实现NFC的想法

2020-08-23

NFC最常见的用(yòng)途之一是带外凭据共享。為(wèi)了共享WiFi凭据，用(yòng)户可(kě)能(néng)已经拥有(yǒu)适当配置為(wèi)其家庭WiFi网络的支持NFC的智能(néng)手机。通过NFC，他(tā)们可(kě)以与访问者共享凭据和SSID，而无需键入复杂的字母数字密码或进入他(tā)们尘土飞扬的路由器后面以读取标签。

第一次通電(diàn)时，许多(duō)廉价的WiFi设备的行為(wèi)就像WiFi接入点。如果要构建连接WiFi的设备，则还可(kě)以充当访问点以允许设备的初始配置。不幸的是，此功能(néng)不能(néng)很(hěn)好地被智能(néng)手机操作系统接受，因為(wèi)该设备无法提供互联网访问，并且与现代路由器相比，它显得不安全。最近，我不得不為(wèi)此奋斗，设置了机器人吸尘器。

NFC还可(kě)以用(yòng)于為(wèi)音频设备配置蓝牙连接，使用(yòng)户可(kě)以仅使用(yòng)一个“ tap”（而不是： 

在智能(néng)手机上启用(yòng)蓝牙 

打开设备電(diàn)源 

在设备上启用(yòng)配对 

打开设置 

等待蓝牙扫描并找到设备 

配对设备

NFC消除了手动输入WiFi凭据所带来的复杂性，减少了错误，改善了用(yòng)户體(tǐ)验，并且无需重置设备即可(kě)轻松进行重新(xīn)配置。第一次开始使用(yòng)您的设备时，用(yòng)户體(tǐ)验的改善可(kě)能(néng)会给您留下良好的第一印象。

具有(yǒu)WiFi功能(néng)的应用(yòng)程序通常需要相当多(duō)的计算能(néng)力。因此，Realtek的RTL8195AM可(kě)能(néng)非常适合，它具有(yǒu)ARM®Cortex™-M3 CPU和集成的WiFi和NFC。

诸如Nordic Semiconductors nRF52832，NXP的QN9090和QN9030之类的众多(duō)蓝牙SoC具有(yǒu)集成的NFC。

固定安装的直观设备调试

通过网状协议（例如ZigBee或Bluetooth Mesh）进行通信的许多(duō)设备可(kě)能(néng)需要更高一级配置才能(néng)加入网络。接触隐藏的按钮或安装在墙壁上的電(diàn)源循环设备，例如开关，夜灯和PIR传感器，可(kě)能(néng)会有(yǒu)些麻烦，尤其是如果我们想在第一次采用(yòng)后对其进行重新(xīn)配置。 

在電(diàn)工实际安装此类设备后，可(kě)以将NFC用(yòng)于测试和配置，而不会在早期部署阶段不必要地引入复杂性。通过与设备进行无線(xiàn)通信以执行配置和诊断，而无需使用(yòng)板载相对昂贵的IC的潜在不安全协议，您可(kě)以节省安装成本，而不会损害设备的安全性或实质上增加材料清单的成本。

对于此类应用(yòng)，意法半导體(tǐ)ST25DV-I2C凭借其易用(yòng)性，低成本和直观的I2C界面可(kě)能(néng)是一个理(lǐ)想的选择。

仍然打包时配置无電(diàn)设备

制造后配置设备通常需要提供有(yǒu)線(xiàn)调试连接或临时无線(xiàn)网络。

NFC允许在仍处于包装状态时进行产品配置。例如，您可(kě)以直接在销售点预先配置带有(yǒu)用(yòng)户名的高端電(diàn)子礼物(wù)。 

根据其销售國(guó)家/地區(qū)，需要不同配置的電(diàn)子设备（例如，无線(xiàn)電(diàn)通信设备）可(kě)以在包装和质量检查之后配置。这样，您无需為(wèi)每个目的地國(guó)家都保留单独的库存，而只需要一种产品：在后一刻对其进行配置，在其上添加标签，然后将其运送给客户或分(fēn)销商(shāng)。这样可(kě)以将即时生产和库存库存混合在一起，既可(kě)以节省大量资金，又(yòu)可(kě)以快速运送到任何地區(qū)。

