CH585 – универсальная микросхема от WCH для работы с NFC
Технология ближней бесконтактной связи (Near Field Communication, NFC) прочно вошла во все аспекты повседневной жизни. Благодаря простоте использования и безопасности передачи данных NFC-устройства сегодня широко распространены в промышленности и быту, в банковском и финансовом секторе, в общественном транспорте и в медицинских учреждениях, а также во многих других сферах человеческой деятельности.
Бурному росту рынка NFC-решений способствует и тот факт, что технологию ближней бесконтактной связи поддерживает все большее количество смартфонов даже в бюджетном сегменте. Это существенно расширяет спектр сценариев, в которых может быть использована данная технология. Например, в системе «умный дом» телефон с поддержкой NFC можно использовать как ключ для управления освещением, запуска кофемашины или открытия двери даже при отсутствии доступа интернету.
В связи с расширением спроса на NFC-устройства компания WCH выпустила микросхему CH585, позволяющую ускорить разработку изделий, работающих с применением ближней бесконтактной связи, а также снизить их энергопотребление за счет использования уникальной технологии производителя.
Помимо модуля NFC, в состав микросхемы входят PHY-интерфейсы с поддержкой стандартов USB2.0 и Bluetooth5.4, контроллер сенсорных кнопок, а также множество других периферийных узлов. Благодаря низкому потреблению тока и малым габаритам CH585 подходит для использования в портативных устройствах, питание которых осуществляется от батареи или аккумулятора. При этом достаточно широкий диапазон рабочих температур делает данную микросхему пригодной для промышленных применений, а аппаратная поддержка стандарта шифрования AES-128 позволяет надежно защитить передаваемые данные.
Основы технологии NFC
Для максимально эффективного использования возможностей микросхемы CH585 разработчик должен четко представлять себе особенности технологии ближней бесконтактной связи. Принцип ее работы основан на электромагнитной индукции, поэтому любое NFC-устройство имеет в своем составе антенну, обычно выполненную в виде плоской катушки индуктивности.
Активное устройство (считыватель) посредством своей катушки периодически создает в окружающем пространстве электромагнитное поле с несущей частотой 13,56 МГц (относящейся к общественно доступному и нелицензируемому диапазону радиочастот ISM Band). Если в этот момент к нему приблизить пассивное устройство (датчик), то их антенны фактически сформируют трансформатор с воздушным сердечником, между обмотками которого возникнет электромагнитное поле. Через него, во-первых, происходит запитка пассивного устройства (по принципу беспроводной зарядки), а во-вторых – обмен данными между считывателем и датчиком.
NFC – это двусторонняя связь, где каждое из устройств может как отправлять, так и получать информацию. Благодаря этому они могут в том числе и обнаруживать ошибки, при которых полученное сообщение не соответствует переданному. Обмен данными осуществляется за счет использования модуляции, причем в случае отсутствия у датчика собственного источника питания (так называемого пассивного режима) для передачи информации он должен модулировать поле, предоставляемое считывателем.
|
Следует отметить, что вследствие само́й природы ближней бесконтактной связи дальность ее действия невелика. Обычно максимальное расстояние между активным и пассивным устройствами составляет примерно 10 см. Однако передача данных по NFC отличается простотой, поскольку, в отличие от тех же Bluetooth или Wi-Fi, она не требует каких-либо сложных настроек, предварительного сопряжения датчика и считывателя, а также наличия доступа к интернету. |
Конструктивно NFC-датчик может быть выполнен в виде обычной пластиковой карты или метки. К первому варианту относятся проездные билеты на общественный транспорт, банковские карты, всевозможные карты доступа и другие подобные решения. Второй случай – это небольшие брелоки и наклейки, содержащие информацию определенного рода: адрес веб-сайта, характеристики продукта, данные для сопряжения по Bluetooth или доступа к Wi-Fi и прочее.
Типовым примером NFC-считывателя являются турникеты в автобусах и метро, а также умные дверные замки.
Кроме того, существует ряд устройств, например, смартфонов с поддержкой NFC, которые имеют возможность выступать в роли как датчика, так и считывателя.
