NFC技术概述ppt课件

September2009 NFCTechnology Overview JonathanMainMasterCardWorldwideChairman TechnicalCommittee NFC近距离通信技术介绍 主要内容 NFC技术起源和发展NFC通信原理介绍NFC协议体系结构介绍NFC应用介绍 什么是NFC NFC技术由Philips Nokia和Sony主推的一种近距离无线通信技术 NFCIP 1 通信距离在10厘米 实际中需要贴的很近 以13 56MHzRFID技术为基础与现有的非接触式智能卡国际标准相兼容数据传输速率106kbit s 212kbit s或424kbit s 3 NFCHasMultipleUses WirelessMarketSpace NFC起源和发展 NFC技术由飞利浦和索尼 Nokia联合研发近距离无线通信技术 NFCIP 1 以ISO14443 RFID 技术为基础向欧洲电脑制造商协会 ECMA 提交标准草案并被被认可为ECMA 340标准借助ECMA向ISO IEC提交了标准 被认可为ISO IEC18092 NFC起源和发展 2004年 飞利浦 索尼 诺基亚共同发起NFC论坛 开始推广NFC技术的商业应用为了兼容非接触式智能卡 2004年NFC论坛又推出了NFCIP 2规范 并被相关组织批准为ECMA 352 ISO IEC21481和ETSITS102312V1 1 1 NFC起源和发展 其中NFCIP 1标准详细规定NFC设备的调制方案 编码 传输速度与RF接口的帧格式 以及主动与被动NFC模式初始化过程中 数据冲突控制所需的初始化方案和条件 此外 这些标准还定义了传输协议 其中包括协议启动和数据交换方法等 NFCIP 2则指定了一种灵活的网关系统 用来检测和选择三种操作模式之一 NFC卡模拟模式 读写器模式和点对点通信模式 选择既定模式以后 按照所选的模式进行后续动作 网关标准还具体规定了RF接口测试方法 ISO IEC22536和ECMA 356 和协议测试方法 ISO IEC23917和ECMA 362 这意味着符合NFCIP 2规范的产品将可以用作ISO IEC14443A和B以及Felica ProximityCards 和ISO15693 VicinityCards 的读写器 NFC操作模式 操作模式NFC可以运行在ISO IEC18092 Felica JISX6319 4 和ISO IEC14443三种无线智能卡标准下 contactlesssmartcardstandard 1 读 写 PCD ProximityCouplingDevice在这种模式 开启NFC功能的手机可以读写任何支持的标签 读取其中的NFC数据格式标准的数据 2 点对点在这种模式下 两个NFC设备可以交换数据 例如 你可以分享启动蓝牙或Wi Fi连接的参数来启动蓝牙或Wi Fi连接 你可以交换如虚拟名片或数字相片等数据 点对点模式符合ISO IEC18092标准 3 模拟卡片 PICC ProximityCardorObject支持NFC的手机在与标签交互时扮演读取器的角色 在这种模式手机也可做为标签或被读取的无线卡片 NFC的工作模式 主动模式在主动模式下 每一个想要发送数据的设备 都必须产生自己的电磁场被动模式只有需要主设备产生电磁场 其他设备 通过负载调制的方法 来和主设备通信 其他设备虽然不产生磁场 但是可以将主设备的磁场强度拉低 从而达到通信的目的 标签卡工作在被动模式下 疑问 标签卡没有电源 是怎么把数据传输给读卡器的 负载调制是什么意思 调制技术 NFC标准中对于高速传输 424kbit s 还没有做出具体的规定 目前只支持106kbit s 212kbit s 424kbit s 在低速传输时采用了幅移键控 ASK 调制 但对于不同的传输速率具体的调制参数是不同的 幅移键控 ASK 调制 被动模式 被动模式主要用在读取标签卡的场景 此时标签的能量 是通过电感耦合的方式从主设备获取的 电阻负载调制开关S用于控制负载调制电阻Rmod的接入与否 开关S的通断由二进制数据编码信号控制 二进制数据编码信号用于控制开关S 当二进制数据编码信号为 1 时 设开关S闭合 则此时应答器负载电阻为RL和Rmod并联 而二进制数据编码信号为 0 时 开关S断开 应答器负载电阻为RL 应答器的负载电阻值有两个对应值 即RL S断开时 和RL与Rmod的并联值RL Rmod S闭合时 等效电路图 互感耦合回路的等效阻抗关系 NFC碰撞的产生 一 产生碰撞 collision 的原因 在RFID系统应用中 因为多个读写器或多个标签 造成的读写器之间或标签之间的相互干扰 统称为碰撞 1 标签碰撞2 读写器碰撞 标签碰撞 Data1 Data5 Data4 Data3 Data5 Data4 Data3 Data2 Data2 Data1 RFID数据碰撞示意图 Time Time 完全碰撞 