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NFC的用例和工作原理

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随着芯片价格下落和全球市场扩张,NFC应用迅速成长。被动标签的价格下跌使得 使用NFC做存货管理,支付等应用变得流行。在本文中,我们描述了NFC技术如何工作,以及NFC如何使用,在何处使用的问题。

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Last edited: hamishwillee (13 Jun 2012)

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介绍

本文翻译自Inside NFC: Usages and Working Principles

近场通信(NFC)是短距离无线通信技术标准。NFC是为简单直观的在不同设备之间通信设计的。NFC基于无线电频率认证(RFID)技术。使用无线电磁场代替传统的直接无线电传输技术例如蓝牙。NFC要求物理接触或很靠近的情况下工作,由此获得安全性。NFC可以在手机上做很多有用的工作,例如结合电子钱包做支付,建立蓝牙设备之间的连接等。

NFC 设备的用例

NFC有很多用途,且发展迅猛。下面的图演示了我们可以使用NFC技术的多种途径。主要有3种用法。 Nfcusages.png

模拟卡片模式

在这种模式下,具有NFC功能的手机很像一个被外部读卡器读取的传统非接触智能卡。例如Visa卡上的一些保密数据写在手机的保密单元里,数据被外部读卡器读取,并发送信息以进一步操作。这使得不改变现有设施的基础上就可以使用NFC手机进行非接触的支付和票务业务。移动支付,票务访问控制等是这种用法的例子。

点对点模式

在这种模式下两台带NFC功能的设备可以彼此交换数据。两台设备都参与通信。如交换名片。当我们接触两台设备时可以互换名片。另一个例子是,可以通过接触来配对蓝牙耳机。第三个例子是NFC聊天应用,两台手机按NFC论坛的数据交换格式互相通信。

读/写模式

这种模式下,NFC设备(如手机)可以读写NFC标签(详见后面的章节)。NFC智能海报是一个例子。海报中嵌入NFC标签,其中写入了关于海报内容的更多信息,设备可以读取标签中的信息,以进一步操作。另一个例子时死案子设备代码。

许多专家相信96bit的电子产品代码(EPC),如下图所示,将会是下一代通用产品代码(UPC),现在为大家所熟悉的交易标识码是条形码。

Epc.png

NFC 如何工作

读取器(手机)产生的无线电频率(RF)正弦波传递能量给标签然后从标签中读取数据。NFC启动后,持续产生正弦波信号中心频率13.56MHz。如果有标签在正弦波产生的磁场扰动范围内,标签由磁场扰动获得能量,产生原正弦波反频率或改变频率属性的波。手机探测到这种改变,以知道附近有标签。RFID在很近的距离通信通常被称为近配对系统。近配对系统的范围通常是0到1厘米。这意味着标签挨着读取器或按在读取器上。这么近距离的好处是标签的电池厂可以发出很大的能量。这能量足以支持标签通信,而不需要内置电源。近配对也利于高度保密的场合。下图演示了NFC应用与NFC硬件之间的一些简单关系。
ApptoNFC.png

读取器

通常是基于一个微控制器(例如带NFC功能的手机),带一个能产生13.56MHz无线电频率的集成电路,带有编码器,解码器,天线,比较器,还有传输能量到标签,并读取反向散射中的调制信息的硬件。读取器持续产生射频信号,并观察收到的射频信号,读取其中的信息,下图演示了手机如何产生射频信号,标签天线如何获取能量。

Phonetag.png


标签

一个RFID设备包含一个硅基内存连接一个外部天线。标签自己不带电源。被动标签在读取器产生的电磁场中获得能量,然后开始发送调制信息。数据的调制(0,1的调制)是通过直接调制或FSK或相位调制来完成的。下图演示了NFC标签内部硬件,其中我们可以看到内存逻辑电路等。

Taghw.png

最常见的是“被动”标签(如上所示),因为其自身不带电源。被动标签由读取器的射频载波提供能量。 下面是标签的类型: 1)NDEF NFC-标签数据交换格式 2)Mifare 1k 标签

调制和数据传输

调制指修改信号特征的过程,调用一个载波来传输信息。NFC载波频率13.56MHz。要修改信号的特征包括振幅,频率和相位。 数据交流通过射频载波的调制过程来完成。在这个过程中,一列数据脉冲(1和0)被加到(混合到)载波上。数据流的时钟频率比载波慢很多。数据加到载波上后性质(振幅和/或频率和/或相位)被改变。手机侦测到改变,然后解码数据并发给下一步操作。
载波在天线中产生一个小的交流电(AC)。集成电路芯片上的整流器把交流电转换成直流电,然后用来给芯片提供电力,芯片随即“激活”。时钟分离器分离出载波的时钟脉冲,用这个脉冲来同步标签的IC电路和读取器的电路的逻辑,内存和调制单元。逻辑单元将在载波中的0,1分离出来与其内部程序中的数据流相比较,来决定如何回应(如果需要的话)。如果逻辑单元验证数据流有效,则访问内存单元的芯片唯一认证数据和其他存在内存中的用户数据。逻辑单元用时钟分离器脉冲解码这些数据。解码数据流输入到调制单元。调制单元将数据流和载波混合,通过电子调节天线在数据流率的反射性。电子调节的天线特征反射的RF被接收到。这调制了RF载波振幅如图所示。读取器侦测到调制载波的改变,发现了数据。下图显示了载波被简单的振幅调制加载了二进制数据。
Rfid-2.png
上图提供了一个简单的RFID标签的载波信号调制。其中1表示较高的载波,0表示较低的。读取器解调信号以发现数据了,注意数据还是呗编码的。读取器使用适当的解码器解码数据,然后发给手机上NFC栈上的下一步处理,最后交给我们的应用。

数据传输总结

1.读取器持续产生射频负载正弦波信号,始终观察调制是否发生。发现了电磁场调制意味着发现了一个标签。

2.标签进入读取器产生的射频场。一旦标签获得足够的能量,他处理载波并 加载数据时钟到一个输出晶体管,通常通过一个线圈输入。

3.标签的输出晶体管分流线圈,按照数据的时钟输出内存序列。

4.分流线圈使载波瞬时波动(回潮),使得载波的振幅有一个显著的变化。

5.读取器的峰值检测振幅调制数据,并将读取的比特流输入给解码或调制方法使用。

参考

1. http://www.eetimes.com/design/microwave-rf-design/4018928/Radio-Basics-for-RFID-Modulation-and-Multiplexing/
2. http://www.rfid-handbook.de/rfid/types_of_rfid.html
3. http://www.tutorialsweb.com/rfid/operation-of-rfid-systems.htm
4. NFC_Forum_Mobile_NFC_Ecosystem_White_Paper.pdf
5. Basic Concepts of RFID.pdf
6. EEOL_2009JUL17_RFD_DT_TA_01.pdf
7. http://www.developer.nokia.com/info/sw.nokia.com/id/bdaa4a0f-fcf3-4a4b-b800-c664387d6894/Introduction_to_NFC.html
8. Qt 开发
9. Qt Mobility 开发

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