Динамическая NFC-метка для скоростного обмена данными

Новая динамическая RFID-метка производства STMicroelectronics отличается от предшественников режимом скоростного обмена данными через внутренний буфер Mailbox, настраиваемым на разные события выводом индикации прерывания и выводом сборщика энергии, позволяющим организовать питание микромощных устройств за счет внешнего радиополя
787
В избранное

Динамическая NFC-метка для скоростного обмена даннымиПрименение беспроводных интерфейсов является особенно выигрышным в небольших устройствах и в случае малого объема передаваемых данных, то есть когда габариты разъемов сопоставимы с размерами устройств, и когда время передачи данных существенно меньше времени установления физического контакта между устройствами.

Одна из концепций интернета вещей (Internet of Things, IoT) предполагает создание и развитие интеллектуальной и интерактивной среды, в которой практически все устройства могут взаимодействовать между собой и с пользователями. Фактически, каждый из узлов IoT может как минимум обозначить свое присутствие, принадлежность к классу и типу. Взаимодействие между участниками IoT ведется посредством набора протоколов, так как характеристики питания устройств, их назначение и необходимость обмена данными различны.

С одной стороны, тотальное оснащение предметов и вещей беспроводными интерфейсами может показаться излишеством, с другой – это широкие перспективы адаптации жизненного пространства для людей, если речь идет о личном IoT, а также поддержка автоматизации складских помещений, торговых площадей, помощь в логистике товаров и услуг в бизнес-приложениях.

Технологии NFC (Near Field Communication) в IoT фактически играют роль «последней мили» (в данном случае – метров и сантиметров), обозначая и идентифицируя узлы, обеспечивая хранение данных. И все это – без собственного источника питания. Темпы роста рынка устройств с NFC на текущий момент – одни из самых высоких в сфере IoT.

NFC-решения от компании STMicroelectronics

Одна из ниш компании STMicroelectronics в сегменте IoT – EEPROM для статических и динамических меток (рисунок 1) и микросхемы-считыватели (рисунок 2).

Линейка EEPROM для статических и динамических RFID/NFC-меток производства STMicroelectronics

Рис. 1. Линейка EEPROM для статических и динамических RFID/NFC-меток производства STMicroelectronics

Линейка RFID-считывателей производства STMicroelectronics

Рис. 2. Линейка RFID-считывателей производства STMicroelectronics

В большинстве мобильных приложений, а также в областях складского учета, логистики, торговли наиболее актуальны так называемые динамические RFID-метки, в основе которых лежит EEPROM с двойным интерфейсом. Данный класс NFC-устройств имеет и беспроводной интерфейс, и возможность подключения к хост-системе по I²C-интерфейсу.

На текущий момент в линейке EEPROM STMicroelectronics для динамических меток присутствуют серии микросхем M24SR, M24LR и ST25DV.

Серия M24LRx [1] обладает достаточно большим радиусом действия, благодаря чему ориентирована на применения в системах мониторинга, производстве, ряде автомобильных приложений. Серия M24SRx [2] более ограничена в радиусе действия, но поддерживает структуры данных NDEF и ориентирована на приложения, активно взаимодействующие с пользовательскими устройствами, например, со смартфонами.

Новая серия беспроводной NFC/I²C-памяти ST25DV [3] поддерживает стандарты ISO15693 и NFC Type 5. Ключевым преимуществом ST25DV является режим скоростного обмена Fast data transfer, который реализуется через внутренний буфер 256 байт ОЗУ (Mailbox).

ST25DV может использоваться как в варианте обычной динамической NFC-метки, так и в качестве интерфейса для беспроводного обновления прошивки конечного продукта через RFID-протокол.

Серия NFC EEPROM ST25DVxx

В серии ST25DV представлены EEPROM объемом 4, 16 и 64 кбит (ST25DV04K, ST25DV16K и ST25DV64K, соответственно).