该概念也可(kě)以与上述思想结合。它允许对设备进行预配置，而无需进行任何不必要的处理(lǐ)，然后再将其运送到安装现场，从而节省了现场应用(yòng)工程师的访问时间。

支持双端口存储器操作的广泛IC包括NXP的NT3H2111和STMicroelectronics ST25DV-I2C。

无線(xiàn)可(kě)编程修剪器

随时间流逝出现不必要漂移或生产/供应变化的模拟组件可(kě)能(néng)会在批量生产中极度受挫。该解决方案一直将组件的使用(yòng)限制在产品的特定子组件中，构建自定义夹具以提供電(diàn)源，测试并随后重新(xīn)校准产品。

一些制造商(shāng)的NFC标签IC提供多(duō)达两个可(kě)编程PWM输出。通过添加几个无源组件，PWM输出可(kě)以轻松转换為(wèi)模拟输出。

照明行业广泛采用(yòng)以优化和补偿LED模块中的各种参数，从而降低了具有(yǒu)此功能(néng)的IC的价格。可(kě)以快速采用(yòng)PWM输出来补偿模拟组件中的漂移或差异。另外，如果通信端口不足，可(kě)以通过使用(yòng)MCU中的ADC通道而不是I2C或SPI通信来使用(yòng)这些功能(néng)来编程基本产品功能(néng)。

提供PWM输出的NFC标签示例包括STMicroelectronics ST25DV-PWM和NXP的NTP5210，前者在448Hz时提供高达15位的分(fēn)辨率。

增强的设备支持/故障排除

许多(duō)嵌入式设备会产生错误代码，大多(duō)数产品具有(yǒu)正确实现的自诊断功能(néng)，但显示复杂消息的内存和用(yòng)户界面空间有(yǒu)限，因此无法向用(yòng)户提供多(duō)少信息。

在被扔掉或長(cháng)期遗忘在地下室的手册中查找错误代码始终是不切实际且令人讨厌的。由于产品故障，这只会使用(yòng)户可(kě)能(néng)已经感到沮丧。

通过动态生成NDEF记录，可(kě)以使用(yòng)NFC将用(yòng)户指向特定的网页（或应用(yòng)程序内容），例如http://support.company.com/product/error123。

弹出错误代码时，还可(kě)以自动显示其他(tā)内容，例如支持電(diàn)子邮件地址，网站或電(diàn)话号码。通过在设备上轻按智能(néng)手机来帮助用(yòng)户处理(lǐ)错误，您可(kě)以节省支持成本并提高用(yòng)户保留率。

假设您的产品具有(yǒu)用(yòng)于读取代码的内部调试接口，则可(kě)以使用(yòng)NXP的LPC8N04实施将这些代码转换為(wèi)可(kě)读URL所需的适度逻辑。

经济高效的无線(xiàn)電(diàn)源

由于无法满足EMC兼容性认证要求的风险，在许多(duō)项目中实施临时无線(xiàn)功率传输技术可(kě)能(néng)不可(kě)行。

NFC是目前仅使用(yòng)广泛采用(yòng)的技术来实现亚瓦特无線(xiàn)能(néng)量传输的便宜，最简单的方法。

知名度不高的制造商(shāng)Silicon Craft的SIC4310具有(yǒu)高达10mA和3.3V的输出，非常适合此类应用(yòng)。

与旋转设备通讯

想象以下情形：您有(yǒu)一个固定的设备，带有(yǒu)一个旋转的主體(tǐ)，上面装有(yǒu)一个设备。假设您要从固定侧与设备旋转组件上的设备进行通信。 

例如，您想将传感器放置在起重机或工业设备上。机電(diàn)接口在一定条件下无法長(cháng)时间可(kě)靠运行，并且振动和工业环境条件会严重影响机械接口的使用(yòng)寿命。如果您试图在没有(yǒu)電(diàn)源的情况下传输数据，那么任何旋转的触点都会引入很(hěn)多(duō)虚假信号。 

