NFC技术概述的教案

NFC技术概述的教案第1页/共96页主要内容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应用介绍第2页/共96页什么是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。第3页/共96页3NFCHasMultipleUses第4页/共96页WirelessMarketSpace第5页/共96页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第6页/共96页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第7页/共96页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。第8页/共96页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第9页/共96页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第10页/共96页疑问？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？第11页/共96页调制技术

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。第12页/共96页幅移键控(ASK)调制第13页/共96页被动模式

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。第14页/共96页电阻负载调制开关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）。第15页/共96页等效电路图互感耦合回路的等效阻抗关系

第16页/共96页NFC碰撞的产生第17页/共96页一、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。1什么是碰撞1、标签碰撞2、读写器碰撞2碰撞的类型第18页/共96页标签碰撞第19页/共96页Data1Data5Data4Data3Data5Data4Data3Data2Data2Data1RFID数据碰撞示意图TimeTime完全碰撞TimeTagB第20页/共96页R1RrRrReader2Reader1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读写器碰撞第21页/共96页Tag3Tag2Tag1Reader1Reader2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。第22页/共96页

如何解决碰撞的问题呢？第23页/共96页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。

第24页/共96页标签碰撞第25页/共96页二进制树型搜索算法

冲突节点非冲突节点011011100101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。第26页/共96页101100001110??????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。第27页/共96页A:10100111B:10110101C:10101111D:10111101R:11111111R:11111111???R表示阅读器第28页/共96页搜寻标签过程A:10100111C:10101111R:10101111R: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表示阅读器第29页/共96页A:10100111C:10101111R:10100111R:10100111R表示阅读器可以识别A第30页/共96页ImprovedAnti-collisionAlgorithm搜寻过程第一次搜寻第二次搜寻第三次搜寻第四次搜寻第五次搜寻发送序号接收序号TagATagBTagCTagD1010011110110101101011111011110111111111101??1?11010111110100111101011111010?1111010011110100111识别TagA10110101101011111011110111111111101??1?11010111110101111识别TagB第31页/共96页ImprovedAnti-collisionAlgorithm搜寻过程第六次搜寻第七次搜寻第八次搜寻第九次搜寻第十次搜寻发送序号接收序号TagATagBTagC

TagD1011010110111101111111111011?10110110101101101011011110110111101识别TagC识别TagD第32页/共96页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

短帧标准帧第33页/共96页面向比特防碰撞帧加校验位不加校验位不加校验位第34页/共96页命令集

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第35页/共96页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第36页/共96页命令集

ANTICOLLISION和SELECT命令

组成域SELNVBUIDCLnBCC说明1字节1字节0～4字节1字节第37页/共96页命令集

ANTICOLLISION和SELECT命令

组成域SELNVBUIDCLnBCC说明1字节1字节0～4字节1字节PCD发送的字节数命令的非完整字节最后一位的位数第38页/共96页命令集

ANTICOLLISION和SELECT命令

组成域SELNVBUIDCLnBCC说明1字节1字节0～4字节1字节BCC：是UIDCLn的校验位，是UIDCLn的4个字节的异或。第39页/共96页命令集

ANTICOLLISION和SELECT命令

组成域SELNVBUIDCLnBCC说明1字节1字节0～4字节1字节若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。第40页/共96页命令集

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标准的传输协议第41页/共96页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

第42页/共96页第43页/共96页防碰撞流程第44页/共96页RelationshiptoOtherStandards•ProximityandVicinityStandards–ISO/IEC14443•IncludedasabasestandardinDigitalProtocolandAnaloguespecifications.–ISO/IEC18092–NFCIP-1•IncludedasabasestandardinDigitalProtocolandAnaloguespecifications.–JISX6319-4–FeliCa•IncludedasabasestandardinDigitalProtocolandAnaloguespecifications–ISO/IEC15693–Vicinity•OutofscopeofNFCForumwork.第45页/共96页NFC协议栈第46页/共96页6NFCForumTechnologyArchitecture第47页/共96页第48页/共96页

LogicalLinkControlProtocol Specification (LLCP)SNEPProtocolBindings

NFCForumType1,2,3,4Tag Operation SpecificationsNDEFRTD

NFCActivitiesSpecificationsDigitalProtocolSpecification AnalogueSpecifications

NFCForumTechnology Architecture

Reference Applications第49页/共96页7NFCForumTechnologyArchitecture

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第50页/共96页8NFCForumTechnologyArchitectureAnalogueSpecificationsDigitalProtocolSpecification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的一个合体第51页/共96页9NFCForumTechnologyArchitecture

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第52页/共96页NFCForumTechnologyArchitectureNDEF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格式的数据第53页/共96页NDEF封装模型一个NDEFMessage有许多Record组成第54页/共96页一个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第55页/共96页第56页/共96页NFCForumTechnologyArchitecture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的含义第57页/共96页

NDEF ReferenceApplications

Thirdparty NDEFApplications

Non-NDEFApplicationsType1-4Tag OperationDigitalProtocolAnalogueReader/WriterMode第58页/共96页