Time TagB R1 Rr Rr Reader2 Reader1 读写器 读写器频率干扰 R1为Reader1的干扰范围 Rr为Reader1和Reader2的读取范围 从标签T反射到读写器Reader2的信号很容易被从Reader1发出的信号干扰 Tag 读写器碰撞 多读写器一标签干扰 标签1接收到的信息为两个读写器发射信号的矢量和 是一个未知信号 如何解决碰撞的问题呢 读卡器防碰撞 为了防止正在工作的其他NFC设备 包括工作在此频段的其他电子设备 的干扰 NFC标准规定任何NFC设备在呼叫前都要进行系统初始化以检测周围的射频场 当周围NFC频段的射频场小于规定的门限值 0 1875Am 时 NFC设备才能呼叫 系统初始化防冲突检测的流程如图所示 标签碰撞 二进制树型搜索算法 冲突节点 非冲突节点 0 1 10 11 100 101 树分叉算法 基本思想是 将处于碰撞的标签分成左右两个子集0和1 先查询子集0 若没有碰撞 则正确识别标签 若仍有碰撞则分裂 把1子集分成00和01两个子集 直到识别子集1中所有标签 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 射频卡1 射频卡2 读写器译码 在二进制搜索算法的实现中 起决定作用的是读写器所使用的信号编码必须能够确定碰撞的准确比特位置 曼彻斯特码 Mancherster 可在多卡同时响应时 译出错误码字 可以按位识别出碰撞 这样可以根据碰撞的位置 按一定法则重新搜索射频卡 A 10100111 B 10110101 C 10101111 D 10111101 R 11111111 R 11111111 R表示阅读器 搜寻标签过程 A 10100111 C 10101111 R 10101111 R 10101111 送REQUEST 10101111 命令 标签A和C应答 解码数据为1010 111 发生碰撞 算法做下如下 将碰撞的最高置0 其它碰撞位置1 得10100111 R表示阅读器 A 10100111 C 10101111 R 10100111 R 10100111 R表示阅读器 可以识别A ImprovedAnti collisionAlgorithm搜寻过程 10100111 10110101 10101111 10111101 11111111 101 1 1 10101111 10100111 10101111 1010 111 10100111 10100111 识别TagA 10110101 10101111 10111101 11111111 101 1 1 10101111 10101111 识别TagB ImprovedAnti collisionAlgorithm搜寻过程 10110101 10111101 11111111 1011 101 10110101 10110101 10111101 10111101 识别TagC 识别TagD TYPEA 位检测防碰撞协议 帧有3种类型 短帧 标准帧和面向比特的防碰撞帧 ISO IEC14443标准中的防碰撞协议 短帧 标准帧 面向比特防碰撞帧 加校验位 不加校验位 不加校验位 命令集REQA WUPA命令PCD给PICC发送查询信息 这两个命令为短帧 REQA编码为26H 高半字节取3位 WUPA编码为52H 高半字节取3位 ATQA应答PCD发出REQA命令后 处于休闲状态的PICC都应同步地以ATQA应答PCD PCD检查是否有碰撞 备用 经营者编码 UID大小00 UID级长为101 UID级长为210 UID级长为3 比特帧防碰撞方式 仅有1位设置成1 UID结构定义 注 UID可以是一个固定的唯一序列号 也可以使由PICC动态产生的随机数 CT 级联标志 编码为88H 命令集ANTICOLLISION和SELECT命令 命令集ANTICOLLISION和SELECT命令 PCD发送的字节数 命令的非完整字节最后一位的位数 命令集ANTICOLLISION和SELECT命令 BCC 是UIDCLn的校验位 是UIDCLn的4个字节的异或 命令集ANTICOLLISION和SELECT命令 若NVB 70H 即指示其后有40个有效位 则应添加CRC A 2字节 此时为SELECT命令 若NVB指示其后少于40个有效位 则为ANTICOLLISION命令 命令集SAK应答PCD发送SELECT命令后 与40位UID匹配的PICC以SAK作为应答 UID不完整 还有未被确认部分 UID完整 PICC遵守ISO 14443 4标准的传输协议 PICC的状态Power off 断电 状态没有足够的载波能量 PICC没有工作 也不能发送反射波 Idle 休闲 状态PICC已经上电 能够解调信号 并能够识别有效的REQA和WAKE UP命令 Ready 就绪 状态实现位帧的防碰撞算法或其它可行的防碰撞算法 Active 激活 状态PCD通过防碰撞已经选出了单一的卡 