需要NFC/RFID吗？未来不再遥远(上)

摘要：本文给出了NFC技术给出常见的电路，展示OEM在便携式电子产品中实现新型非接触式NFC/RFID功能。利用电路，将NFC/RFID短距离无线技术增加到嵌入式电子平台。

1 大多数设备还不支持NFC/RFID，立即行动吧!

近场通信(NFC)仍然处在炒作与权衡状态吗?显然不是!该项技术之前仅仅被看作是新一代的条形码，事实证明其实用性和可靠性要高得多。在许多消费类和工业市场，需要NFC和射频识别(RFID)功能。这些应用不再局限于传统的简单、直观、安全的非接触式数据交换，两个支持NFC/RFID的设备之间可以灵活地交换信息(电话号码、照片、海报数据等)，您需要做的就是将其靠近在一起。NFC/RFID的主要概念和传统应用正伴随着崭新的，非传统思维方式而发展。实际上，我们正处在一个创新的年代。
您可能时常听到“NFC与传统的RFID有何不同?”的问题，在物理层或RF层，差别确实不太大!NFC本质上是RFID的一种进化形式。实际上，NFC工作在RFID的13.56MHz频段(HF)。行业联盟NFC论坛1从RFID物理层协议开始，通过将几个新层添加到协议栈对其进行改进。增加了NFC数据交换格式(NDEF)，以识别、封装并在支持NFC的设备之间交换应用数据。这种标准化的格式使得NFC/RFID成为一种应用前途远大的新兴无线通信技术，适应将来的普适计算。

为涵盖较宽的应用，RFID和NFC在本文的随后讨论中可互换使用。我们将简要介绍NFC/RFID技术，给出常见的电路模块，OEM可用来在便携式电子产品中实现新型非接触式NFC/RFID功能。示例电路基于DeepCover? MAX66242双接口安全无源标签。利用给出的电路，很容易将NFC/RFID短距离无线技术增加到嵌入式电子平台。我们将结合几种实际使用情况展开讨论。

2 读卡器和标签：NFC/RFID基础

NFC/RFID是一种标准的近距离无线通信技术，支持彼此位置相对距离较近的手持或其它设备之间的通信。NFC/RFID工作距离为几英寸到1米。该技术采用电感耦合，是通过两个设备之间的公共磁场传递能量的过程。这一过程实际上与空心变压器的工作原理相同，读卡器天线线圈相当于原边，标签的天线线圈相当于副边。读卡器利用电磁感应产生标签能够检测得到的无线电波。因此，当标签靠近读卡器时，读卡器天线线圈产生的电波将耦合到标签天线线圈。在标签内感应产生电压，然后对其进行整流并为标签内部电路供电。



图1所示为读卡器对电波进行调制并与标签交换数据的方式。为了将数据从标签传输至读卡器，标签电路改变其线圈负载(同时读卡器的未调制载波保持打开);互耦使得读卡器可检测到这一变化。这种负载变化法称为负载调制。NFC/RFID的工作载频为13.56 MHz，属于全球范围内无需许可的ISM频段。关于该技术，有几个已经颁布的标准规范，包括ISO/IEC 14443 Types A&B和ISO/IEC 15693[2] 。

本例中，MAX66242为无源IC，无需外部电源即可工作的无源标签。实际上，无源标签从读卡器的磁场获得能量。使用这种NFC/RFID技术的典型应用包括接入控制、智能海报、会员卡和优惠券、移动支付(非接触式信用卡)、票务和运输收费。


3 工作原理——无源标签认证器

设计者现在可利用便携式电子产品收集、交换安全系统的配置/校准数据，即使便携设备主电源断电。图1所示方案允许任何嵌入式电子产品通过无线方式与周围任何设备进行连接，并通过I2C接口与网络连接。

几种功能对于无线NFC/RFID应用非常重要：集成到无源标签认证器的高级安全性(图2)、集成无线NFC/RFID接口和I2C接口、数据保护模式、高速数据传输、标签能量收集;MAX66242集成了SHA-256加密引擎，提供基于安全密钥的对称式质询-应答安全认证。是控制NFC/RFID读卡器与那些设备通信，以及如何与MAX66242通信的最好途径。32字节SRAM缓存器有利于通过I2C接口进行高速数据传输。标签上的能量收集引脚VOUT使其利用天线从读卡器的HF场收集能量。



由于采用SHA-256安全加密、高速数据传输以及能量收集——突出优势，对于希望将NFC/RFID嵌入式便携系统用于开放式可扩展平台的OEM来说，该无源标签具有极大吸引力。
                                
4 保证数据安全——只信任正版的从机设备

MAX66242使用SHA-256加密引擎实现读卡器与从设备之间的安全、对称、双向安全认证。SHA-256散列算法基于美国国家标准与技术研究院(NIST)颁布的安全散列标准FIPS PUB 180-4。SHA-256质询-应答安全机制在主机和从机器件之间交换数据，是控制NFC/RFID读卡器与哪些设备通信，以及如何与MAX66242无源标签通信的最好途径。



SHA-256基于对称密钥进行双向、安全认证，读卡器(即发起者)仅接受正品标签;只有正品读卡器可更改标签的存储器。该方法假设便携设备(采用MAX66242)和读卡器系统具有相同的SHA-256安全算法。激活SHA-256时，便携设备必须首先向NFC/RFID读卡器提供有效应答或响应，以进行安全认证。并且便携设备的应答与接收到的质询及其储存的密钥相关。如果便携设备应答质询不正确，那么读卡器系统(例如智能电话)将拒绝该便携设备。



这种安全认证机制的主要元素包括256位随机质询、MAX66242的ROM ID以及密钥本身。ROM ID为唯一的64位序列号，在制造过程中嵌入到标签中。读卡器中必须设置相同的密钥并进行保护。图3所示为安全门卡应用示例，其中NFC/RFID在打开房间门、防火门或防弹门之前发起质询-应答认证。

为确保以最经济的形式预防对此类安全IC的(不可避免的)恶意攻击，无源标签采用专有的管芯级物理技术和相应的电路、加密方法。这些防护技术可防止攻击者为了克隆密钥或更改专有的校准数据而提取密钥(破坏系统的安全机制)。