1. 29.08.2016 NFC/RFID-TECHNIK IM VORMARSCH
Sichere, portable Embedded-Geräte
Die meisten NFC/RFID-fähigen Geräte sind noch nicht einmal erfunden. Es gilt deshalb keine Zeit zu verlieren, zumal kaum Zweifel
daran 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 und
Kompromissen fest? Inzwischen nicht mehr. Die einstmals als Nachfolger der Barcodes
betrachtete Technik hat gezeigt, dass sie weit mehr ist als einfach nur praktisch und robust. Tag für
Tag kommen auf vielen Consumer- und Industriemärkten neue Anwendungen für NFC und RFID
(Radio Frequency Identification) hinzu. Diese Anwendungen haben das traditionelle Segment der
einfachen, intuitiven, und sicheren kontaktlosen Transaktionen beispielsweise mit dem Austausch
von Informationen (Telefonnummern, Bildern, Posterdaten und so weiter) zwischen zwei
NFC/RFID-fähigen Geräten längst verlassen. Man muss diese Geräte hierzu lediglich miteinander
in Kontakt bringen oder einander annähern. Inzwischen sorgen neue, unkonventionelle
Denkweisen für eine Weiterentwicklung der primären Konzepte und traditionellen
Nutzungsweisen 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 gar
nicht so groß. Im Prinzip ist NFC eine weiterentwickelte Variante der RFID-Technik und wurde auf
dem 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-fähigen
Geräten auszutauschen. Dieses standardisierte Format hat NFC/RFID zu einer aufstrebenden drahtlosen Technik gemacht, für die im
künftigen „Pervasive Computing“ äußerst vielversprechende Anwendungen auszumachen sind.
Um eine breite Anwendungsbasis zu erfassen, werden die Begriffe RFID und NFC in der folgenden Abhandlung als austauschbar
angenommen. Der Beitrag vermittelt zunächst einen kurzen Überblick über die NFC/RFID-Technik und schlägt einen einheitlichen
Schaltungsblock vor, den OEMs nutzen können, um neue portable Elektronikprodukte mit kontaktloser NFC/RFID-Funktionalität
auszustatten. Die auf dem sicheren passiven Dual-Interface Tag Deep-Cover MAX66242 von Maxim Integrated basierende
Beispielschaltung macht es einfach, beliebige Embedded-Elektronikplattformen mit NFC/RFID-Kurzstreckenfunktechnik
auszustatten. Die Beschreibung einiger praktischer Anwendungsfälle rundet die Abhandlung ab.
Lesegeräte und Tags: die Grundlagen der NFC/RFID-Technik
NFC/RFID ist eine Kurzstreckenfunk- und standardbasierte drahtlose Verbindungstechnik, mit deren Hilfe Geräte, die sich in relativ
geringer Entfernung zueinander befinden, miteinander kommunizieren können. Die NFC/RFID-Kommunikation funktioniert über
Distanzen von wenigen Zentimetern bis zu etwa einem Meter und nutzt das Prinzip der induktiven Kopplung. Ähnlich einem
Luftspalt-Transformator wird dabei über ein magnetisches Feld Energie zwischen beiden Geräten übertragen. Die Antennenspule
des 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 also
ein Tag in geringer Entfernung zum Lesegerät, koppelt das von der Lesegerät-Antenne ausgehende Feld in die Antennenspule des
Tags ein. Dabei wird im Tag eine Spannung induziert, die gleichgerichtet und zur Versorgung der internen Schaltungen des Tags
verwendet wird.
Bild 1 verdeutlicht, wie das Lesegerät das Feld moduliert, um seine Daten an den Tag zu
übermitteln. Für die Rückübertragung von Daten an das Lesegerät verändern die Schaltungen im
Tag die Belastung der Spule, während das Lesegerät weiter sein unmoduliertes Trägersignal sendet.