Halt 停止 状态 防碰撞流程 RelationshiptoOther Standards ProximityandVicinityStandards ISO IEC14443 IncludedasabasestandardinDigitalProtocoland Analoguespecifications ISO IEC18092 NFCIP 1 IncludedasabasestandardinDigitalProtocoland Analoguespecifications JISX6319 4 FeliCa IncludedasabasestandardinDigitalProtocoland Analoguespecifications ISO IEC15693 Vicinity OutofscopeofNFCForumwork NFC协议栈 6 NFCForumTechnology Architecture LogicalLinkControlProtocolSpecification LLCP SNEP ProtocolBindings NFCForumType1 2 3 4TagOperationSpecifications NDEF RTD NFCActivitiesSpecificationsDigitalProtocolSpecificationAnalogueSpecifications NFCForumTechnologyArchitectureReferenceApplications 7 NFCForumTechnology Architecture 定义了一个NFCForum设备的设备属性 例如波形的外形 磁场强度等 同时也决定了通信范围 AnalogueSpecifications 8 NFCForumTechnology Architecture AnalogueSpecifications DigitalProtocolSpecification 实际上这里就可以把它理解成NFC的MAC层协议 它定义了三种NFC技术 NFC A B F 分别对应着ISO14443TYPEATYPEB以及Felica的规范 其中包括了初始化 冲突检测等 同时它也定义了传输协议 如NFC DEP ISO DEP用于点对点通信等 这个数字协议实际上就是ISO IEC14443 ISO18092的一个合体 9 NFCForumTechnology Architecture NFCActivitiesSpecificationDigitalProtocolSpecification 可以说是Digital的一个补充 Digital中定义了帧格式 编码等通信的功能 但是如何使用Digital中的定义的帧来完成通信 则是在Activity规范中定义的 Activity中定义了一大堆的流程图及状态转移图 用来描述Digital规范中的内容是如何工作的 这样看来其实Acitivity规范也应该就是Digital中的一部分 AnalogueSpecifications NFCForumTechnology Architecture NDEF是由NFCForum的RAF工作组定义的一些应用规范 不是强制性的 但是多数厂家都在使用这种数据封装格式 andoroid手机使用的数据封装就是NDEF格式的数据 NDEF封装模型 一个NDEFMessage有许多Record组成 一个Record的三大数据PayloadLength Record所携带的数据PayloadType 数据是属于那种类型的用于将playload分给不同的应用PayloadIdentification 用于上层协议对数据进行标示 例如 标示基于URI的record连接 TNF TNF指明Type域的数据是如何进行封装的 NFCForumTechnology Architecture 定义了如何对NDEF数据就行封装和解析定义了各个类型的type中数据的含义例如对应URI类型的数据 指明了Identification的含义 Reader WriterMode Reader WriterMode DefinehowtoreadandwriteNDEFdatafrom toatagTypes1and2 ProprietarytagsbasedonISO14443TypeAType3 ProprietarytagbasedonFeliCa Type4 OpentagbasedonISO14443TypeAorBand ISO7816 4 Reader WriterMode NFCForum definedreferenceapplications e g connectionhandover smartposter Reader WriterMode Proprietarytag basedapplicationsusingNDEF e g reading