29.08.2016 NFC/RFID-TECHNIK IM VORMARSCH

Sichere, portable Embedded-GeräteDie meisten NFC/RFID-fähigen Geräte sind noch nicht einmal erfunden. Es gilt deshalb keine Zeit zu verlieren, zumal kaum Zweifeldaran bestehen, dass die NFC/RFID-Technik als einer der Eckpfeiler des IoT angesehen wird.

Fachartikel von Hamed M. Sanogo

Steckt die NFC-Technik (Near-Field Communication) zwischen überzogenen Erwartungen undKompromissen fest? Inzwischen nicht mehr. Die einstmals als Nachfolger der Barcodesbetrachtete Technik hat gezeigt, dass sie weit mehr ist als einfach nur praktisch und robust. Tag fürTag kommen auf vielen Consumer- und Industriemärkten neue Anwendungen für NFC und RFID(Radio Frequency Identification) hinzu. Diese Anwendungen haben das traditionelle Segment dereinfachen, intuitiven, und sicheren kontaktlosen Transaktionen beispielsweise mit dem Austauschvon Informationen (Telefonnummern, Bildern, Posterdaten und so weiter) zwischen zweiNFC/RFID-fähigen Geräten längst verlassen. Man muss diese Geräte hierzu lediglich miteinanderin Kontakt bringen oder einander annähern. Inzwischen sorgen neue, unkonventionelleDenkweisen für eine Weiterentwicklung der primären Konzepte und traditionellenNutzungsweisen der NFC/RFID-Technik. Wir sind hier Zeuge einer unablässigen Innovation.

Gelegentlich hört man die Frage, wie sich die NFC-Technik eigentlich von der traditionellen RFID-Technik unterscheidet. Tatsächlich sind die Unterschiede auf der physischen oder HF-Ebene garnicht so groß. Im Prinzip ist NFC eine weiterentwickelte Variante der RFID-Technik und wurde aufdem 13,56-MHz-Frequenzband der RFID-Technik aufgebaut. Ein unter dem Namen „NFC Forum“firmierendes Industriekonsortium verbesserte das bestehende RFID-Physical-Layer-Protokoll,indem es den Protokollstapel um neue Ebenen erweiterte. Außerdem wurde das NFC-Data-

Exchange-Format (NDEF) mit dem Ziel hinzugefügt, Applikationsdaten zu identifizieren, zu kapseln und zwischen NFC-fähigenGeräten auszutauschen. Dieses standardisierte Format hat NFC/RFID zu einer aufstrebenden drahtlosen Technik gemacht, für die imkünftigen „Pervasive Computing“ äußerst vielversprechende Anwendungen auszumachen sind.

Um eine breite Anwendungsbasis zu erfassen, werden die Begriffe RFID und NFC in der folgenden Abhandlung als austauschbarangenommen. Der Beitrag vermittelt zunächst einen kurzen Überblick über die NFC/RFID-Technik und schlägt einen einheitlichenSchaltungsblock vor, den OEMs nutzen können, um neue portable Elektronikprodukte mit kontaktloser NFC/RFID-Funktionalitätauszustatten. Die auf dem sicheren passiven Dual-Interface Tag Deep-Cover MAX66242 von Maxim Integrated basierendeBeispielschaltung macht es einfach, beliebige Embedded-Elektronikplattformen mit NFC/RFID-Kurzstreckenfunktechnikauszustatten. Die Beschreibung einiger praktischer Anwendungsfälle rundet die Abhandlung ab.

Lesegeräte und Tags: die Grundlagen der NFC/RFID-TechnikNFC/RFID ist eine Kurzstreckenfunk- und standardbasierte drahtlose Verbindungstechnik, mit deren Hilfe Geräte, die sich in relativgeringer Entfernung zueinander befinden, miteinander kommunizieren können. Die NFC/RFID-Kommunikation funktioniert überDistanzen von wenigen Zentimetern bis zu etwa einem Meter und nutzt das Prinzip der induktiven Kopplung. Ähnlich einemLuftspalt-Transformator wird dabei über ein magnetisches Feld Energie zwischen beiden Geräten übertragen. Die Antennenspuledes Lesegeräts entspricht der Primärwicklung des Transformators, während die Antennenspule des Tags als Sekundärwicklung

fungiert. Das Lesegerät erzeugt durch magnetische Induktion ein Hochfrequenzfeld, das vom Tag detektiert wird. Befindet sich alsoein Tag in geringer Entfernung zum Lesegerät, koppelt das von der Lesegerät-Antenne ausgehende Feld in die Antennenspule desTags ein. Dabei wird im Tag eine Spannung induziert, die gleichgerichtet und zur Versorgung der internen Schaltungen des Tagsverwendet wird.