Технология ближней бесконтактной связи поддерживает три режима работы:
- режим эмуляции карты;
- режим чтения/записи
- одноранговый (равноправный) режим.
В режиме эмуляции NFC-датчик выступает в роли обычной смарт-карты - не имеет собственного источника питания и может работать исключительно в связке с терминалом (то есть со считывателем). При этом терминал обеспечивает карту или метку энергией и посылает ей необходимые команды.
|
Обратите внимание, что в данном режиме датчик не инициирует коммуникацию – он способен лишь отвечать на посланные ему запросы. |
Режим чтения/записи схож с режимом эмуляции карты, однако при этом терминалу доступна запись данных на NFC-датчик. Такая возможность может быть полезна при взаимодействии с интерактивными метками, например, при управлении умным домом, работе с туристическими указателями или транспортными расписаниями и другими решениями.
В одноранговом режиме (Peer-to-Peer, P2P) оба NFC-устройства в разные моменты времени могут быть как активными, так и пассивными, то есть каждое из них имеет свой источник питания и способно генерировать собственное поле. Типовой сценарий, характерный для режима P2P – это обмен файлами между двумя смартфонами или передача одним из них данных для запуска какого-либо приложения на втором.
Всего на рынке существуют три общепринятые модификации технологии NFC, каждая из которых основана на соответствующем стандарте бесконтактной связи:
- NFC-A (стандарт ISO/IEC 14443A);
- NFC-B (ISO/IEC 14443B);
- NFC-F (FeliCA JIS X6319-4).
Каждый из стандартов описывает частотный диапазон, метод модуляции и протокол обмена для пассивных бесконтактных карт ближнего радиуса действия на магнитосвязанных индуктивностях. При этом наиболее распространенными модификациями являются NFC-A и NFC-B, отличающиеся лишь способами кодирования сигнала: в первом случае используется код Миллера и амплитудная модуляция, во втором – манчестерское кодирование. Обе определяют несколько скоростей передачи данных (106, 212с, 424 и 848 кбит/с), причем на практике чаще всего используется наименее скоростной вариант.
Особенности микросхемы CH585
Интегральная схема CH585, выпускаемая компанией WCH, представляет собой однокристальную систему (System-on-a-Chip, SoC), предназначенную для работы с такими популярными технологиями беспроводной связи, как NFC и Bluetooth BLE 5.4.
Основу микросхемы составляет ядро QingKe, являющееся собственной разработкой компании и основанное на полностью открытой и бесплатной архитектуре RISC-V. Помимо ядра и беспроводных модулей, CH585 содержит в себе PHY-интерфейс с поддержкой USB2.0, контроллер сенсорных кнопок, драйвер светодиодного матричного экрана, а также схему управления сегментным жидкокристаллическим индикатором. Кроме того, в ее состав входят традиционные периферийные узлы микроконтроллеров (АЦП, таймеры, интерфейсы UART, SPI и I2C), а также датчик температуры и аппаратный модуль кодирования/декодирования данных с поддержкой стандартного алгоритма шифрования AES-128.
CH585 поддерживает наиболее распространенный стандарт ISO/IEC 14443A (NFC-A) со скоростью обмена данными 106 кбит/с, при этом может работать в режиме как эмуляции карты, так и чтения/записи. На рисунке ниже показан пример использования этой микросхемы в качестве считывателя NFC-карт.
Одной из особенностей микросхемы CH585 является достаточно малое энергопотребление по сравнению с продукцией других производителей. Такого результата удается добиться за счет оптимизации процесса обнаружения карты, который обычно занимает существенную часть общего времени работы считывателя.
В общем случае начало работы с NFC-датчиком состоит из четырех этапов. Вначале считыватель кратковременно активизирует электромагнитное поле посредством антенны для возможности подачи питания на NFC-карту или метку (если они находятся в зоне досягаемости). После этого производится ожидание в течение времени, которое оговаривается спецификацией и заведомо является достаточным для включения карты/метки и ее первичной инициализации. Далее считыватель отправляет запрос или команду пробуждения, чтобы определить тип подключенного NFC-датчика. Если на запрос приходит ответ, значит, в области действия активного устройства действительно находится какая-либо карта или метка, поэтому считыватель может начать сеанс обмена данными, отправив NFC-датчику команду чтения или записи и дождавшись от него ответной посылки.