informationonmedicinebottles Reader WriterMode 不是以NDEF数据格式封装的应用 这样的话只能是自己的设备能解析出数据 Peer to PeerMode Peer to PeerMode 用于链路的创建 拆除 维护等功能 同时还提供面向连接和无连接的服务等 Peer to PeerMode ProtocoltoallowtheexchangeofNDEFmessages SNEP inPeerMode规定了数据如何传输 例如数据参数的最大长度协商 Peer to PeerMode 说明了如何向LLCP进行Protocls的绑定 因为LLCP有多过protocol 类似蓝牙的SDP的功能 其他设备可以查询 相应的protocol对应的LLCP链路 Peer to PeerMode NFCforum注册的protocolse g OBEX IP handover SNEP Peer to PeerMode AnyotherprotocolswhichmayrunoverthelinklayerprovidedbyLLCP BindingstoLLCParenotprovidedbyNFCForum Peer to PeerMode NFCForum定义的应用如handover Peer to PeerMode 非NFCForum定义的Protocols 例如交互名片 分享照片等 CardEmulationMode Analogue DigitalProtocol Applications CardEmulationMode Analogue DigitalProtocol Applications 专有的非接触卡的应用例如基于ISO14443A B一卡通 基于Felica的手机支付 NFC论坛协议架构 ProtocolTechnicalSpecificationsNFCForumTagTypeTechnicalSpecificationsRecordTypeDefinitionTechnicalSpecificationsReferenceApplicationTechnicalSpecifications ProtocolTechnicalSpecificationsNFCActivityTechnicalSpecificationv1 0NFCControllerInterface NCI TechnicalSpecificationv1 0NFCLogicalLinkControlProtocol LLCP CandidateTechnicalSpecificationv1 0NFCDigitalProtocolCandidateTechnicalSpecificationv1 0NFCActivityCandidateTechnicalSpecificationv1 0NFCControllerInterface NCI CandidateTechnicalSpecification NFCForumTagTypeTechnicalSpecificationsNFCForumType1TagOperationSpecificationv1 1NFCForumType3TagOperationSpecificationv1 1NFCForumType4TagOperationSpecificationv1 0NFCForumType4TagOperationSpecificationv2 0 NFCForumTagTypeTechnicalSpecificationsNFCSignatureRecordTypeDefinition RTD CandidateTechnicalSpecificationv1 0 ReferenceApplicationTechnicalSpecificationsNFCForumConnectionHandover1 1TechnicalSpecificationNFCForumConnectionHandoverTechnicalSpecificationv1 0NFCForumConnectionHandoverCandidateTechnicalSpecification NFC在汽车上的应用 宝马NFC车钥匙2013年宝马推出了一款能打开预定酒店的NFC车钥匙 车载系统 酒店 Nfc车钥匙 车载搜索附近的合作酒店进行预定 酒店将房间信息发送的车载导航 车载导航将房间信息写进NFC车钥匙并导航到酒店 司机到酒店后 可绕过前台直接走到预订的房门前用车钥匙开启房间 现代汽车公司正在着手研发使用NFC无线系统 预计到2015年实现量产通过NFC技术 每一辆汽车都能保存车主手机特定的配置文件 可以自动可以调节反光镜位置 座椅倾角和最合适的立体声音响音量 同时现代公司还在车内内置了一个感应型充电托盘 可在行驶过程中为用户的可兼容设备充电 目前这种车正处在概念阶段 想要使用手机来遥控汽车