Bild 1 verdeutlicht, wie das Lesegerät das Feld moduliert, um seine Daten an den Tag zuübermitteln. Für die Rückübertragung von Daten an das Lesegerät verändern die Schaltungen imTag die Belastung der Spule, während das Lesegerät weiter sein unmoduliertes Trägersignal sendet.Das Lesegerät registriert diese Belastungsänderungen wiederum mithilfe der gegenseitigenKopplung. Man bezeichnet dieses Verfahren als Lastmodulation. Die NFC/RFID-Technik arbeitetmit einer Trägerfrequenz von 13,56 MHz, die zum weltweit verfügbaren und lizenzfreien ISM-Bandgehört. Es gibt für sie eine Reihe von Standard-Spezifikationen wie zum Beispiel ISO/IEC 14443Typ A und B sowie ISO/IEC 15693.

In diesem Artikel wird eine

Anwendung beschrieben, die sich auf

die sichere Authentifizierung mit

dem Deep-Cover MAX66242 stützt.

Portable Embedded-Systeme lassen

sich damit einfach mit einer

Schnittstelle zur Außenwelt

ausstatten, was OEMs wiederum die

Möglichkeit gibt, ihren Produkten

Alleinstellungsmerkmale zu

verleihen. Die Tatsache, dass

Smartphone- und Tablet-Hersteller

ihre Produkte mehr und mehr mit

NFC/RFID-Technik ausstatten, trägt

wesentlich zur Vervollständigung

dieses Ökosystems bei.

ECKDATEN

Bild 1: Kopplung des NFC/RFID-

Tags MAX66242 an das

Magnetfeld des Lesegeräts

MAX66300.(Bild: Maxim Integrated)

Bild 2: Blockschaltbild des

passiven Tags MAX66242.(Bild: Maxim Integrated)

Bild 3: Das passive Tag

MAX66242 ist das zentrale

Element dieser NFC/RFID-

In diesem Beispiel ist der Baustein MAX66242 im Prinzip ein passives IC beziehungsweise einpassives Tag, das für seine Funktion keine externe Energiequelle benötigt. Stattdessen bezieht einpassives Tag seine Energie aus dem elektromagnetischen Feld des Lesegeräts. Zu den typischenAnwendungen der NFC/RFID-Technik gehören die Zugangskontrolle (stationär oder mobil/Auto),intelligente Poster, Kundenkarten und Coupons, mobile Bezahlsysteme (kontaktlose Kreditkarten),Tickets und Mautsysteme.

So funktioniert es: Der Passive-Tag-AuthenticatorDesigner können jetzt auf sichere Weise Systemkonfigurations- und Kalibrierdaten mit ihrenportablen Elektronikprodukten austauschen, auch wenn das portable Gerät von seiner Stromquellegetrennt wurde oder ausgeschaltet ist. Die in Bild 1 gezeigte Lösung ermöglicht jedemelektronischen Embedded-Produkt über das I²C-Interface die drahtlose Kommunikation mitGeräten und Netzwerken in der Umgebung.

Für drahtlose NFC/RFID-Anwendungen sind mehrere Fähigkeiten entscheidend:

Der MAX66242 verfügt über eine eingebaute SHA-256 Crypto Engine für die symmetrische Challenge-and-Response-Authentifizierung auf der Basis eines gemeinsamen geheimen Schlüssels. Auf diese Weise lässt sich am besten kontrollieren, wieNFC/RFID-Lesegeräte mit dem MAX66242 kommunizieren. Ein 32-Byte-SRAM-Puffer ermöglicht schnelle Datentransaktionen überdas I²C-Interface. Der zum Energy Harvesting dienende V -Pin des Tags erlaubt die Verwendung der Antenne zum „Ernten“ vonEnergie aus dem HF-Feld des Lesegeräts. Somit sind also SHA-256-Sicherheit, schnelle Datentransfers und das Energy Harvesting dieentscheidenden differenzierenden Merkmale, die dieses passive Tag zu einem attraktiven Bauelement für alle OEMs machen, die ihreportablen NFC/RFID-Systeme auf einer offenen, skalierbaren Plattform aufsetzen möchten.