Das Lesegerät registriert diese Belastungsänderungen wiederum mithilfe der gegenseitigen
Kopplung. Man bezeichnet dieses Verfahren als Lastmodulation. Die NFC/RFID-Technik arbeitet
mit einer Trägerfrequenz von 13,56 MHz, die zum weltweit verfügbaren und lizenzfreien ISM-Band
gehört. Es gibt für sie eine Reihe von Standard-Spezifikationen wie zum Beispiel ISO/IEC 14443
Typ 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

2. 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 ein
passives Tag, das für seine Funktion keine externe Energiequelle benötigt. Stattdessen bezieht ein
passives Tag seine Energie aus dem elektromagnetischen Feld des Lesegeräts. Zu den typischen
Anwendungen 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-Authenticator
Designer können jetzt auf sichere Weise Systemkonfigurations- und Kalibrierdaten mit ihren
portablen Elektronikprodukten austauschen, auch wenn das portable Gerät von seiner Stromquelle
getrennt wurde oder ausgeschaltet ist. Die in Bild 1 gezeigte Lösung ermöglicht jedem
elektronischen Embedded-Produkt über das I²C-Interface die drahtlose Kommunikation mit
Geräten 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, wie
NFC/RFID-Lesegeräte mit dem MAX66242 kommunizieren. Ein 32-Byte-SRAM-Puffer ermöglicht schnelle Datentransaktionen über
das I²C-Interface. Der zum Energy Harvesting dienende V -Pin des Tags erlaubt die Verwendung der Antenne zum „Ernten“ von
Energie aus dem HF-Feld des Lesegeräts. Somit sind also SHA-256-Sicherheit, schnelle Datentransfers und das Energy Harvesting die
entscheidenden differenzierenden Merkmale, die dieses passive Tag zu einem attraktiven Bauelement für alle OEMs machen, die ihre
portablen NFC/RFID-Systeme auf einer offenen, skalierbaren Plattform aufsetzen möchten.
Sicherung der Daten: Vertraut wird nur geprüften oder echten Slaves
Mithilfe 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 sicheren
Hashing-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 besten
kontrollieren, 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 Tags
verändern. Dieses Schema bietet die Gewähr dafür, dass das (mit dem MAX66242 ausgestattete) portable Gerät und das Lesegerät
über das gleiche geheime SHA-256-Element verfügen. Bei aktiver SHA-256-Funktionalität muss das portable Gerät eine gültige
Antwort (Response) an das NFC/RFID-Lesegerät schicken, um als authentisch anerkannt zu werden. Diese Antwort des portablen
Geräts hängt wiederum sowohl von der empfangenen Challenge als auch von dem in ihm gespeicherten geheimen Element ab. Wenn
das portable Gerät falsch auf die Challenge antwortet, wird es vom Lesegerät (bei dem es sich beispielsweise um ein Smartphone
handeln 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 Element
selbst. Bei der ROM-ID handelt es sich um eine nur einmal vergebene 64-Bit-Seriennummer, die
während der Produktion in das Tag geschrieben wird. Das gleiche geheime Element muss auch in
das Lesegerät programmiert und dort gut geschützt abgelegt werden. Bild 3 zeigt als Beispiel eine
Türsicherung, in der das NFC/RFID-System zunächst eine Challenge-and-Response-
Authentifizierung initiiert, bevor der Zugang zu dem betreffenden Haus oder Safe freigegeben
wird.
Hochkarätige Sicherheitsfunktionen, integriert in den Passive-Tag-Authenticator (Bild 2), der
eine drahtlose NFC/RFID-Schnittstelle mit einem I²C-Interface kombiniert
•
Datenschutz-Funktionen•
Schnelle Datenübertragung•
Energy Harvesting im Tag•
OUT

3. 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 den
portablen, sicheren Embedded-
Systemen von heute auf.
(Bild: Maxim Integrated)
Um den wirksamsten mit vertretbarem Aufwand realisierbaren Schutz vor unvermeidbaren
böswilligen Attacken auf Sicherheits-ICs dieser Art zu erzielen, kommen bei diesem passiven Tag
proprietäre, auf der Chip-Ebene ansetzende physische Techniken, Schaltungen und
Verschlüsselungsmethoden zum Einsatz. Diese Abwehrmaßnahmen hindern Angreifer daran, zum
Kompromittieren der Sicherheits-Implementierung des Systems den geheimen Schlüssel auszulesen, um diesen zu klonen oder die
proprietären Kalibrierdaten zu verändern.
Schutz für die Daten: Konfiguration und Nutzungsbeschränkung
Der 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 heißt
ungeschützt) sind oder für EEPROM-Schreibzugriffe eine Authentifizierung verlangen. Es stehen verschiedene Schutzarten zur
Auswahl. 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 von
0 auf 1 verändert werden. Einmal aktiviert, kann der EM-Modus nicht mehr zurückgenommen werden. Dieser Prozess, mit dem sich
eine Zähler- oder Nutzungsbeschränkungs-Funktion am besten implementieren lässt, kann nur mit größtem Aufwand überwunden
werden.