Со стороны хост-системы ST25DV управляется через I²C-интерфейс с тактовой частотой до 1 МГц. Микросхема имеет широкий диапазон рабочих напряжений – 1,8…5,5 В, позволяющий работать практически с любым типом источников питания и микроконтроллером. Поддерживается запись до 256 байт одновременно.

Беспроводной интерфейс поддерживает все типы модуляций и скорости передачи данных, предусмотренные в стандарте ISO/IEC 15693. Максимальная скорость чтения данных – до 53 кбит/с.

Благодаря встроенному полудуплексному 256-байтному буферу увеличена скорость обмена между беспроводным интерфейсом и I²C. Присутствует вывод для питания внешних устройств за счет сбора энергии, а также вывод индикации прерывания. Имеется встроенный управляемый по I²C интерпретатор команд радиоинтерфейса.

Микросхемы серии ST25DV выпускаются в корпусах S08N, TSSPOP8, UFDFPN8, WLCSP (10 выводов), UFDFPN12, представлены версии для трех температурных диапазонов:

  • -40…85°C;
  • -40…105°C (только для корпусов DFPN8 и UDFPN12);
  • -40…125°C (корпуса SO8N и TSSOP8, ограничения на радиоинтерфейс до 105°C).

Внутренняя структура ST25DVxx представлена на рисунке 3.

Внутренняя структура EEPROM ST25DVxx

Рис. 3. Внутренняя структура EEPROM ST25DVxx

Варианты распиновки ST25DVxx в различных корпусных исполнениях представлены на рисунке 4.

Варианты распиновки ST25DVxx в различных корпусных исполнениях

Рис. 4. Варианты распиновки ST25DVxx в различных корпусных исполнениях

Выводы SCL и SDA – сигналы I²C интерфейса, они требуют внешних подтягивающих резисторов. Выводы Vcc и Gnd – выводы внешнего питания.

Вывод LPD (Low Power Down), присутствующий в корпусах WLCSP (10 выводов), UFDFPN12, позволяет управлять встроенным регулятором 1,8 В. При его отключении максимальное потребление EEPROM может быть снижено до 1 мкА. Также в данных корпусах (в версиях ST25DVxx-JF) присутствует отдельный вывод VDCG, позволяющий подавать отдельное питание для линий ввода-вывода.

Вывод GPO является настраиваемым и может совмещать несколько функций. По умолчанию сигнал на этом выводе устанавливается при обнаружении поля считывателя (RF Field Change detector). В зависимости от настроек, GPO может реагировать на наличие активности по радиоканалу, завершению записи в память, операции по скоростной передаче данных.

В версиях ST25DVxx-IE GPO – вывод с открытым стоком. Он должен быть подтянут к питанию сопротивлением 4,7 К и выше. О наличии прерывания свидетельствует малый уровень сигнала на выводе. В ST25DVxx-JF GPO – активный КМОП-вывод. Он требует подключения вывода VDCG к питанию.

V_EH – выход «сборщика энергии», который позволяет при отсутствии питания, разрешенном режиме сбора энергии и наличии радиополя питать внешние устройства (в противном случае данный вывод находится в высокоимпедансном состоянии).

Свойства серии ST25DVxx

Ключевыми возможностями серии ST25DVxxx, отличающими ее от предшествующих серий, являются следующие:

  • режим быстрого обмена (fast transfer mode – FTM), который предназначен для бесконтактной передачи данных между внешним устройством и встроенной системой (хост-контроллером) посредством 256-байтного буфера, называемого «почтовым ящиком» (рисунки 5 и 6). Данный буфер доступен для чтения и записи как со стороны радиоканала, так и со стороны хост-контроллера по I²C. При активном режиме быстрого обмена ST25DVxxx работает практически как специфический беспроводной приемопередатчик;
  • настраиваемый вывод индикации прерывания – GPO, который в зависимости от текущей конфигурации может показывать наличие радиополя, активность беспроводного канала, окончание операций чтения-записи, появление данных в буфере-«почтовом ящике»;
  • вывод сборщика энергии, позволяющий питать микромощные устройства за счет собранной энергии внешнего радиополя, если такое возможно;
  • система управления сообщениями радиоканала, позволяющая в ряде случаев их игнорировать.
Передача данных через «почтовый ящик» от устройства с радиоинтерфейсом I²C-хосту

