Алтайский государственный университет
Опубликован: 05.06.2014 | Доступ: свободный | Студентов: 1602 / 769 | Длительность: 08:16:00
Лекция 4:

Примеры аппаратных решений решения для беспроводных сетей различных технологий

RFID-устройства

Интересной разновидностью мобильных беспроводных устройств является класс устройств, не требующих для своего функционирования собственного источника питания. Их питание осуществляется за счет получения энергии от внешнего электромагнитного поля. Они становятся активными в некоторой области вблизи источника радиоволн определенной частоты. Возможно, когда-нибудь, они достигнут возможностей, описанных в романе В. Винджа "Глубина в небе" (создание полноценной сети с возможностью передачи звука и изображений). На данный момент устройства с питанием от радиоимпульсов, так называемые радиочастотные метки, или RFID-метки, способны передавать в ответ на запрос некоторую идентифицирующую их информацию с возможностью занесения в них новых данных.

Идентификационные данные и показатели работы, передаваемые RFID-устройствами в зависимости от объекта автоматизации и решаемых задач могут использоваться как самостоятельно, так и совместно с информационными ресурсами внешних информационных систем.

На территории Российской Федерации разрешены для свободного использования диапазоны рабочих частот:

  • НЧ - 125-134 кГц;
  • ВЧ - 13,56 МГц;
  • УВЧ - 865-868 и 915-921 МГц;
  • микроволны - 2,4 ГГц.

Рабочая частота выбирается из диапазонов, разрешенных к свободному использованию частот с учетом следующих факторов:

  • максимального расстояния считывания:
  • для НЧ - несколько сантиметров;
  • для ВЧ - 0,5-0,6 м;
  • для УВЧ - до нескольких метров;
  • для микроволн - до 200-300 м;
  • типа прикладной системы идентификации;
  • условий эксплуатации;
  • цены устройств.

Основные области применения RFID лежат в системах:

  • обеспечения безопасности:
  • идентификация личности;
  • ключ допуска в помещение;
  • отслеживание перемещений товара или оборудования;
  • системы "анти вор";
  • сбора данных - т.н. "даталоггеры";
  • логистики.

Можно также выделить и новые тенденции - смена режима работы мобильных вычислительных устройств в зависимости от окружения. В частности, появляются приложения для устройств на платформе Android с поддержкой NFC (Near Field Communications), позволяющие в зависимости от расположенной рядом метки активировать те или иные приложения. Данную идею вполне можно расширить и на более серьезные задачи, например, запрет или разрешение на доступ к данным или приложениям в зависимости от окружения - офис, удаленный офис, конференц-зал, дом.

В нашей стране пока наиболее распространены RFID-системы использующие диапазоны НЧ и ВЧ (125-134 КГц и 13.56МГц соответственно), считается, что в системах контроля доступа, отслеживания выноса товара и т.п. они менее чувствительны к попыткам блокировки их работы.

Семейство EEPROM c двойным интерфейсом доступа

Обычно RFID устройства представляют собой электрически стираемую энергонезависимую память с доступом по радиоканалу. S™icroelectronics предлагает оригинальное семейство EEPROM M24LRxxх c двойным интерфейсом доступа - данные доступны по интерфейсу I2C и по радиоинтерфейсу стандарта ISO 15693, работающему на частоте 13.56 МГц [56, 57]. По каждому из интерфейсов данные защищены 32-битным паролем доступа - один пароль для I2C шины и четыре пароля для доступа по радиоканалу. Данные, записанные в EEPROM по интерфейсу I2C могут быть прочитаны смартфоном со встроенным ISO 15693-совместимым NFC-интерфейсом или обычным RFID-считывателем (Рис. 4.37).

Память с двойным интерфейсом, хотя и проигрывает обычным RFID-устройствам, не имеющим корпуса, в размерах, открывает целый спектр новых возможностей, сочетая достоинства внешней энергонезависимой памяти и памяти с бесконтактным доступом.

Типовая структура системы, использующей память с двойным интерфейсом

увеличить изображение
Рис. 4.37. Типовая структура системы, использующей память с двойным интерфейсом

В семейство M24LRxxx входят микросхемы EEPROM емкостью от 4 до 64 Кбит (таблица 14 [56]). Серии M24LRxxE имеют выход индикации наличия поля и выход индикации обращения к памяти по радиоканалу, в серии M24LRxx вместо данных выводов расположения выводы выбора адреса (Рис. 4.38) [57].