Sicherung der Daten: Vertraut wird nur geprüften oder echten SlavesMithilfe der SHA-256 Crypto Engine des MAX66242 lässt sich eine sichere, symmetrische und bidirektionale Secret-Key-Authentifizierung zwischen Lesegerät und Slave-Gerät implementieren. Der SHA-256-Algorithmus basiert auf einem sicherenHashing-Standard gemäß der Publikation FIPS PUB 180-4 des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology(NIST). Mit einem gemäß SHA-256 erfolgenden Challenge-and-Response-Austausch zwischen Master und Slave lässt sich am bestenkontrollieren, wie NFC/RFID-Lesegeräte mit dem MAX66242 kommunizieren.

SHA-256 ist ein auf einem symmetrischen Schlüssel beruhendes bidirektionales Authentifizierungsverfahren, in dem der Initiator(also das Lesegerät) ausschließlich gültige Tags akzeptiert. Umgekehrt kann nur ein gültiges Lesegerät den Speicher des Tagsverändern. Dieses Schema bietet die Gewähr dafür, dass das (mit dem MAX66242 ausgestattete) portable Gerät und das Lesegerätüber das gleiche geheime SHA-256-Element verfügen. Bei aktiver SHA-256-Funktionalität muss das portable Gerät eine gültigeAntwort (Response) an das NFC/RFID-Lesegerät schicken, um als authentisch anerkannt zu werden. Diese Antwort des portablenGeräts hängt wiederum sowohl von der empfangenen Challenge als auch von dem in ihm gespeicherten geheimen Element ab. Wenndas portable Gerät falsch auf die Challenge antwortet, wird es vom Lesegerät (bei dem es sich beispielsweise um ein Smartphonehandeln kann) zurückgewiesen.

Die wichtigsten Bestandteile dieses Authentifizierungsverfahrens sind die zufällige 256-Bit-Challenge, die im ROM des MAX66242 abgelegte Kennung (ROM-ID) und das geheime Elementselbst. Bei der ROM-ID handelt es sich um eine nur einmal vergebene 64-Bit-Seriennummer, diewährend der Produktion in das Tag geschrieben wird. Das gleiche geheime Element muss auch indas Lesegerät programmiert und dort gut geschützt abgelegt werden. Bild 3 zeigt als Beispiel eineTürsicherung, in der das NFC/RFID-System zunächst eine Challenge-and-Response-Authentifizierung initiiert, bevor der Zugang zu dem betreffenden Haus oder Safe freigegebenwird.

Hochkarätige Sicherheitsfunktionen, integriert in den Passive-Tag-Authenticator (Bild 2), dereine drahtlose NFC/RFID-Schnittstelle mit einem I²C-Interface kombiniert

•

Datenschutz-Funktionen•Schnelle Datenübertragung•Energy Harvesting im Tag•

OUT

basierten elektronischen

Türschloss-Authentifizierung.(Bild: Maxim Integrated)

Bild 4: Typischer Schaltungsblock,

mit dem sich jedes Embedded-

Design NFC/RFID-fähig machen

lässt. Kombiniert mit den

zentralen Features des Secure

Authenticator Tags MAX66242

rüstet dieser Schaltungsabschnitt

jedes Embedded-System für neue

kontaktlose Anwendungen in denportablen, sicheren Embedded-

Systemen von heute auf.(Bild: Maxim Integrated)

Um den wirksamsten mit vertretbarem Aufwand realisierbaren Schutz vor unvermeidbarenböswilligen Attacken auf Sicherheits-ICs dieser Art zu erzielen, kommen bei diesem passiven Tagproprietäre, auf der Chip-Ebene ansetzende physische Techniken, Schaltungen undVerschlüsselungsmethoden zum Einsatz. Diese Abwehrmaßnahmen hindern Angreifer daran, zumKompromittieren der Sicherheits-Implementierung des Systems den geheimen Schlüssel auszulesen, um diesen zu klonen oder dieproprietären Kalibrierdaten zu verändern.