Рис. 5. Передача данных через «почтовый ящик» от устройства с радиоинтерфейсом I²C-хосту

Передача данных через «почтовый ящик» от I²C-хоста устройству с радиоинтерфейсом

Рис. 6. Передача данных через «почтовый ящик» от I²C-хоста устройству с радиоинтерфейсом

Управление данными и другими опциями микросхемы осуществляется установкой соответствующих значений в набор статических (значение сохранится по выключении питания) и динамических (значение не сохраняется при отключении питания) регистров:

  • для организации и защиты памяти данных – ENDAi, I2CSS, RFAiSS, LOCK_CCFILE;
  • для режима быстрой передачи – MB_WDG, MB_MODE;
  • для настройки отслеживания радиополя, режима работы вывода GPO – IT_TIME;
  • для настройки беспроводного канала – RF_MNGT, EH_MODE;
  • для конфигурации структуры устройства – LOCK_CFG.

Режим быстрого обмена

В режиме быстрого обмена ST25DV работает как своеобразный трансивер (приемопередатчик) между устройством с радиоинтерфейсом (как правило, в этой роли может выступать считыватель, смартфон, планшет, карт-ридер и так далее) и хост-контроллером, подключенном к памяти по I²C. При этом каждый из участников обмена может передавать сообщения. Режим обмена – полудуплексный. Каких-либо правил, регламентирующих процесс обмена на уровне микросхемы, нет – направление передачи будет зависеть от того, какая из сторон первой ее начнет. Обязательно наличие питания на микросхеме — режим быстрого обмена не может быть активирован только при питании памяти через радиоканал.

Для передачи данных от карт-ридера к хост-контроллеру в ST25DV должен быть активирован режим быстрого обмена, буфер должен быть свободен, и ридер должен первым осуществить запись в буфер.

I²C-хост оповещается о приходе данных изменением уровня на выводе GPO, если установлены соответствующие настройки. Хост также может следить за появлением данных в буфере обмена, периодически опрашивая регистр MB_CTRL_Dyn. После того как сообщение прочитано, буфер считается свободным (физически данные не стираются) и готовым к приему следующей порции данных (соответственно, предыдущие данные будут перезаписаны).

Устройство с радиоинтерфейсом должно опрашивать регистр MB_CTRL_Dyn, чтобы убедиться, что данные прочитаны и буфер свободен.

Средняя скорость передачи данных составит порядка 26 кбит/с и ограничена, в основном, скоростью радиоинтерфейса (считывание по I²C возможно на скорости до 1 Мбит/с).

Для передачи данных от I²C-хоста устройству с радиоинтерфейсом также должен быть разрешен режим быстрого обмена, буфер должен быть свободен и хост должен первым записать в него сообщение с данными. Устройство с радиоинтерфейсом должно опрашивать регистр MB_CTRL_Dyn для проверки наличия данных в буфере.

Средняя скорость передачи данных в этом направлении составит порядка 53 кбит/с.

Для исключения блокировок сторожевой таймер ограничивает доступность сообщения во времени: по истечению тайм-аута «почтовый ящик» считается свободным, биты в HOST_MISS_MSG или RF_MISS_MSG в регистре MB_CTRL_Dyn устанавливаются. Данные, содержащиеся в «почтовом ящике», не очищаются после чтения или запуска сторожевого таймера. Они все еще могут быть доступны для чтения до тех пор, пока не будет отключен режим быстрой передачи. Биты HOST_CURRENT_MSG и RF_CURRENT_MSG указывают источник текущих данных.

Линия GPO

Вывод GPO может быть использован для уведомления хост-контроллера о событиях, происходящих на радиоинтерфейсе, или о завершении операций ST25DVxxx. Возможно прямое управление GPO-выводом со стороны радиоинтерфейса посредством специальных команд.