Таблица 4.7. Семейство микросхем EEPROM с двойным интерфейсом S™icroelectronics M24LRxxx
Микросхема Емкость, Кбит Корпус
M24LR04E-R 4096 SO-8; TSSOP8; UFDFPN 8 2x3x0.6
M24LR16E-R 16384 SO-8; TSSOP8; UFDFPN 8 2x3x0.6
M24LR64-R 65536 SAWN WAFER F 8; SO-8; TSSOP8; UFDFPN 8 2x3x0.6
M24LR64E-R 65536 SO-8; TSSOP8; UFDFPN 8 2x3x0.6
Отличия в выводах между сериями M24LRxx и M24LRxxE

увеличить изображение
Рис. 4.38. Отличия в выводах между сериями M24LRxx и M24LRxxE

Структурная схема M24LRxxx представлена на Рис. 4.39.

Структурная схема EEPROM M24LRxxx

Рис. 4.39. Структурная схема EEPROM M24LRxxx

Основные характеристики:

  • диапазон напряжений питания - от 1.8 до 5.5В;
  • ток потребления (при питании со стороны I2C интерфейса):
    • в режиме чтения 50 (Vcc=1.8, f_scl=100 КГц) - 400 (Vcc=5.5, f_scl=400 КГц) мкА;
    • в режиме записи 220 мкА;
    • в режиме ожидания 30 - 40 мкА.
  • режимы одиночного чтения и чтения последовательных блоков;
  • рабочие тактовые частоты I2C интерфейса от 25 до 400 КГц;
  • со стороны I2C интерфейса доступ к данным осуществляется побайтно, со стороны радиоинтерфейса - блоками по 32 бита;
  • более 1 миллиона циклов перезаписи;
  • время записи - по I2C - <5 мс, по радиоканалу - 5.75 мс;
  • время хранения данных до 40 лет.

Для разрешения конфликтов одновременного доступа к памяти по I2C и по радиоканалу семейство M24LRxxx имеет встроенную схему арбитража.

В схему арбитража входит:

  • менеджер питания, отслеживающий наличие питания от внешнего источника или от поля;
  • арбитр доступа, отслеживающий режим доступа к памяти со стороны радиоканала и со стороны шины I2C.

Основные правила арбитража следующие:

  • при отсутствии питания на линии VCC доступ к памяти возможен только по радиоканалу;
  • при наличии и поля считывателя и проводного питания выполняется первая из распознанных команд, пришедшая или по радиоканалу или по шине I2C, и до завершения её выполнения остальные команды игнорируются.

Типовая схема включения памяти M24LRxxx представлена на Рис. 4.40 [58].

Представленная схема включения является одной из оптимальных с точки зрения применения в системах с ограниченными ресурсами энергии (необходимость длительной автономной работы, батарейное питание). Благодаря низкому собственному потреблению EEPROM питание её можно осуществлять непосредственно от линии порта микроконтроллера. При необходимости, для серий M24LRxxE приложением могут быть использованы выходы индикации наличия поля считывателя и доступа к EEPROM по радиоканалу. Применение контроллера с ультранизким энергопотреблением, к примеру, одного из контроллеров S™icroelectronics линейки S™8L. В этом случае общее потребление устройства будет лежать в пределах 1 мкА (потребление S™8L в режиме Acitve-Alt), дополнительно:

  • в режиме ожидания отключается также питание M24LRxxx, и нет утечки тока через подтягивающий резистор на линии SDA;
  • в активном режиме работы контроллера приложение получает полный контроль над питанием EEPROM, подавая его только при необходимости обращения к памяти по I2C.
Типовая схема включения M24LRxxx

увеличить изображение
Рис. 4.40. Типовая схема включения M24LRxxx

Индуктивность антенны, подключаемой к выводам AC0, AC1 рассчитывается\ таким образом, чтобы резонансная частота параллельного колебательного контура, образованного индуктивностью антенны и встроенной емкостью (параметр C_{tunning}) была равна 13.65 МГц. В зависимости от требуемого форм-фактора конечного устройства возможно применение печатных петлевых антенн (примеры таких антенн также доступны на сайте S™icrolectronics, кроме того, в ряде старых справочников по радиотехнике приводятся расчетные формулы для печатных индуктивностей различных конфигураций) или SMD-индуктивностей [59].

Серии M24LRxx допускают параллельное подключение для наращивания емкости памяти [59]. Это достигается путем параллельного подключения M24LRxx к одной шине I2C, параллельного подключения к одной антенне и задания разных уровней на линиях выбора адреса (E0, E1). Таким образом, возможно объединение до четырех микросхем M24LRxx, что при использовании, например микросхем серии M24LR64-R получить объем суммарной памяти до 256 Кбит (32 Кбайта) - см. Рис. 4.41. В данном включении, со стороны считывателя, параллельно включенные EEPROM будут видны как несколько отдельных микросхем, и доступ к ним будет осуществляться по их уникальным серийным номерам. Со стороны I2C доступ к отдельным микросхемам осуществляется по различным адресам шины I2C.

При параллельном подключении EEPROM на одну антенну следует помнить, что их встроенные емкости C_{tunning} будут суммироваться и требуемая индуктивность антенны будет меньше в количество раз, равное количеству параллельно включенных микросхем памяти.

Объединение M24LR64-R для увеличения суммарного объема памяти

увеличить изображение
Рис. 4.41. Объединение M24LR64-R для увеличения суммарного объема памяти

Основные области применения EEPROM с двойным интерфейсом:

  • промышленная автоматика, системы сбора данных, медицинское оборудование - обеспечение обновления/актуализации калибровочных данных, обновление параметров конфигурации, считывание диагностических показаний;
  • периферийные устройства, телекоммуникационное оборудование, бытовая электроника - обновление параметров конфигурации, считывание диагностических показаний, активация оборудования, запись настроек локализации, отслеживание перемещений;
  • RFID-системы - регистраторы данных, идентификационные карточки, регистраторы передвижения/перемещений персонала или объектов.

Считыватель RFID-меток CR95HF

Для работы с RFID устройствами, в частности и с EEPROM с двойным интерфейсом S™icroelectronics предлагает приемопередатчик CR95HF [60-61]. CR95HF поддерживает стандарты ISO 14443A/B, ISO 15693, а также протокол NFC (ISO/IEC 18092).

Трансивер CR95HF работает в режиме ведомого устройства, управляемого внешним хост-контроллером (Рис. 4.42). Для работы с трансивером доступна библиотека, позволяющая достаточно просто взаимодействовать с ним посредством SPI или UART интерфейса.

Типовая структура RFID-считывателя на базе CR95HF

увеличить изображение
Рис. 4.42. Типовая структура RFID-считывателя на базе CR95HF

Библиотека доступна для скачивания с официального сайта STMicroelectronics в вариантах и для 32-разрядных контроллеров STM32 и для бюджетных энергоэффективных 8-битных STM8L [6].

В состав библиотеки входит три уровня (Рис. 4.43):

  • нижний уровень - CR95HF LL, содержащий низкоуровневые команды для непосредственного управления трансивером CR95HF;
  • средний уровень - уровень протоколов, отвечает за поддержку и выполнение протокола стандарта ISO/IEC FCD 15693-3;
  • верхний уровень - уровень взаимодействия с микросхемами памяти, содержащий команды управления памятью семейств M24LRxxx и LRIxxx.

Для пользовательского приложения все три уровня являются прозрачными и представляются только функции самой библиотеки.

Структура библиотеки для работы с трансивером CR95HF

увеличить изображение
Рис. 4.43. Структура библиотеки для работы с трансивером CR95HF

Ознакомительные и отладочные платы

S™icroelectronics предлагает широкий выбор отладочных средств и ознакомительных плат для начала работы с EEPROM с двойным интерфейсом [62, 63]. Данные инструменты позволяют разработчику оценить расстояния, на которых возможно успешное считывание по радиоканалу, влияние типа антенн считывателя и памяти на условия совместной работы. Отладочные наборы позволяют:

  • работать с EEPROM в режиме доступа по шине I2C и в режиме доступа по радиоканалу;
  • исследовать работу механизмов разделения памяти на блоки, защиты отдельных блоков, работы механизмов парольной защиты.

Доступные отладочные наборы и оценочные платы EEPROM с двойным интерфейсом представлены в Табл. 4.8.

Таблица 4.8. Доступные отладочные наборы и оценочные платы EEPROM с двойным интерфейсом
Наименование Описание Микросхема EEPROM, лежащая в основе
Оценочные платы EEPROM с антеннами различных типов
ANT1-M24LR-A Плата с M24LR64-R с петлевой печатной антенной размерами 45 мм x 75 мм M24LR64-R
ANT1-M24LR16E Плата с M24LR64E-R с петлевой печатной антенной размерами 45 мм x 75 мм M24LR16E-R
ANT2-M24LR-A Плата с M24LR64-R с петлевой печатной антенной размерами 20 мм x 40 мм M24LR64-R
ANT2-M24LR16E Плата с M24LR64E-R с петлевой печатной антенной размерами 20 мм x 40 мм M24LR16E-R
ANT3-M24LR-A Демонстрационная плата с M24LR64-R с SMD индуктивностью в качестве антенны M24LR64-R
ANT4-M24LR-A Демонстрационная плата с двумя параллельно включенными M24LR64-R (общая емкость EEPROM 128Кбит) M24LR64-R
ANT5-M24LR-A Демонстрационная плата с четырьмя параллельно включенными M24LR64-R (общая емкость EEPROM 256Кбит) M24LR64-R
ANT7-M24LR16E Демонстрационная плата с M24LR16E-R с двухслойной печатной антенной 15 мм х 15 мм M24LR16E-R
FLEX-M24LR04E Демонстрационная плата с M24LR04E-R на гибкой основе с антенной 45 мм х 75 мм M24LR04E-R
ROBOT-M24LR16E-A Демонстрационная плата с M24LR16E-R выполненная в виде силуэта робота с печатной антенной 20 мм х 40 мм M24LR16E-R
Демонстрационные и отладочные платы с приемопередатчиком CR95HF
DEMO-CR95HF-A Демонстрационная плата трансивера CR95HF CR95HF
PLUG-CR95HF-B Демонстрационная плата трансивера CR95HF CR95HF
Регистраторы данных
DATALOG-M24LR-A Регистратор данных на базе M24LR64-R с управляющим контроллером SMT8L и датчиком температуры STTS75 M24LR64-R
STEVAL-IPR002V1 Регистратор данных на базе M24LR64-R с управляющим контроллером STM0153;8L, датчиками температуры, влажности, вибрации, свободного падения, освещенности M24LR64-R
Отладочные наборы
DEMOKIT-M24LR-A Демонстрационный набор для работы с EEPROM M24LRxx-R (RFID считыватель, антенна считывателя, I2C программатор) M24LR64-R
DEVKIT-M24LR-A Отладочный набор для работы с EEPROM M24LRxx-R (RFID считыватель, антенна считывателя, I2C программатор, плата ANT1-M24LR-A) M24LR64-R
M24LR-DISCOVERY Отладочный набор для работы с M24LR04E M24LR04E-R

Одним из наиболее простых, но функциональных отладочных наборов является набор M24LR-DISCOVERY [63], включающий в себя две платы (Рис. 4.44) M24LR board с памятью и плату с приемопередатчиком CR95HF:

Отладочный набор M24LR- DISCOVERY

Рис. 4.44. Отладочный набор M24LR- DISCOVERY

Плата M24LR board содержит микросхему памяти с двойным интерфейсом M24LR04E-RMN6T/2 (4 Кбита, корпус SO8N), контроллер STM8L152C6T6 c 8 Кбайтами флеш-памяти, датчик температуры STTS751-0WB3F, печатную антенну 20 х 40 мм, ЖК-индикатор. Имеет разъемы для программирования EEPROM (I2C) и для программирования и отладки программ контроллера (SWIM).

M24LR board также может работать с телефонами и коммуникаторами на базе Android с поддержкой NFC. Соответствующее приложение NfcV-Reader доступно в репозитарии приложений Google Play и позволяет пользователям, используя свой телефон, просматривать данные, зафиксированные платой.

Плата приемопередатчика (RF transceiver board) включает в себя трансивер CR95HF-VMD5T 13.56 МГц, контроллер STM32F103CB с 128 Кбайтами флеш-памяти, печатную антенну 47 х 34 мм. Интерфейс с хост компьютером и питание платы осуществляет через USB.

Программные продукты для работы с отладочным набором доступны по адресу www.st.com/m24lr04e-discovery и включают в себя программу для хост-компьютера, скомпилированный образ приложения для STM8L. Отладочные платы набора также содержат запрограммированные образы демонстрационных приложений.

Учитывая возможности EEPROM M24LRxxx взаимодействовать практически параллельно по двум независимым каналам и значительные для RFID-памяти объемы хранимых данных, можно рассмотреть возможность применения её в системах безопасности, нацеленных на обеспечение конфиденциальности и целостности информации.

В частности, большая емкость памяти позволяет хранить достаточно большое количество событий (например, доступ в те или иные помещения), что может помочь при расследовании инцидентов. Возможно также использование связки контроллер+CH95HF и M24LRxxx в качестве:

  • аппаратных ключей для активации оборудования или приложений на рабочем месте сотрудника для предотвращения несанкционированного доступа во время его отсутствия;
  • возможного хранилища ключей шифрования, исключающее возможность его перехвата или копирования;
  • хранилища контрольных сумм важных документов или системных файлов для отслеживания нежелательной программной активности или контроля целостности документов.

Наличие интерфейса I2C позволяет создавать интеллектуальные регистраторы событий на основе микроконтроллером, фиксирующие, в зависимости от периферийных датчиков различный набор параметров или событий. Кроме того, данная возможность имеет большие перспективы в области отслеживания движения грузов и товара - фиксация температурного режима, условий перевозки, отслеживание перемещений по складу или территории магазина. Снятие этих данных при приеме товара от перевозчика позволит разрешить ряд вопросов, связанных с выявлением дефектов товара (появление при производстве, погрузке или транспортировке).