使用(yòng)某种形式的无線(xiàn)電(diàn)通信似乎是好的主意，类似于安装在汽車(chē)轮胎上的压力传感器如何与車(chē)载计算机通信。 

NFC协议非常适合此应用(yòng)：NFC天線(xiàn)可(kě)以设计成螺旋形，在旋转轴上具有(yǒu)几乎完美的旋转对称性。如果传感器或设备的耗電(diàn)量有(yǒu)限，则使用(yòng)上面的无線(xiàn)電(diàn)源概念还可(kě)以使传感器/设备長(cháng)时间运行而无需更换電(diàn)池或為(wèi)電(diàn)池充電(diàn)。

恩智浦半导體(tǐ)提供了一个涵盖这种精确场景的开发套件PN5180。

通过防水屏障进行通讯

在连接器周围进行防水密封非常困难，尤其是在产品暴露于盐水，大量紫外線(xiàn)辐射会干燥和损坏O形圈的情况下，并且如果必须為(wèi)连接提供電(diàn)源，则增加了電(diàn)化學(xué)风险损伤。NFC不受此类问题的影响，并且NFC天線(xiàn)可(kě)以很(hěn)容易地隐藏在密封的塑料墙后面或嵌入硅树脂或环氧树脂灌封中。

进一步详细说明这一想法，NFC可(kě)用(yòng)于有(yǒu)效地通过少量水进行通信。我们使用(yòng)的大多(duō)数物(wù)理(lǐ)通信层都受到水的负面影响。由于连接器很(hěn)难充分(fēn)防水，因此使用(yòng)電(diàn)势进行通讯会使产品容易受到腐蚀，電(diàn)化學(xué)作用(yòng)和水的渗透。可(kě)见光或红外光用(yòng)于通讯几乎总是不可(kě)行的，因為(wèi)光会被水散射并吸收，即使并非所有(yǒu)频率的光都被均等地吸收。射频场被吸收，而電(diàn)场被屏蔽在盐水中。之所以存在2.4Ghz ISM频段，是因為(wèi)它在微波炉中加热食物(wù)中的水的有(yǒu)效性，因此存在WiFi和蓝牙。声波

NFC基于磁感应，因此可(kě)通过多(duō)种介质（包括适量的水）发挥出色的性能(néng)。

暴露在这些元素下的产品（尤其是密封的产品）不太可(kě)能(néng)接受维护，并且经常被设计為(wèi)易于安装和遗忘。用(yòng)作内存存储的NFC标签很(hěn)可(kě)能(néng)会使产品寿命更長(cháng)，可(kě)以在事后访问进行访问以进行诊断和故障分(fēn)析。

NFC克服非空气介质的能(néng)力必须通过实验进行测试；仅查找材料的导磁率是一个错误，因為(wèi)RF场是动态的（在13.56MHz处）而不是静态的。恩智浦NTA5332 IC具有(yǒu)有(yǒu)源负载调制功能(néng)，该功能(néng)主要用(yòng)于提高物(wù)理(lǐ)层的性能(néng)，从而允许使用(yòng)更小(xiǎo)的天線(xiàn)。这也可(kě)以补偿小(xiǎo)于理(lǐ)想条件下的信号衰减。

恶劣环境/防爆设备的通讯

某些设备必须能(néng)够抵抗高冲击和高温。NFC标签可(kě)在广泛的工业温度范围内使用(yòng)，并且可(kě)以轻松嵌入环氧树脂或硅树脂中。

由于没有(yǒu)连接器会引起静電(diàn)電(diàn)弧，因此NFC非常适合用(yòng)于可(kě)能(néng)存在易燃气體(tǐ)的防爆设计。

NFC标签可(kě)以通过一层铁氧體(tǐ)直接放在金属上；通常，这些标签采用(yòng)防金属标签或金属标签的名称。在遠(yuǎn)场无線(xiàn)通信难以穿透完全密封的金属外壳的情况下，NFC的磁耦合可(kě)以继续工作。