Mit dem EM-Modus können OEMs auch besser kontrollieren, welches NFC/RFID-Lesersystem mit ihrem Produkt kommunizieren
darf. Somit handelt es sich hier um eine sichere Möglichkeit, die im Gerät abgelegten Kalibrier- und Konfigurationsdaten und
proprietären Diagnoseinformationen zu schützen.
Schnellere Datentransfers ohne externen Mikrocontroller
Beim 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 Bild
3 gezeigten Art hat das NFC/RFID-Lesegerät Zugriff auf ein I²C-basiertes elektronisches Bauteil, das direkt mit dem MAX66242
verbunden ist. Aus diesem Grund wird kein zusätzlicher Mikrocontroller (zum Beispiel auf der Sensorkarte) benötigt, um auf die
Daten zuzugreifen.
Wie bereits erwähnt, hilft der integrierte 32-kByte-SRAM-Puffer des ICs bei der Beschleunigung
von Daten-Transaktionen zwischen I²C und Funkstrecke. Während die Daten bei vergleichbaren
Lösungen die EEPROM-Zellen durchlaufen müssen, nutzt der MAX66242 des Beispiels seinen
SRAM-Puffer für solche Übergaben. Ein SRAM-Speicher aber bietet wesentlich kürzere
Zugriffszeiten 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 verschiedenste
Zwecke genutzt werden kann – beispielsweise um in bestimmten Anwendungen Interrupts an den
Mikrocontroller 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 sehr
gut zum Aufwecken eines im Schlafmodus befindlichen Embedded-Systems, wenn ein 13,56-MHz-
Hochfrequenzfeld detektiert wird. Insgesamt lässt sich mit diesem multifunktionalen PIO-Pin also
der Datenfluss im System besser kontrollieren.
Energy Harvesting, mehr Flexibilität und erweiterte Skalierbarkeit
Das Energy Harvesting ist überaus nützlich, denn es macht den MAX66242 zu einer weitreichend
flexiblen und skalierbaren Lösung für ein breites Spektrum von NFC/RFID-Anwendungen. Als
herkömmliches passives Tag eingesetzt, benötigt das IC keine externe Stromversorgung, zumal seine Leistungsaufnahme sehr gering
ist. Nur etwa 50 µA oder geringfügig mehr nimmt der Baustein je nach den unterstützten Features auf. Seine gesamte Energie bezieht
das Tag aus dem 13,56-MHz-Feld des Lesegeräts. Wenn die Antennen richtig konstruiert und für eine effiziente, optimierte
Verbindung abgestimmt sind, erntet das passive Tag deutlich mehr Energie als es selbst benötigt. Häufig leitet man die überschüssige
Energie zur Masse ab. Im Fall des MAX66242 jedoch wird die nicht benötigte Energie am Gleichrichter gesammelt und über den
V -Pin aus dem IC hinausgeleitet, sodass sie zur Versorgung weiterer ICs der Applikation verwendet werden kann. GespeistOUT

4. 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, kann
dieser konfigurierbare Stromversorgungs-Ausgang bis zu 5 mA liefern.
Optimiertes Antennendesign für maximale Leistung und Effizienz
Das 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 Antennenspulen
von Lesegerät und Tag hängt, abgesehen von der Präzision der Resonanzspulen, auch davon ab, wie gut die Antennen aufeinander
abgestimmt – das heißt in Resonanz sind. Im vorliegenden Fall müssen also die Antennenspule des MAX66242-Tags und sein
Abstimmkondensator 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 auf
einer 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 muss
also null sein. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Gleichung LCw = LC (2πf) = 1 (bei f = f ) zutrifft. Daraus ergeben sich
theoretisch die Verhältnisse für den Fall, dass der Energiefluss in den Tag-Chip MAX66242 ein Maximum erreicht beziehungsweise
die 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 auf
den internen Abstimmkondensator (C ) abgestimmt sein, dass die Schaltung genau mit einer
Frequenz von 13,56 MHz schwingt.
Ist diese Bedingung erfüllt, befindet sich die abgestimmte Schaltung in Resonanz. In Gleichung 1 ist
auch die tatsächliche Berechnung von L mit einem realen C -Wert gezeigt. Vom
Designer wird anschließend die externe Antenne so entworfen, dass genau der berechnete L-Wert
erreicht wird. Wenn dies gelingt, ermöglicht das Antennendesign den Bezug eines maximalen
Stroms aus der LC-Schleife.