NDEF ReferenceApplications

Thirdparty NDEFApplications

Non-NDEFApplicationsType1-4Tag OperationDigitalProtocolAnalogueReader/WriterModeDefinehowtoreadandwriteNDEFdatafrom/toatagTypes1and2:ProprietarytagsbasedonISO14443TypeAType3:ProprietarytagbasedonFeliCaType4:OpentagbasedonISO14443TypeAorBandISO7816-4第59页/共96页

NDEF ReferenceApplications

Thirdparty NDEFApplications

Non-NDEFApplicationsType1-4Tag OperationDigitalProtocolAnalogueReader/WriterModeNFCForum-definedreferenceapplications,e.g.,connectionhandover,smartposter第60页/共96页

NDEF ReferenceApplications

Thirdparty NDEFApplications

Non-NDEFApplicationsType1-4Tag OperationDigitalProtocolAnalogueReader/WriterModeProprietarytag-basedapplicationsusingNDEF,e.g.,readinginformationonmedicinebottles第61页/共96页

NDEF ReferenceApplications

Thirdparty NDEFApplications

Non-NDEFApplicationsType1-4Tag OperationDigitalProtocolAnalogueReader/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第62页/共96页RefAppsApplications

Simple NDEFExchange Protocol

NFCForumRegisteredProtocols

OtherProtocolsProtocolBindingsLogicalLinkControlProtocolDigitalProtocolAnaloguePeer-to-PeerMode第63页/共96页RefAppsApplications

Simple NDEFExchange Protocol

NFCForumRegisteredProtocols

OtherProtocolsProtocolBindingsLogicalLinkControlProtocolDigitalProtocolAnaloguePeer-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第64页/共96页RefAppsApplications

Simple NDEFExchange Protocol

NFCForumRegisteredProtocols

OtherProtocolsProtocolBindingsLogicalLinkControlProtocolDigitalProtocolAnaloguePeer-to-PeerModeProtocoltoallowtheexchangeofNDEFmessages(SNEP)inPeerMode规定了数据如何传输，例如数据参数的最大长度协商第65页/共96页RefAppsApplications

Simple NDEFExchange Protocol

NFCForumRegisteredProtocols

OtherProtocolsProtocolBindingsLogicalLinkControlProtocolDigitalProtocolAnaloguePeer-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链路第66页/共96页RefAppsApplications

Simple NDEFExchange Protocol

NFCForumRegisteredProtocols

OtherProtocolsProtocolBindingsLogicalLinkControlProtocolDigitalProtocolAnaloguePeer-to-PeerModeNFCforum注册的protocolse.g.,OBEX,IP,handover,SNEP第67页/共96页RefAppsApplications

Simple NDEFExchange Protocol

NFCForumRegisteredProtocols

OtherProtocolsProtocolBindingsLogicalLinkControlProtocolDigitalProtocolAnaloguePeer-to-PeerModeAnyotherprotocolswhichmayrunoverthelinklayerprovidedbyLLCP.BindingstoLLCParenotprovidedbyNFCForum第68页/共96页RefAppsApplications

Simple NDEFExchange Protocol

NFCForumRegisteredProtocols

OtherProtocolsProtocolBindingsLogicalLinkControlProtocolDigitalProtocolAnaloguePeer-to-PeerModeNFCForum定义的应用如handover第69页/共96页RefAppsApplications

Simple NDEFExchange Protocol

NFCForumRegisteredProtocols

OtherProtocolsProtocolBindingsLogicalLinkControlProtocolDigitalProtocolAnaloguePeer-to-PeerMode非NFCForum定义的Protocols，例如交互名片，分享照片等第70页/共96页CardEmulationModeAnalogueDigitalProtocolApplications第71页/共96页CardEmulationModeAnalogueDigitalProtocolApplications专有的非接触卡的应用例如基于ISO14443A/B一卡通，基于Felica的手机支付第72页/共96页NFC论坛协议架构ProtocolTechnicalSpecifications

NFCForumTagTypeTechnicalSpecifications

RecordTypeDefinitionTechnicalSpecifications

ReferenceApplicationTechnicalSpecifications

第73页/共96页ProtocolTechnicalSpecificationsNFCActivityTechnicalSpecificationv1.0

NFCControllerInterface(NCI)TechnicalSpecificationv1.0

NFCLogicalLinkControlProtocol(LLCP)CandidateTechnicalSpecificationv1.0NFCDigitalProtocolCandidateTechnicalSpecificationv1.0

NFCActivityCandidateTechnicalSpecificationv1.0

NFCControllerInterface(NCI)CandidateTechnicalSpecification

第74页/共96页NFCForumTagTypeTechnicalSpecifications

NFCForumType1TagOperationSpecificationv1.1

NFCForumType3TagOperationSpecificationv1.1

NFCForumType4TagOperationSpecificationv1.0

NFCForumType4TagOperationSpecificationv2.0第75页/共96页NFCForumTagTypeTechnicalSpecifications

NFCSignatureRecordTypeDefinition(RTD)CandidateTechnicalSpecificationv1.0

第76页/共96页ReferenceApplicationTechnicalSpecifications

NFCForumConnectionHandover1.1TechnicalSpecification

NFCForumConnectionHandoverTechnicalSpecificationv1.0

NFCForumConnectionHandoverCandidateTechnicalSpecification

第77页/共96页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车钥匙第78页/共96页车载系统酒店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第79页/共96页现代汽车公司正在着手研发使用NFC无