工业应用(yòng)可(kě)能(néng)会发现意法半导體(tǐ)（STMicroelectronics）的ST25DV系列是理(lǐ)想的选择，温度范围為(wèi)-40°C至85°C，在125°C的温度下最多(duō)可(kě)写入400k EEPROM。

诊断和配置界面

产品通常具有(yǒu)一个供用(yòng)户使用(yòng)的主界面和一个用(yòng)于调试和维护的辅助界面。后者应尽量遠(yuǎn)离用(yòng)户。辅助接口可(kě)以通过UART，隐藏的Web API，telnet或SSH连接来实现，但是实现此类功能(néng)的所有(yǒu)便宜的方法都需要在产品内部放置专用(yòng)连接。出于诊断目的，必须打开或拆卸设备才能(néng)访问辅助通信接口可(kě)能(néng)会花(huā)费大量时间。将诊断或配置与用(yòng)户可(kě)访问的连接混合使用(yòng)会提供潜在的安全漏洞。

可(kě)以使用(yòng)NFC来实现简单的诊断界面，并且无需打开产品即可(kě)对其进行访问。该接口可(kě)以轻松地受到密码或加密密钥的保护，并且可(kě)以通过NDEF记录公开所有(yǒu)相关的可(kě)配置参数。

在為(wèi)数不多(duō)的实现安全功能(néng)的相关IC中，我们可(kě)以注意到NXP的NTA5332，因為(wèi)它对電(diàn)子工程师极為(wèi)友好并支持AES加密标准。许多(duō)IC都采用(yòng)类似的措施，但其中许多(duō)更适合于智能(néng)卡。

与传感器互动

许多(duō)传感器仅需要有(yǒu)限的電(diàn)源和网络连接，每周或每月收集一次数据。对于此类设备，操作员点击启用(yòng)NFC的传感器可(kě)能(néng)是最方便的选择。这可(kě)能(néng)与通过设施分(fēn)布的日常检查清单的一部分(fēn)的传感器特别相关，从而允许自动输入数据，同时仍然需要人工检查设备/传感器。

AMS的SL13A IC是专门為(wèi)此角色设计的，它采用(yòng)10位ADC以及高达3.4V和4mA的输出功率传感器和外部電(diàn)路。如果与薄電(diàn)池耦合，则这种IC对于环境数据记录特别有(yǒu)用(yòng)。

固件更新(xīn)

实施固件更新(xīn)非常困难。通过采用(yòng)诸如LPC8N04之类的NFC SoC，您可(kě)以引入一种低成本且广泛兼容的方式来执行固件更新(xīn)，技术人员和最终用(yòng)户都可(kě)以通过智能(néng)手机应用(yòng)程序采用(yòng)这种方式进行固件更新(xīn)。

恩智浦LPC8N04的功率收集功能(néng)还可(kě)以帮助在自动重启后的系统中实施固件更新(xīn)，因為(wèi)NFC SoC仍将由RF场供電(diàn)。

更加自给自足的设计可(kě)以利用(yòng)EM Microelectronics NF4极高的数据速率和64KB的内存。

您如何使用(yòng)NFC？

如您所见，NFC的用(yòng)途广泛，从实施到技术支持，以及在充满挑战的环境中进行通信。 

过去，在恶劣的环境中（爆炸性和腐蚀性蒸气，高温或剧烈振动使传统连接器的设计极具挑战性），我已经建立了精心设计的通信方式。基于遠(yuǎn)场辐射的协议（例如WiFi或蓝牙）由于外壳或安全性要求而不合适或没有(yǒu)能(néng)力。NFC将為(wèi)这些项目解决许多(duō)问题；但是，必须提供或设计专门的阅读器会破坏许多(duō)好处。

随着NFC阅读器在现代智能(néng)手机中的普及以及智能(néng)手机应用(yòng)程序开发的便捷性，NFC现在已成為(wèi)应对这些挑战的可(kě)行选择。它的多(duō)功能(néng)性带来了广泛的激动人心的可(kě)能(néng)性，这些可(kě)能(néng)性以前是不可(kě)能(néng)实现的，或者实施起来成本很(hěn)高。