In der Realität müssen Designingenieure die NFC/RFID-Antennenspulen stets so auslegen, dass im
System 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. Das
genaue Design der Antennenspule selbst geht allerdings über den Rahmen dieses Beitrags hinaus.
Ausstattung eines portablen Geräts mit NFC/RFID
Man 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 mehreren
Systemen in einem Netzwerk zu sammeln. Die Zahl der mit NFC/RFID ausgestatteten medizinischen und industriellen Anwendungen
ist 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 einen
Kommunikationsweg 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 die
Funktionen RF-AIP und RF-BUSY) für die Verbindung zum Host-Mikrocontroller benötigt werden, sind die Signale
RFID_V _ENABLE und SYS_ALERT_INT# optional. MOSFET Q1 wird für Isolationszwecke verwendet. Da das interne EEPROM des
Tags 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-Produkt
in der Lage, mit jedem NFC/RFID-Lesegerät oder -Initiatorsystem zu kommunizieren. Sobald das Board in den Einzugsbereich eines
HF-Feldes kommt, liegt V an und schaltet Q2 ein. Daraufhin wechselt das Signal SYS_ALERT_INT# in den Low-Status, wodurch
wiederum 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
TUNING
2 2
RES
RES INDUCTOR
INDUCTOR
TUNING
INDUCTOR TUNING
CC
CC
OUT
CC

5. 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 verbunden
sein, 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 eines
Umsetzers 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 externe
Abstimmkondensator C ist dagegen optional. Mit ihm können Designer die Abstimmung ihres Systems abhängig von dem
Belastungseffekt in der Umgebung, in die das Tag eingebaut wird, relativ schnell verändern.
NFC/RFID ebnet den Weg zu neuen Anwendungen
Wie bereits erwähnt, verspricht die NFC/RFID-Technik neue potenzielle Anwendungsmöglichkeiten im industriellen und
medizinischen Bereich. Beispiele für diese neuen Einsatzgebiete sind die automatische Gerätekonfiguration, die Begrenzung der
Nutzungshäufigkeit, Aktivierungseinstellungen, die sichere Authentifizierung von Slave-Geräten und die Implementierung von
Sensor-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 einem
Sensor-IC zur Erfassung definierter physikalischer Größen, die Auskunft über das Verhalten des
Anwenders und die Umgebung geben (Bild 5). Zu diesen Größen gehören Temperatur, Druck, Licht,
Stöße, Vibrationen, Feuchtigkeit, Beschleunigung und detektierte Chemikalien. Diese
Sensorfunktionen ergänzen die normalen Identifikations-Funktionen des Tags. Eine attraktive
Eigenschaft eines sicheren Sensor-Tags ist seine Fähigkeit zum Sammeln und Übermitteln von
Messgrößen, ohne dass eine Leitungsverbindung bestehen muss. Der hier als Beispiel angeführte
MAX66242 eignet sich sehr gut für die diskrete Implementierung eines Sensor-Tags.
Ein Temperaturmess-Pflaster und ein Pflaster zur Ermittlung des Sonnenschutzfaktors (Sun
Protection Factor – SPF) sind Beispiele für medizinische Einwegprodukte, die mit einem Sensor-Tag
bestückt sind. Ist das Temperaturmess-Pflaster am Patienten angebracht, kann das Pflegepersonal
Temperaturmessungen vornehmen, ohne den Patienten zu berühren. Angesichts der weltweit
gehegten Bedenken wegen verborgener, gefährlicher Viren ist dies eine gute Möglichkeit, die
Gefahr der gegenseitigen Ansteckung in medizinischen Einrichtungen zu bannen. Auf die gleiche
Weise kann ein SPF-Pflaster beispielsweise Strandbesuchern helfen, den richtigen
Lichtschutzfaktor für die Sonnenschutzcreme zu ermitteln. Hierzu reicht es, das SPF-Pflaster gelegentlich mit einem Smartphone
auszulesen.