ST25DVxxx поддерживает несколько режимов работы линии GPO:

  • RF_USER – режим, при котором уровень GPO контролируется командами, подаваемыми через радиоинтерфейс. Данный режим доминирует над всеми остальными событиями, способными повлиять на уровень вывода. Наличие прерываний может быть отслежено в регистре статуса IT_STS_Dyn, но они не изменяют уровень вывода;
  • в режиме RF_ACTIVITY вывод реагирует на события на радиоинтерфейсе;
  • при RF_INTERRUPT генерируется импульс заданной длительности (параметр IT_TIME) в ответ на настроенные события радиоинтерфейса или поступление команды;
  • при FIELD_CHANGE генерируется импульс заданной длительности (параметр IT_TIME) при появлении или исчезновении радиополя (поля считывателя). В случае пропадания поля импульс генерируется только при наличии напряжения питания Vcc;
  • в режиме RF_PUT_MSG импульс генерируется при успешной записи данных в буфер обмена со стороны радиоинтерфейса (выполнение команд Write Message и Fast Write Message);
  • при RF_GET_MSG импульс генерируется после успешного чтения данных из буфера обмена со стороны радиоинтерфейса (выполнение команд Read Message и Fast Read Message).
  • В режиме RF_WRITE импульс генерируется после завершения записи в EEPROM со стороны радиоинтерфейса.

Опция управления сообщениями радиоканала RF management

Данная функция позволяет управлять радиоинтерфейсом между считывателем и ST25DVxxx. За управление режимами отвечают статический регистр RF_MNGT и динамический регистр RF_MNGT_Dyn (значение которого может быть изменено в процессе работы).

RF_MNGT содержит два бита, – RF_DISABLE и RF_SLEEP, – которые воздействуют на режим работы с радиоинтерфейсом. Для работы без ограничений оба этих бита должны быть установлены на 0.

Определено три режима работы:

  • спящий режим (RF sleep) – при установленном бите RF_SLEEP коммуникации по радиоканалу запрещены, команды не интерпретируются, энергопотребление снижено;
  • режим запрета (RF disable) – RF_SLEEP = 0, RF_DISABLE = 1, радиоинтерфейс работает, команды интерпретируются, но не исполняются, ST25DV отвечает кодом ошибки 0Fh;
  • рабочий режим (RF normal) – RF_SLEEP и RF_DISABLE имеют значение 0, ST25DVxxx принимает и обрабатывает запросы, приходящие по радиоинтерфейсу (в том случае, если не выполняются операции по интерфейсу I²C).

При нужных настройках ST25DVxxx обеспечивает защиту пользовательской памяти и статических регистров конфигурации системы. Со стороны радиоинтерфейса и I²C-хоста доступ к этим защищенным данным возможен после открытия сеанса безопасности с помощью паролей. Права доступа ограничены в большей степени, когда сеансы безопасности закрыты, и в меньшей – когда сеансы безопасности открыты.

Динамические регистры и буфер обмена («почтовый ящик») не имеют средств защиты.

Развитие серии ST25DV

Ожидаемая новинка в данной серии – микросхема ST25DV02K-W1/W2 – будет дополнительно иметь выход ШИМ. Ее основные возможности:

  • до двух независимых ШИМ-выходов (в версии ST25DV02K-W2);
  • частота ШИМ: 448…31250 Гц;
  • разрешение по длительности активной фазы импульса: до 62,5 нс;
  • точность: ±10%;
  • отсутствие потребности во внешнем резонаторе;
  • возможность изменения параметров работы ШИМ как со стороны I²C-хоста, так и со стороны радиоинтерфейса.

Основное приложение для данной микросхемы – управление освещением и другими устройствами, в которых требуется организовать аналоговое управление с помощью ШИМ-сигнала.

Средства разработки и программная поддержка

Безусловно, компания STM не оставила серию ST25DV без программной поддержки. Она предлагает расширение X-CUBE-NFC4 для STM32Cube, предоставляющее собой полный набор драйверов и утилит среднего уровня для комфортной работы с NFC/RFID EEPROM (рисунок 7).

