电路设计中实现NFC的想法

2020-08-23

NFC最常见的用途之一是带外凭据共享。为了共享WiFi凭据，用户可能已经拥有适当配置为其家庭WiFi网络的支持NFC的智能手机。通过NFC，他们可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们尘土飞扬的路由器后面以读取标签。

第一次通电时，许多廉价的WiFi设备的行为就像WiFi接入点。如果要构建连接WiFi的设备，则还可以充当访问点以允许设备的初始配置。不幸的是，此功能不能很好地被智能手机操作系统接受，因为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，我不得不为此奋斗，设置了机器人吸尘器。

NFC还可以用于为音频设备配置蓝牙连接，使用户可以仅使用一个“ tap”（而不是： 

在智能手机上启用蓝牙 

打开设备电源 

在设备上启用配对 

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，改善了用户体验，并且无需重置设备即可轻松进行重新配置。第一次开始使用您的设备时，用户体验的改善可能会给您留下良好的第一印象。

具有WiFi功能的应用程序通常需要相当多的计算能力。因此，Realtek的RTL8195AM可能非常适合，它具有ARM®Cortex™-M3 CPU和集成的WiFi和NFC。

诸如Nordic Semiconductors nRF52832，NXP的QN9090和QN9030之类的众多蓝牙SoC具有集成的NFC。

固定安装的直观设备调试

通过网状协议（例如ZigBee或Bluetooth Mesh）进行通信的许多设备可能需要更高一级配置才能加入网络。接触隐藏的按钮或安装在墙壁上的电源循环设备，例如开关，夜灯和PIR传感器，可能会有些麻烦，尤其是如果我们想在第一次采用后对其进行重新配置。 

在电工实际安装此类设备后，可以将NFC用于测试和配置，而不会在早期部署阶段不必要地引入复杂性。通过与设备进行无线通信以执行配置和诊断，而无需使用板载相对昂贵的IC的潜在不安全协议，您可以节省安装成本，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，意法半导体ST25DV-I2C凭借其易用性，低成本和直观的I2C界面可能是一个理想的选择。

仍然打包时配置无电设备

制造后配置设备通常需要提供有线调试连接或临时无线网络。

NFC允许在仍处于包装状态时进行产品配置。例如，您可以直接在销售点预先配置带有用户名的高端电子礼物。 

根据其销售国家/地区，需要不同配置的电子设备（例如，无线电通信设备）可以在包装和质量检查之后配置。这样，您无需为每个目的地国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销商。这样可以将即时生产和库存库存混合在一起，既可以节省大量资金，又可以快速运送到任何地区。

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

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

无线可编程修剪器

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能会在批量生产中极度受挫。该解决方案一直将组件的使用限制在产品的特定子组件中，构建自定义夹具以提供电源，测试并随后重新校准产品。

一些制造商的NFC标签IC提供多达两个可编程PWM输出。通过添加几个无源组件，PWM输出可以轻松转换为模拟输出。

照明行业广泛采用以优化和补偿LED模块中的各种参数，从而降低了具有此功能的IC的价格。可以快速采用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，可以通过使用MCU中的ADC通道而不是I2C或SPI通信来使用这些功能来编程基本产品功能。

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位的分辨率。

增强的设备支持/故障排除

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

在被扔掉或长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，这只会使用户可能已经感到沮丧。

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

弹出错误代码时，还可以自动显示其他内容，例如支持电子邮件地址，网站或电话号码。通过在设备上轻按智能手机来帮助用户处理错误，您可以节省支持成本并提高用户保留率。

假设您的产品具有用于读取代码的内部调试接口，则可以使用NXP的LPC8N04实施将这些代码转换为可读URL所需的适度逻辑。

经济高效的无线电源

由于无法满足EMC兼容性认证要求的风险，在许多项目中实施临时无线功率传输技术可能不可行。

NFC是目前仅使用广泛采用的技术来实现亚瓦特无线能量传输的便宜，最简单的方法。

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

与旋转设备通讯

想象以下情形：您有一个固定的设备，带有一个旋转的主体，上面装有一个设备。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。机电接口在一定条件下无法长时间可靠运行，并且振动和工业环境条件会严重影响机械接口的使用寿命。如果您试图在没有电源的情况下传输数据，那么任何旋转的触点都会引入很多虚假信号。 

使用某种形式的无线电通信似乎是好的主意，类似于安装在汽车轮胎上的压力传感器如何与车载计算机通信。 

NFC协议非常适合此应用：NFC天线可以设计成螺旋形，在旋转轴上具有几乎完美的旋转对称性。如果传感器或设备的耗电量有限，则使用上面的无线电源概念还可以使传感器/设备长时间运行而无需更换电池或为电池充电。

恩智浦半导体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，大量紫外线辐射会干燥和损坏O形圈的情况下，并且如果必须为连接提供电源，则增加了电化学风险损伤。NFC不受此类问题的影响，并且NFC天线可以很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可用于有效地通过少量水进行通信。我们使用的大多数物理通信层都受到水的负面影响。由于连接器很难充分防水，因此使用电势进行通讯会使产品容易受到腐蚀，电化学作用和水的渗透。可见光或红外光用于通讯几乎总是不可行的，因为光会被水散射并吸收，即使并非所有频率的光都被均等地吸收。射频场被吸收，而电场被屏蔽在盐水中。之所以存在2.4Ghz ISM频段，是因为它在微波炉中加热食物中的水的有效性，因此存在WiFi和蓝牙。声波

NFC基于磁感应，因此可通过多种介质（包括适量的水）发挥出色的性能。

暴露在这些元素下的产品（尤其是密封的产品）不太可能接受维护，并且经常被设计为易于安装和遗忘。用作内存存储的NFC标签很可能会使产品寿命更长，可以在事后访问进行访问以进行诊断和故障分析。

NFC克服非空气介质的能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，因为RF场是动态的（在13.56MHz处）而不是静态的。恩智浦NTA5332 IC具有有源负载调制功能，该功能主要用于提高物理层的性能，从而允许使用更小的天线。这也可以补偿小于理想条件下的信号衰减。

恶劣环境/防爆设备的通讯

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

由于没有连接器会引起静电电弧，因此NFC非常适合用于可能存在易燃气体的防爆设计。

NFC标签可以通过一层铁氧体直接放在金属上；通常，这些标签采用防金属标签或金属标签的名称。在远场无线通信难以穿透完全密封的金属外壳的情况下，NFC的磁耦合可以继续工作。

工业应用可能会发现意法半导体（STMicroelectronics）的ST25DV系列是理想的选择，温度范围为-40°C至85°C，在125°C的温度下最多可写入400k EEPROM。

诊断和配置界面

产品通常具有一个供用户使用的主界面和一个用于调试和维护的辅助界面。后者应尽量远离用户。辅助接口可以通过UART，隐藏的Web API，telnet或SSH连接来实现，但是实现此类功能的所有便宜的方法都需要在产品内部放置专用连接。出于诊断目的，必须打开或拆卸设备才能访问辅助通信接口可能会花费大量时间。将诊断或配置与用户可访问的连接混合使用会提供潜在的安全漏洞。

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

在为数不多的实现安全功能的相关IC中，我们可以注意到NXP的NTA5332，因为它对电子工程师极为友好并支持AES加密标准。许多IC都采用类似的措施，但其中许多更适合于智能卡。

与传感器互动

许多传感器仅需要有限的电源和网络连接，每周或每月收集一次数据。对于此类设备，操作员点击启用NFC的传感器可能是最方便的选择。这可能与通过设施分布的日常检查清单的一部分的传感器特别相关，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是专门为此角色设计的，它采用10位ADC以及高达3.4V和4mA的输出功率传感器和外部电路。如果与薄电池耦合，则这种IC对于环境数据记录特别有用。

固件更新

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

恩智浦LPC8N04的功率收集功能还可以帮助在自动重启后的系统中实施固件更新，因为NFC SoC仍将由RF场供电。

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

您如何使用NFC？

如您所见，NFC的用途广泛，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。基于远场辐射的协议（例如WiFi或蓝牙）由于外壳或安全性要求而不合适或没有能力。NFC将为这些项目解决许多问题；但是，必须提供或设计专门的阅读器会破坏许多好处。

随着NFC阅读器在现代智能手机中的普及以及智能手机应用程序开发的便捷性，NFC现在已成为应对这些挑战的可行选择。它的多功能性带来了广泛的激动人心的可能性，这些可能性以前是不可能实现的，或者实施起来成本很高。