Schutz für die Daten: Konfiguration und NutzungsbeschränkungDer Schutz der Daten ist von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grund ist der MAX66242 mit einem 4 kBit großen User-EEPROM ausgestattet. Dieser Speicher lässt sich in verschiedene Bereiche gliedern, die entweder frei zugänglich (das heißtungeschützt) sind oder für EEPROM-Schreibzugriffe eine Authentifizierung verlangen. Es stehen verschiedene Schutzarten zurAuswahl. Dazu gehört die Betriebsart EM (EPROM Emulation), mit der sich nicht rückstellbare Zähler und Nutzungsbeschränkungs-Applikationen realisieren lassen. Bei aktiviertem EM-Modus können die einzelnen Speicherbits im Tag nur von 1 auf 0, nicht aber von0 auf 1 verändert werden. Einmal aktiviert, kann der EM-Modus nicht mehr zurückgenommen werden. Dieser Prozess, mit dem sicheine Zähler- oder Nutzungsbeschränkungs-Funktion am besten implementieren lässt, kann nur mit größtem Aufwand überwundenwerden.

Mit dem EM-Modus können OEMs auch besser kontrollieren, welches NFC/RFID-Lesersystem mit ihrem Produkt kommunizierendarf. Somit handelt es sich hier um eine sichere Möglichkeit, die im Gerät abgelegten Kalibrier- und Konfigurationsdaten undproprietären Diagnoseinformationen zu schützen.

Schnellere Datentransfers ohne externen MikrocontrollerBeim passiven Tag des Typs MAX66242 handelt es sich im Prinzip um ein Protokollumsetzer-Gateway zwischen I²C und NFC/RFID.Der I²C-Port des Tags kann im Rahmen von Datenübertragungen als Master- oder Slave-Port fungieren. In Anwendungen der in Bild3 gezeigten Art hat das NFC/RFID-Lesegerät Zugriff auf ein I²C-basiertes elektronisches Bauteil, das direkt mit dem MAX66242verbunden ist. Aus diesem Grund wird kein zusätzlicher Mikrocontroller (zum Beispiel auf der Sensorkarte) benötigt, um auf dieDaten zuzugreifen.

Wie bereits erwähnt, hilft der integrierte 32-kByte-SRAM-Puffer des ICs bei der Beschleunigungvon Daten-Transaktionen zwischen I²C und Funkstrecke. Während die Daten bei vergleichbarenLösungen die EEPROM-Zellen durchlaufen müssen, nutzt der MAX66242 des Beispiels seinenSRAM-Puffer für solche Übergaben. Ein SRAM-Speicher aber bietet wesentlich kürzereZugriffszeiten als EEPROM. Dieser Vorteil zahlt sich durch insgesamt kürzere Gesamt-Transaktionszeiten gegenüber anderen Lösungen aus.

Das IC bietet darüber hinaus einen PIO-Pin (Programmable Input-Output), der für verschiedensteZwecke genutzt werden kann – beispielsweise um in bestimmten Anwendungen Interrupts an denMikrocontroller des portablen Geräts zu senden. Ebenso lässt sich der PIO-Pin so konfigurieren,dass er laufende HF-Aktivitäten oder -Zugriffe signalisiert. Derartige Alarmsignale eignen sich sehrgut zum Aufwecken eines im Schlafmodus befindlichen Embedded-Systems, wenn ein 13,56-MHz-Hochfrequenzfeld detektiert wird. Insgesamt lässt sich mit diesem multifunktionalen PIO-Pin alsoder Datenfluss im System besser kontrollieren.

Energy Harvesting, mehr Flexibilität und erweiterte SkalierbarkeitDas Energy Harvesting ist überaus nützlich, denn es macht den MAX66242 zu einer weitreichendflexiblen und skalierbaren Lösung für ein breites Spektrum von NFC/RFID-Anwendungen. Alsherkömmliches passives Tag eingesetzt, benötigt das IC keine externe Stromversorgung, zumal seine Leistungsaufnahme sehr geringist. Nur etwa 50 µA oder geringfügig mehr nimmt der Baustein je nach den unterstützten Features auf. Seine gesamte Energie beziehtdas Tag aus dem 13,56-MHz-Feld des Lesegeräts. Wenn die Antennen richtig konstruiert und für eine effiziente, optimierteVerbindung abgestimmt sind, erntet das passive Tag deutlich mehr Energie als es selbst benötigt. Häufig leitet man die überschüssigeEnergie zur Masse ab. Im Fall des MAX66242 jedoch wird die nicht benötigte Energie am Gleichrichter gesammelt und über denV -Pin aus dem IC hinausgeleitet, sodass sie zur Versorgung weiterer ICs der Applikation verwendet werden kann. GespeistOUT

Gleichung 1(Bild: Maxim Integrated)

werden kann beispielsweise das Temperatursensor-Pflaster, von dem die Temperaturdaten eingeholt werden. Der V -Pin lässt

sich wahlweise für 1,8 V oder 3,3 V Ausgangsspannung (typisch) konfigurieren. Eine hinreichende Feldstärke vorausgesetzt, kanndieser konfigurierbare Stromversorgungs-Ausgang bis zu 5 mA liefern.

Optimiertes Antennendesign für maximale Leistung und EffizienzDas Energie-Harvesting-Konzept eines passiven Tags funktioniert nur dann sehr gut, wenn durch optimales Design der HF-Schaltungen für einen maximalen Energietransfer gesorgt ist. Die Effizienz der Energieübertragung zwischen den Antennenspulenvon Lesegerät und Tag hängt, abgesehen von der Präzision der Resonanzspulen, auch davon ab, wie gut die Antennen aufeinanderabgestimmt – das heißt in Resonanz sind. Im vorliegenden Fall müssen also die Antennenspule des MAX66242-Tags und seinAbstimmkondensator so getrimmt werden, dass ihre Resonanzfrequenz genau 13,56 MHz beträgt.

Das Prinzip, das dem Antennendesign zugrunde liegt, ist relativ unkompliziert. Die Induktivität der Tag-Antenne (L ) muss aufeiner Leiterplatte (oder einem Inlay-Substrat) so konstruiert werden, dass sie zusammen mit dem chip-internen Abstimmkondensator(C ) mit der Resonanzfrequenz von 13,56 MHz schwingt. Die Summe aller induktiven und kapazitiven Blindwiderstände mussalso null sein. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Gleichung LCw = LC (2πf) = 1 (bei f = f ) zutrifft. Daraus ergeben sichtheoretisch die Verhältnisse für den Fall, dass der Energiefluss in den Tag-Chip MAX66242 ein Maximum erreicht beziehungsweisedie Impedanz minimal ist. Hieraus lassen sich gemäß Gleichung 1 die Resonanzfrequenz f und L berechnen.

Gleichung 1: Die Induktivität der externen Antenne (L ) auf der Leiterplatte muss so aufden internen Abstimmkondensator (C ) abgestimmt sein, dass die Schaltung genau mit einerFrequenz von 13,56 MHz schwingt.

Ist diese Bedingung erfüllt, befindet sich die abgestimmte Schaltung in Resonanz. In Gleichung 1 istauch die tatsächliche Berechnung von L mit einem realen C -Wert gezeigt. VomDesigner wird anschließend die externe Antenne so entworfen, dass genau der berechnete L-Werterreicht wird. Wenn dies gelingt, ermöglicht das Antennendesign den Bezug eines maximalenStroms aus der LC-Schleife.

In der Realität müssen Designingenieure die NFC/RFID-Antennenspulen stets so auslegen, dass imSystem ein Maximum an Energie zur Verfügung steht. Häufig tritt ein Tag-„Belastungseffekt“ auf,der durch das Platzieren des Tags im HF-Feld entsteht. Um diesen Effekt zu kompensieren und für maximale Effizienz zu sorgen,werden die Antennenspulen häufig so konzipiert, dass die Resonanzfrequenz geringfügig größer oder kleiner als 13,56 MHz ist. Dasgenaue Design der Antennenspule selbst geht allerdings über den Rahmen dieses Beitrags hinaus.

Ausstattung eines portablen Geräts mit NFC/RFIDMan kann der NFC/RFID-Technik bescheinigen, dass sie sich derzeit in großem Umfang auf dem Massenmarkt für Consumer-Wearable-Technik durchsetzt. Unter dem Banner des Internet of Things (IoT) werden immer mehr sensorbestückte Embedded-Systeme entwickelt und dafür eingesetzt werden, biometrische Daten des Benutzers und weitere Informationen aus mehrerenSystemen in einem Netzwerk zu sammeln. Die Zahl der mit NFC/RFID ausgestatteten medizinischen und industriellen Anwendungenist derzeit noch nicht einmal absehbar.

Bevor es an die Beschreibung einiger Anwendungen geht, soll zunächst die grundlegende Schaltungsarchitektur beschrieben werden,mit der sich die NFC/RFID-Technik in einem Embedded-Design installieren lässt (Bild 4). Zu beachten ist, dass dieses System einenKommunikationsweg zur Außenwelt benötigt.