Ein Sensor-Tag kann ebenfalls helfen, die Unversehrtheit einer Lieferung zu überwachen. Zum Beispiel kann ein Stoß- oder
Vibrationssensor die Stöße aufzeichnen, die während des Transports auf einen wertvollen und/oder zerbrechlichen Gegenstand
eingewirkt 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 die
Temperaturdaten 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 als
Brücke, die die analogen Größen in sinnvolle Informationen verwandelt, die sich der Anwender auf seinem Smartphone oder Tablet
anzeigen lassen kann. Auch hier wird bei Verwendung dieses ICs keine externe Energiequelle benötigt, da die am V -Pin
anliegende, aus dem HF-Feld geerntete Energie zur Versorgung des Sensor-ICs verwendet werden kann. Bild 6 zeigt einen
detaillierteren Schaltplan eines diskreten Sensor-Tags.
Diagnose-und Fehlerdaten zur Sicherung der Langzeit-Zuverlässigkeit
Kurz zusammengefasst verleiht das Tag MAX66242 jedem Embedded-System die Fähigkeit zur Kommunikation mit NFC-fähigen
portablen Geräten.
CC
CC
EXT-TUNE
OUT

6. 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 nächste
Inspektion fällig ist. Sobald die in Bild 4 gezeigte Schaltungsarchitektur in einem Embedded-Design
implementiert ist, kann das System auf drahtlosem Weg Informationen mit der Außenwelt
austauschen. Dabei kann es sich um Diagnose- oder Fehlercodes, Daten ausgefallener Schaltungen,
Laufzeit-Warnungen oder andere Daten zur Konfiguration/Kommissionierung oder Kalibrierung
des Systems handeln. Diese Flexibilität bietet dem OEM Gelegenheit, sein Endprodukt mit noch
mehr Zusatznutzen auszustatten.
Designer können den MAX66242 zur Speicherung entscheidender Laufzeit- Diagnose-und
Fehlerdaten des Systems nutzen. Diese Daten lassen sich zu einem späteren Zeitpunkt, wenn das
System bereits ausgefallen oder abgeschaltet ist, hochladen. Das Erfassen dieser Zustands- und
Fehlerdaten des Systems erfolgt über das Interface des NFC/RFID-Tags. Bild 7 zeigt ein typisches
Power-Management-System, in dem die einzelnen PoL-Regler (Point of Load) über einen gemeinsamen PM-Bus (Power Management
Bus) konfiguriert und überwacht werden. Der PM-Bus stellt im Prinzip eine Abwandlung des I²C-Busses dar. Während des regulären
Systembetriebs werden fortlaufend bestimmte wichtige Parameter aller PoL-Regler überwacht. In dieser Betriebsart hat der
Systemmanager 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. Dabei
wird aufgezeichnet, wenn wichtige Parameter ihren zulässigen Bereich verlassen (zum Beispiel die Parameter von
Ansprechschwellen aller überwachten Fehlerüberwachungs-Schaltungen). Mithilfe eines NFC/RFID-Lesegeräts haben Techniker
somit jetzt Zugriff auf Messungen, die wenige Augenblicke vor dem eigentlichen Ausfall durchgeführt wurden. Diese Daten lassen
sich 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-Tag
ermöglicht die Kommissionierung der Sensorkarte, während sie noch ohne Stromversorgung im
Lager liegt. Analoge Kalibrierdaten, wichtige Parameter und andere Systeminformationen werden
unmittelbar vor der Installation per Smartphone in das Tag der Sensorkarte heruntergeladen. Ein
Konsument kann somit mithilfe des Smartphones Freischaltungen für bestimmte Produkte
erwerben und mit einer entsprechenden App über die NFC/RFID-Funktion des portablen Geräts
die entsprechenden Aktivierungen vornehmen.
Fazit
Die Verbreitung der NFC/RFID-Technik hat in den letzten Jahren dramatisch zugenommen. Was
aber spricht eigentlich dafür, ein tragbares Gerät mit NFC/RFID auszustatten? Die Antwort ist, dass
eine Embedded-Plattform damit für eine Vielzahl neuer Anwendungen geöffnet wird und dass sich
neue, 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 Anwendungen
entsteht.
Schon bald wird also jeder über ein NFC/RFID-Lesegerät verfügen. Weil dann natürlich jeder auch etwas zum Auslesen haben
möchte, profitieren die OEMs noch einmal. Der MAX66242 ermöglicht Designern eine flexible Konfiguration und sichere
Authentifizierung und verleiht ihnen die Fähigkeit, Diagnosen durchzuführen und Daten auszulesen. Der Baustein stellt eine denkbar
unkomplizierte 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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7.
ÜBER DEN AUTOR
Hamed M. Sanogo
Executive Business Manager, Maxim Integrated.
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