Программное обеспечение X-CUBE-NFC4 в инфраструктуре библиотек STM32Cube

Рис. 7. Программное обеспечение X-CUBE-NFC4 в инфраструктуре библиотек STM32Cube

Расширение работает поверх инфраструктуры STM32Cube, что позволяет применять его для любых котроллеров семейства STM32. Что не менее важно, предоставляются примеры программных проектов, демонстрирующих работу и особенности использования драйверов для ST25DV. Примеры ориентированы на совместный запуск отладочных плат NUCLEO-F401RE или NUCLEO-L053R8 с платой расширения X-NUCLEO-NFC04A1.

Основные возможности:

  • полный набор программного обеспечения среднего уровня для NFC/RFID EEPROM (ST25DV04K);
  • работа на любых контроллерах, поддерживаемых STM32Cube;
  • демонстрационные примеры:
    • управление ST25DV с ПК через USB-интерфейс;
    • настройка функции сборщика энергии (energy harvesting);
    • различные режимы работы вывода GPO;
    • управление режимами энергопотребления;
    • установка функции защиты;
    • работа с буфером обмена.

Также оценить достоинства серии ST25DV можно с помощью демонстрационной платы ST25DV-DISCOVERY. В ее составе – микросхема ST25DV04K с антенной и контроллером семейства STM32 с соответствующей прошивкой.

Устройство ST25DV04K представляет собой динамическую интегральную схему NFC/RFID с двойным интерфейсом, она включает в себя память EEPROM 4 кбит, может работать с интерфейсом I²C либо с помощью RFID-считывателя (13,56 МГц), либо с помощью телефона NFC. Вся техническая документация – электрические принципиальные схемы, список компонентов, гербер-файлы, драйверы и исходные тексты программ – доступны для скачивания на сайте www.st.com.

Заключение

NFC/RFID EEPROM серии ST25DV, помимо типовых приложений для данного класса устройств – аутентификации, систем доступа, логгирования событий, карт оплаты, – может быть своеобразным беспроводным интерфейсом в случае необходимости обновления прошивки готовых устройств, а также в других случаях, где требуется максимально быстрый обмен данными. Малое энергопотребление и функция сбора энергии позволяют использовать ST25DV как в батарейных, так и в абсолютно энергонезависимых устройствах.

Производитель: STMicroelectronics
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
STM32F105RBT6TR
STM32F105RBT6TR
STMicroelectronics
Арт.: 793263 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 48993 шт. от: 97 руб.
ARM Microcontrollers - MCU 32-Bit ARM Cortex 128kb Connectivity
STM32F105RBT6TR от 97,00 от 20 шт. 97,00 от 44 шт. 97,00 от 95 шт. 97,00 от 249 шт. 97,00
36993 шт.
(на складе)
12000 шт.
(под заказ)
M24LR04E-RMN6T/2
M24LR04E-RMN6T/2
STMicroelectronics
Арт.: 1048968 ИНФО PDF RD NRND DT
Доступно: 143127 шт.
Выбрать
условия
поставки
EEPROM память с I2C интерфейсом, объёмом 4 кбит, в корпусе SO-8 .
M24LR04E-RMN6T/2 от 97,82
143127 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
NUCLEO-F401RE
NUCLEO-F401RE
STMicroelectronics
Арт.: 1318067 ИНФО PDF RD
Доступно: 1465 шт. от: 1670 руб.
NUCLEO-F401RE  – отладочная плата на базе микроконтроллера STM32F401RE представляет собой гибкую платформу, позволяющую разработчикам реализовать собственные идеи и в кратчайшие сроки сделать прототип будущего изделия
NUCLEO-F401RE от 1670,00 от 3 шт. 1430,00 от 6 шт. 1290,00 от 12 шт. 1200,00 от 31 шт. 1140,00
8 шт.
(на складе)
1457 шт.
(под заказ)
M24SR02-YMC6T/2
M24SR02-YMC6T/2
STMicroelectronics
Арт.: 1320127 ИНФО PDF RD
Доступно: 75014 шт. от: 39.1 руб.
RFID Transponders 2-Kbit Dynamic NFC RFID tag EEProm
M24SR02-YMC6T/2 от 39,10 от 104 шт. 33,50 от 230 шт. 30,10 от 496 шт. 27,90 от 1304 шт. 26,50
1926 шт.
(на складе)
73088 шт.
(под заказ)
NUCLEO-L053R8
NUCLEO-L053R8
STMicroelectronics
Арт.: 1344935 ИНФО PDF RD
Доступно: 1659 шт. от: 1670 руб.
NUCLEO-L053R8 - отладочная плата на базе микроконтроллера STM32L053R8T6, представляет собой гибкую платформу, позволяющую разработчикам реализовать собственные идеи и в кратчайшие сроки сделать прототип будущего изделия
NUCLEO-L053R8 от 1670,00 от 3 шт. 1440,00 от 6 шт. 1290,00 от 12 шт. 1200,00 от 31 шт. 1140,00
12 шт.
(на складе)
1647 шт.
(под заказ)
ST25DV-DISCOVERY
ST25DV-DISCOVERY
STMicroelectronics
Арт.: 2607304 ИНФО PDF RD
Доступно: 919 шт.
Выбрать
условия
поставки
Демонстрационный набор на базе микросхемы  NFC/RFID  динамической  метки ST25DV04K
ST25DV-DISCOVERY от 4115,02
919 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ST25DV04K-IER6T3
ST25DV04K-IER6T3
STMicroelectronics
Арт.: 2607503 ИНФО RD
Доступно: 107309 шт. от: 54.5 руб.
RFID Transponders 4-Kbit Dynamic NFC/RFID tag NFC Forum type V with I2C interface, fast transfer mode and energy harvesting
ST25DV04K-IER6T3 от 54,50 от 75 шт. 46,80 от 166 шт. 42,10 от 358 шт. 39,00 от 940 шт. 37,10
200 шт.
(на складе)
107109 шт.
(под заказ)
ST25DV16K-IER6S3
ST25DV16K-IER6S3
STMicroelectronics
Арт.: 2607505 ИНФО
Доступно: 56771 шт. от: 97 руб.
EEPROM память с I2C, NFC интерфейсом, объёмом 16 кбит, в корпусе SO-8 .
ST25DV16K-IER6S3 от 97,00 от 42 шт. 83,00 от 93 шт. 75,00 от 200 шт. 69,00 от 600 шт. 66,00
191 шт.
(на складе)
56580 шт.
(под заказ)
ST25DV16K-JFR6D3
STMicroelectronics
Арт.: 2607507 ИНФО
Доступно: 60064 шт.
Выбрать
условия
поставки
EEPROM память с I2C, NFC интерфейсом, объёмом 16 кбит.
ST25DV16K-JFR6D3 от 42 шт. от 99,75
60064 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ST25DV64K-IER6T3
ST25DV64K-IER6T3
STMicroelectronics
Арт.: 2607508 ИНФО
Доступно: 57835 шт. от: 117 руб.
EEPROM память с I2C, NFC интерфейсом, объёмом 64 кбит, в корпусе TSSOP-8.
ST25DV64K-IER6T3 от 117,00 от 35 шт. 100,00 от 77 шт. 90,00 от 166 шт. 83,50 от 400 шт. 79,50
194 шт.
(на складе)
57641 шт.
(под заказ)
X-NUCLEO-NFC04A1
X-NUCLEO-NFC04A1
STMicroelectronics
Арт.: 2607730 ИНФО PDF RD
Доступно: 610 шт. от: 1230 руб.
Плата расширения для STM32 Nucleo на основе микросхемы ST25DV04K.
X-NUCLEO-NFC04A1 от 1230,00 от 4 шт. 1050,00 от 8 шт. 946,00 от 16 шт. 876,00 от 42 шт. 832,00
12 шт.
(на складе)
598 шт.
(под заказ)

Сравнение позиций

  • ()