Nun aber zur Schaltung in Bild 4. Während das I²C-Interface (SDL und SDA) und die PIO-Signale (eine gemultiplexte Leitung für dieFunktionen RF-AIP und RF-BUSY) für die Verbindung zum Host-Mikrocontroller benötigt werden, sind die SignaleRFID_V _ENABLE und SYS_ALERT_INT# optional. MOSFET Q1 wird für Isolationszwecke verwendet. Da das interne EEPROM desTags sowohl über die HF-Schnittstelle als auch per I²C zugänglich ist, sorgt Q1 für die Stromversorgung des Tags, wenn der Host-Mikrocontroller mit ihm kommunizieren muss, ohne dass ein HF-Feld anliegt. Der optionale Q2 dient dagegen dazu, das Open-Drain-

Signal SYS_ALERT_INT# mit einer geregelten V auf dem Board zu schalten (in diesem Fall entfällt R4).

Mit einer Variante dieses vorgeschlagenen Schaltungsblocks gemäß Bild 4 im Schaltplan des jeweiligen Geräts ist das OEM-Produktin der Lage, mit jedem NFC/RFID-Lesegerät oder -Initiatorsystem zu kommunizieren. Sobald das Board in den Einzugsbereich einesHF-Feldes kommt, liegt V an und schaltet Q2 ein. Daraufhin wechselt das Signal SYS_ALERT_INT# in den Low-Status, wodurchwiederum der Host-Mikrocontroller einen Interrupt erhält oder aufgeweckt wird, um zu melden, dass sich das System in einem HF-Feld befindet. Der Host-Mikrocontroller bringt daraufhin das Signal RFID_V _ENABLE in den logischen High-Status und schaltet

OUT

INDUCTOR

TUNING2 2

RES

RES INDUCTOR

INDUCTOR

TUNING

INDUCTOR TUNING

CC

CC

OUT

CC

Bild 5: Blockschaltbild eines

allgemeinen diskreten Sensor-

Tags. Der Master-I²C-Port des

MAX66242 ermöglicht den

Zugriff auf den Sensor und den

Abruf der Temperaturdaten

mithilfe eines Smartphones, ohne

dass ein Mikrocontroller benötigt

wird.(Bild: Maxim Integrated)

damit den MOSFET Q1 ein. Der Host-Mikrocontroller ist nunmehr bereit für den Austausch von Datenbytes mit dem NFC/RFID-Lesegerät, von dem das HF-Feld ausgeht. Auch hier muss der V -Pin des MAX66242 nicht mit einer Stromversorgung verbundensein, denn die internen Schaltungen des IC werden mit der Energie versorgt, die aus dem HF-Feld geerntet wird. Dennoch ist der V -Pin in Bild 4 angeschlossen, damit der Host-Mikrocontroller auch ohne HF-Feld auf das IC zugreifen kann. In der Funktion einesUmsetzers zwischen drahtloser und leitungsgebundener Übertragung leiten die I²C-Signale die Daten an die Außenwelt weiter.Gesteuert wird der Datenfluss durch den Pin RF-AIP (RF-Access-In-Progress), der ebenfalls mit dem RF-BSY-Pin gemultiplext ist.

Das NFC/RFID-Tag-IC ist mit einem integrierten Abstimmkondensator ausgestattet. Der im Schaltbild dargestellte externeAbstimmkondensator C ist dagegen optional. Mit ihm können Designer die Abstimmung ihres Systems abhängig von demBelastungseffekt in der Umgebung, in die das Tag eingebaut wird, relativ schnell verändern.

NFC/RFID ebnet den Weg zu neuen AnwendungenWie bereits erwähnt, verspricht die NFC/RFID-Technik neue potenzielle Anwendungsmöglichkeiten im industriellen undmedizinischen Bereich. Beispiele für diese neuen Einsatzgebiete sind die automatische Gerätekonfiguration, die Begrenzung derNutzungshäufigkeit, Aktivierungseinstellungen, die sichere Authentifizierung von Slave-Geräten und die Implementierung vonSensor-Tags – um nur einige zu nennen.