Три первых этапа называются процессом обнаружения карты. При традиционном подходе считыватель периодически запускает данный процесс целиком, активируя свою антенну, отправляя в окружающее пространство запрос или команду пробуждения и определяя наличие NFC-датчика по полученному ответу. На рисунке ниже показаны формы сигналов при попытке обнаружения считывателем карты или метки в случае их отсутствия и наличия в области действия активного устройства (масштаб по вертикали не соблюден).
На данном рисунке цифрами «1» и «2» обозначены, соответственно, этапы первичной активации магнитного поля и ожидания/инициализации NFC-датчика. При отсутствии карты или метки в области действия считывателя его радиочастотная цепь отключается до запуска следующего процесса обнаружения карты (область «3»). Как видим, в этом случае энергия источника питания расходуется на попытки связи с несуществующим датчиком, поэтому длительность процесса его обнаружения желательно свести к минимуму, особенно в устройствах с батарейным или аккумуляторным питанием.
В CH585 для уменьшения энергопотребления используется тот факт, что по мере приближения карты или метки к считывателю амплитуда несущей уменьшается, поэтому после первичной активизации магнитного поля данные микросхемы начинают контролировать уровень сигнала с антенны. В том случае, если он остается неизменным или опускается ниже заданного значения ΔV, система принимает решение об отсутствии NFC-датчика и преждевременно завершает все последующие этапы, потребляющие от источника питания лишнюю энергию.
Такой подход значительно сокращает время работы радиочастотного тракта считывателя, снижая его средний потребляемый ток до уровня нескольких микроампер. Данное преимущество делает микросхемы CH585 хорошим решением для устройств, чувствительных к энергопотреблению, например, для автономных интеллектуальных дверных замков со сверхдлительным временем ожидания.
Отладочная плата на базе микросхемы CH585
Для оценки возможностей микросхемы CH585, а также для ускорения разработки проектов на ее основе компания WCH выпустила универсальную отладочную плату CH585M-EVT.
- выключатель питания (1), позволяющий подавать в систему напряжение питания +5,0 В (может браться от внешнего источника или с шины USB);
- кнопка «RESET» (2), используемая для принудительного сброса микросхемы CH585;
- кнопка «DOWNLOAD» (3), которая задействуется при загрузке прошивки через интерфейс ISP;
- два USB-порта (4) для связи микросхемы с компьютером, а также подачи питания на плату;
|
Обратите внимание, что один порт обеспечивает работу интерфейса USB в режиме High-Speed, в котором скорость обмена данными может лежать в диапазоне 25…480 Мбит/с, а второй – в Full-Speed, обеспечивающем быстродействие 0,5…12 Мбит/с. |
- разъемы расширения (5), дающие пользователю доступ ко всем портам ввода-вывода микросхемы, а также к шинам питания и контактам управления светодиодным матричным экраном;
- антенны NFC и BLE (6), отвечающие за организацию беспроводной связи по соответствующему интерфейсу.
При создании программного обеспечения для микросхем CH585 компания WCH предлагает использовать профессиональную бесплатную среду разработки Mounriver Studio II (MRS2). Она основана на Visual Studio Code и является кроссплатформенной (есть версии для Windows, Linux и macOS).
Mounriver Studio II поддерживает редактирование кода, его компиляцию (C/C++), а также аппаратную отладку через интерфейс SDI и управление библиотеками периферии. В сочетании с эффективным стеком протоколов BLE5.4 и NFC это помогает разработчикам существенно ускорить изготовление прототипа устройства, а также запустить его в серийное производство и вывести на рынок.
По продукции WCH вам ответят наши специалисты:
ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ, ЗАКАЗ ОБРАЗЦОВ, УСЛОВИЯ ПОСТАВКИ, ПОДБОР АНАЛОГОВ
или свяжитесь с нами: info@unirec.ru; 8 (800) 511-65-20
Вся линейка продукции WCH представлена в каталоге ЮниРЭК: