雙效合一NFC:行動電話=電子錢包

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2024/04/28 13:30:55
(郭長祐/DigiTimes.com) 2006/10/09
2004年由Philips、Sony發起、Nokia隨即呼應的近接無線感應技術:近場通訊(Near Field Communication;NFC),在經過一(2005)年的沈潛發展後,於2006年逐漸成熟展露,預計在未來的絕大多數手機中,NFC都將是基本的功效機制,就連3G手機也無從例外。

▲NFC介面技術也可用來充當非接觸、近接感應式的傳輸埠,其中「Peer-to-Peer」的點對點模式便是為此而設計。圖中的女性用具有NFC介面的行動電話來近接具有NFC介面的液晶電視,如此電話內的圖像資料即可感應傳輸至電視,並加以顯示。(資料來源:www.Semiconductors.Philips.com)
從某種角度看,NFC可說是手機內SIM(Subscriber Identity Module)卡的另一個延伸介面,SIM卡本體性質上是種接觸性的智慧卡(Smart Card),且僅與手機接觸連接,而NFC技術卻有機會讓SIM卡從原有的接觸介面再延伸出另一個非接觸(Contact-less)的無線感應介面,如同將IC電話卡、健保卡、統一超商的i-Cash等接觸性智慧卡,再附加上可以感應接觸的悠遊卡能力,使原有的智慧卡變成雙介面(Dual Interface)的使用型態。

▲NFC論壇於今(2006)年6月正式對外公佈的NFC技術構圖,圖中的最底層為無線射頻層,可適用於各種不同的非接觸智慧卡,最上層則是因應各種不同應用而設立的應用模式層,而居於最底與最頂之間的則是各種資料格式與傳輸協定的規範標準。(資料來源:www.NFC-Forum.org)
特別是在今(2006)年8月,由支持NFC技術的業者所組成的NFC論壇(NFC Forum)正式對外釋出四份關於NFC的技術文件,使NFC從過去單純的技術與應用概念外,有了更清晰具體的實現方向,同時也使NFC技術與3G手機的結合有了更有利的進展。

▲PHILIPS半導體公司針對NFC所首次提出的應用晶片(原文稱為:Device,裝置。對岸方面稱為:器件):PN511,PN511在供貨上提供兩種型態的封裝:HVQFN32(SOT617-1)與HVQFN40(SOT618),圖中即是HVQFN32封裝的上視(Top View)圖。(資料來源:www.Semiconductors.Philips.com)
這四份技術規格文件到底為何,主要有:
1. NDEF(NFC Data Exchange Format)技術規格-制訂合乎NFC論壇定義、規範的NFC裝置(Device)、NFC標籤(Tag)的共通資料格式(common data format)。
2. RTD(NFC Record Type Definition)技術規格-規範、定義用於訊息(Message)的資料記錄型態,「訊息」主要是用在合乎NFC裝置(合乎NFC論壇的規範)之間的通訊,以及NFC裝置與NFC標籤之間的通訊。
3. NFC Text RTD技術規格-規範、定義用於裝置(具有NFC功效機制)的純文字式記錄。
4. NFC URI RTD技術規格-有關具備NFC功效的裝置要素的網際網路資源參照。
附註:更具體而言,NFC由Philips、Sony提出後,也在2003年12月8日通過ISO/IEC(International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission)機構的審核而成為國際標準,另外也在2004年3月18日由ECMA(European Computer Manufacturers Association)認定為歐洲標準,而陸陸續續通過的標準編列有ECMA-340(NFCIP-1)、ECMA-352(NFCIP-2)、ECMA-356、ECMA-362、ISO/IEC 18092、ISO/IEC 21481。
附註:NFC中所言的「Field,場」其實是指電磁感應的磁場(Magnetic field),「Near,近」則是指近接、靠近之意。

▲PN511的典型應用設計電路圖。圖中PN511透過Host(主控)介面與左端的微處理器相連,右端則透過RC諧振電路與無線類比感應傳輸用天線進行連接。(資料來源:www.Semiconductors.Philips.com)
■NFC技術架構
NFC論壇除了發佈四個技術規格文件外,同(2006)年更早之前的6月5日,NFC論壇也為NFC技術發表更完整詳盡的技術架構(Technology Architecture)。
在NFC的技術構圖中,最底處為無線射頻層(RF Layer),即是所有今日流行普及的感應式智慧卡標準,包括有:ISO 18092、ISO 14443 Type A(即Philips的Mifare,現有悠遊卡即屬此類)、ISO 14443 Type B、FeliCa(Sony發創)等。
而最頂的部分則是應用層,即是各種的智慧卡傳輸應用模式,例如有:點對點模式(Peer-to-Peer Mode)、讀寫模式(Read/Write Mode)、NFC Card實效模擬模式(NFC Card Emulation Mode)等,其中NFC Card實效模擬模式即是行動裝置用的智慧卡相容模式(Smart Card Capability for Mobile Devices)。
至於介於「最底的無線射頻層」與「最頂的應用模式層」之間的是格式、協定層,前述的四項規格發佈中,幾乎都是針對應用上「讀寫模式」的需求而研擬,如RTD(Record Type Definition)、NDEF(Data Exchange Format)等,除此之外在點對點的運用上需要LLCP(Logical Link Control Protocol)協定。而所謂的點對點運用有些類似USB隨身碟,只是現有的USB隨身碟是實際的連接埠接觸,NFC介面+LLCP協定則是一種無線感應式連接的隨身碟。

▲S2C介面可說是針對NFC安全防護需求而增訂的標準,可以讓既有的NFC介面與安全加密性晶片(Secure IC)相連,過程中僅需要透過兩條數位實體接線即可,此二線分別是SigIn的輸入線及SigOut的輸出線。(資料來源:www.Semiconductors.Philips.com)
■NFC應用晶片
這二、三年來,NFC的規格表現及應用概念已廣被說明,在此不再贅述,對於NFC的使用者而言,只要將具備NFC功效機能的手機,當成內嵌一張悠遊卡的方式來運用即可,不過對電子設計工程師而言,除了關注、關切NFC標準與實際發展外,NFC相關的應用晶片也是當重視的一環,因為不同的NFC應用需要使用不同類型、取向的NFC晶片。
雖然NFC的發起業者是Philips、Sony,但真正有研發、產製NFC晶片的業者只有Philips,Sony也只是NFC晶片的應用、使用者,尚無打算自行研製NFC晶片,其次才有Infineon投入NFC晶片。
若以Philips來說,Philips已經推出了四款的NFC應用晶片:PN511、PN512、PN531、PN532,由此可知Philips是現階段最積極推行NFC的晶片業者,以下我們進一步檢視此四款晶片的異同,即可瞭解NFC實際技術的發展進度。
◆操作距離
以正規的標準而言,NFC在被動感應(Passive Mode,被動模式)時的最遠距離應是10cm,主動感應(Active Mode,主動模式)的最遠距離應是20cm,不過Philips的PN511/512/531/532的實際表現卻是減半:被動下5cm,主動下10cm。
◆實體介面
NFC一端是非接觸式的無線感應介面,另一端則必須是實際、實體接線的傳輸介面,此方面NFC晶片有多種選擇,包括:串列介面(Serial Bus)、I2C介面、SPI介面、八位元並列介面(8-bit Parallel Bus)、以及USB介面等。
其中串列介面是最基礎且最普遍的,無論是PN511/512/531/532都具備,NFC晶片所用的串列介面在傳輸速度上最快可達1.228Mbps,此速度因應現行NFC可說是綽綽有餘,NFC現有最快僅424kbps,未來將往848kbps邁進。
其次是I2C,I2C同樣是Philips所發創,一般而言I2C最快為400kbps,不過之後也有更高速的3.4Mbps(1998年以後的2.0版),若以400kbps來因應NFC,很明顯會有瓶頸的出現,不過即便如此仍適合用在一些低速性的傳輸應用上,如一般性的「讀寫模式」、「智慧卡相容模式」等,但卻不適合用在「點對點模式」。
雖然高速版的I2C更能因應NFC高速傳輸的需求,但很耐人尋味的,Philips較早推出的PN511、PN512確實具有高速I2C的(3.4Mbps)傳輸能力,但更之後推出的PN531、PN532卻僅有標準的400kbps傳輸能力,高速能力則不具備,關於此筆者推測應是兩點考量:用電(高速傳輸的功耗可能太大)、成本(裸晶電路面積的精省)。
至於SPI介面,SPI介面的傳輸率更高,最高達5Mbps,且MMC(MultiMediaCard)記憶卡、SD(Secure Digital)記憶卡等也能相容支援SPI介面,因此在已經具備MMC、SD記憶卡存取設計的裝置上,最適合直接採行SPI介面的方式來擴展、實現NFC介面。此外雖然也有支援USB介面,但速率模式上最高只至Full Speed(全速)的12Mbps,而無須到High Speed(高速)的480Mbps。
◆FIFO(First In First Out)
為了避免接軌介面的傳輸能夠平順,NFC晶片內也會具備FIFO來因應,無論是PN511、PN512、PN531、PN532都具備64Bytes的CL FIFO深度。進一步的,PN531、PN532還額外提供了串列介面、SPI介面所用的FIFO,此方面的深度達180Bytes。
◆相關整合
積體電路的「積體」亦即「整合」,因此NFC晶片內也是盡可能整合各種可能的電路需求,以NFC晶片來說,包括內建無線感應需求的類比介面電路、低消散的電壓調節器(LDO Voltage Regulator,俗稱:降壓器)、微控制器(如80C51)、以及搭配微控制器執行運作之用的RAM/ROM記憶體。
■S2C介面
S2C介面的全名是「SigIn-SigOut-Connection」,這是一個針對NFC無線感應傳輸所增訂的安全加密防護介面,因此也有人稱此為「Secure NFC」,此一技術提案主要是避免NFC標籤(即NFC卡)與NFC裝置(即NFC讀卡機、存取器)兩者在感應時,被其他有心人士從中、從旁對傳輸資料進行攔竊,特別是今日的手機SIM卡、IC智慧卡都已經普遍採行加密設計,即是Secure IC,如此就更需要Secure NFC的搭配、對應。

▲S2C介面不僅適用於NFC,傳統的非接觸、無線感應式智慧卡也同樣適用。此外,S2C介面與NFC介面的連接可以相當的直簡,過程中在實體設計上幾乎不用再行設計轉接、配接,傳輸協定上也不用再行轉換。(資料來源:www.NFC-Forum.org)
更具體來說,S2C僅有兩條實體接線,一條為SigIn,另一條為SigOut,NFC介面以其前端無線射頻橋接,之後透過此兩條數位線路與Secure IC(加密型晶片)的存取器連接。
此外,S2C對加密防護資料方面有不同的編碼風格,包括A型、B型、F型,且各型的編碼都可以支援NFC的各種傳輸模式(點對點模式、讀寫模式、智慧卡相容模式),以及NFC的各種型態、資料傳輸率等,同時也適用於非NFC但NFC相容的標準,如ISO/IEC 14443。

▲S2C介面提供了A、B、F等多種風格型態的資料加密編碼法,圖中所示的即是F型的安全編碼,包括F型編碼的在調變傳輸後的類比波形,以及對應到SigIn/Out數位傳輸線路上的訊號。(資料來源:www.NFC-Forum.org)
更重要的是,Secure NFC(S2C)介面不需要再行任何的介面轉接、配接,或者是通訊傳輸協定的轉換等,且線路精簡(僅兩條線路),不會為設計、製造增添太多的心力與成本。
不過,即便NFC的安全加密傳輸尚未完備,但Philips現有的PN511、PN512、PN531、PN532也並非完全沒有安全加密能力,由於NFC相容於過往的ISO/IEC 14443 Type A(Philips的Mifare),Mifare自身也有基礎(Classic)的安全防護加密機制,NFC也支援此一機制。
■試行發展近況
最後,具備NFC功效的手機與應用服務,確實已經在全球各地試行驗證,包括在荷蘭的首都:阿姆斯特丹、南韓的首都:首爾(過去稱為:漢城)、德國的哈瑙市(Hanau)、中國大陸的廈門等地方試行,而台灣的台北市方面也有意將現有悠遊卡升級成NFC,並允許用NFC手機適用於現有的捷運、公車、停車場等付費系統上。
至於服務試行外,支援NFC的新款手機也在逐漸增多中,最率先力挺NFC的Nokia自是不用多說,除此之外包括Samsung、Motorola、NEC等業者的新款手機也都支援NFC,國內的BenQ(明基)也一樣支持。

▲NFC也強調感應辨識的反應速度,如此才能用於高人潮流量的交通票務感應上。圖為NFC充當電子車票的應用意境圖。(資料來源:www.Semiconductors.Philips.com)