Sensor-Tags sind ein stark im Kommen begriffenes Wachstumsgebiet für die NFC/RFID-Technik.Unter einem Sensor-Tag versteht man eine Baugruppe (zum Beispiel ein Pflaster) mit einemSensor-IC zur Erfassung definierter physikalischer Größen, die Auskunft über das Verhalten desAnwenders und die Umgebung geben (Bild 5). Zu diesen Größen gehören Temperatur, Druck, Licht,Stöße, Vibrationen, Feuchtigkeit, Beschleunigung und detektierte Chemikalien. DieseSensorfunktionen ergänzen die normalen Identifikations-Funktionen des Tags. Eine attraktiveEigenschaft eines sicheren Sensor-Tags ist seine Fähigkeit zum Sammeln und Übermitteln vonMessgrößen, ohne dass eine Leitungsverbindung bestehen muss. Der hier als Beispiel angeführteMAX66242 eignet sich sehr gut für die diskrete Implementierung eines Sensor-Tags.

Ein Temperaturmess-Pflaster und ein Pflaster zur Ermittlung des Sonnenschutzfaktors (SunProtection Factor – SPF) sind Beispiele für medizinische Einwegprodukte, die mit einem Sensor-Tagbestückt sind. Ist das Temperaturmess-Pflaster am Patienten angebracht, kann das PflegepersonalTemperaturmessungen vornehmen, ohne den Patienten zu berühren. Angesichts der weltweitgehegten Bedenken wegen verborgener, gefährlicher Viren ist dies eine gute Möglichkeit, dieGefahr der gegenseitigen Ansteckung in medizinischen Einrichtungen zu bannen. Auf die gleicheWeise kann ein SPF-Pflaster beispielsweise Strandbesuchern helfen, den richtigen

Lichtschutzfaktor für die Sonnenschutzcreme zu ermitteln. Hierzu reicht es, das SPF-Pflaster gelegentlich mit einem Smartphoneauszulesen.

Ein Sensor-Tag kann ebenfalls helfen, die Unversehrtheit einer Lieferung zu überwachen. Zum Beispiel kann ein Stoß- oderVibrationssensor die Stöße aufzeichnen, die während des Transports auf einen wertvollen und/oder zerbrechlichen Gegenstandeingewirkt haben.

In diesem Beispiel ist der MAX66242 ein entscheidendes Element der Applikation. Seine innovative Unterstützung für einen Master-I²C-Port ist sein Alleinstellungsmerkmal. Ohne diesen Port würde das Design einen kleinen Mikrocontroller benötigen, der dieTemperaturdaten erfasst und sie in den Speicher des Tags lädt, von wo sie das Lesegerät später abrufen kann (Bild 5).

Wie schon erwähnt, wandelt das Sensor-Tag die physikalischen Messgrößen in digitale Werte um. Der MAX66242 fungiert hier alsBrücke, die die analogen Größen in sinnvolle Informationen verwandelt, die sich der Anwender auf seinem Smartphone oder Tabletanzeigen lassen kann. Auch hier wird bei Verwendung dieses ICs keine externe Energiequelle benötigt, da die am V -Pinanliegende, aus dem HF-Feld geerntete Energie zur Versorgung des Sensor-ICs verwendet werden kann. Bild 6 zeigt einendetaillierteren Schaltplan eines diskreten Sensor-Tags.

Diagnose-und Fehlerdaten zur Sicherung der Langzeit-ZuverlässigkeitKurz zusammengefasst verleiht das Tag MAX66242 jedem Embedded-System die Fähigkeit zur Kommunikation mit NFC-fähigenportablen Geräten.

CC

CC

EXT-TUNE

OUT

Bild 6: Weiter ausgearbeitete

Architektur eines diskreten

Sensor-Tags.(Bild: Maxim Integrated)

Bild 7: Blockschaltbild eines

Leistungswandlungs-Systems, das

zur Fehleraufzeichnung mit dem

NFC/RFID-Tag MAX66242

ausgestattet ist.(Bild: Maxim Integrated)

Der NFC/RFID-Port kann aber ebenso als eine Art Warndisplay für Kundendiensttechniker dienen,ähnlich wie die in der Armaturentafel eines Autos erscheinende Meldung, dass bald die nächsteInspektion fällig ist. Sobald die in Bild 4 gezeigte Schaltungsarchitektur in einem Embedded-Designimplementiert ist, kann das System auf drahtlosem Weg Informationen mit der Außenweltaustauschen. Dabei kann es sich um Diagnose- oder Fehlercodes, Daten ausgefallener Schaltungen,Laufzeit-Warnungen oder andere Daten zur Konfiguration/Kommissionierung oder Kalibrierungdes Systems handeln. Diese Flexibilität bietet dem OEM Gelegenheit, sein Endprodukt mit nochmehr Zusatznutzen auszustatten.

Designer können den MAX66242 zur Speicherung entscheidender Laufzeit- Diagnose-undFehlerdaten des Systems nutzen. Diese Daten lassen sich zu einem späteren Zeitpunkt, wenn dasSystem bereits ausgefallen oder abgeschaltet ist, hochladen. Das Erfassen dieser Zustands- undFehlerdaten des Systems erfolgt über das Interface des NFC/RFID-Tags. Bild 7 zeigt ein typischesPower-Management-System, in dem die einzelnen PoL-Regler (Point of Load) über einen gemeinsamen PM-Bus (Power ManagementBus) konfiguriert und überwacht werden. Der PM-Bus stellt im Prinzip eine Abwandlung des I²C-Busses dar. Während des regulärenSystembetriebs werden fortlaufend bestimmte wichtige Parameter aller PoL-Regler überwacht. In dieser Betriebsart hat derSystemmanager außerdem die Möglichkeit, als Reaktion auf Fehler oder Warnmeldungen bestimmte Korrekturen vorzunehmen.

Mit dem exemplarischen MAX66242 in dieser Architektur kann der OEM eine Art Flugschreiber-Funktionalität umsetzen. Dabeiwird aufgezeichnet, wenn wichtige Parameter ihren zulässigen Bereich verlassen (zum Beispiel die Parameter vonAnsprechschwellen aller überwachten Fehlerüberwachungs-Schaltungen). Mithilfe eines NFC/RFID-Lesegeräts haben Technikersomit jetzt Zugriff auf Messungen, die wenige Augenblicke vor dem eigentlichen Ausfall durchgeführt wurden. Diese Daten lassensich später auch zur Vorhersage bestimmter Fehler und für eine frühzeitigere Erkennung anormaler Betriebszustände verwenden.Diese zusätzlichen Erkenntnisse über Fehler werden somit dazu beitragen, dass in der nächsten Produktgeneration bestimmte

Ursachen von Totalausfällen vorhergesagt, abgemildert oder sogar ganz eliminiert werden können.

Eine Anwendung für die NFC/RFID-Technik findet sich auch gemeinsam mit Feldsensoren und I/O-Karten in industriellen Steuerungs- und Automatisierungssystemen. Das MAX66242-Tagermöglicht die Kommissionierung der Sensorkarte, während sie noch ohne Stromversorgung imLager liegt. Analoge Kalibrierdaten, wichtige Parameter und andere Systeminformationen werdenunmittelbar vor der Installation per Smartphone in das Tag der Sensorkarte heruntergeladen. EinKonsument kann somit mithilfe des Smartphones Freischaltungen für bestimmte Produkteerwerben und mit einer entsprechenden App über die NFC/RFID-Funktion des portablen Gerätsdie entsprechenden Aktivierungen vornehmen.

FazitDie Verbreitung der NFC/RFID-Technik hat in den letzten Jahren dramatisch zugenommen. Wasaber spricht eigentlich dafür, ein tragbares Gerät mit NFC/RFID auszustatten? Die Antwort ist, dasseine Embedded-Plattform damit für eine Vielzahl neuer Anwendungen geöffnet wird und dass sichneue, sichere portable Kommunikations-Applikationen erschließen. Für OEMs kommen bemerkenswerte Geschäftschancen hinzu.Somit überrascht es nicht, dass sich die Technik relativ schnell weiterentwickelt und eine lange Liste potenzieller Anwendungenentsteht.

Schon bald wird also jeder über ein NFC/RFID-Lesegerät verfügen. Weil dann natürlich jeder auch etwas zum Auslesen habenmöchte, profitieren die OEMs noch einmal. Der MAX66242 ermöglicht Designern eine flexible Konfiguration und sichereAuthentifizierung und verleiht ihnen die Fähigkeit, Diagnosen durchzuführen und Daten auszulesen. Der Baustein stellt eine denkbarunkomplizierte Möglichkeit zur Implementierung der NFC/RFID-Technik in Embedded-Systemen dar. Warum also warten?Schließlich ist der größte Teil der NFC/RFID-fähigen Geräte noch nicht einmal erfunden.(ah)

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ÜBER DEN AUTOR

Hamed M. Sanogo

Executive Business Manager, Maxim Integrated.

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