NFC und RFID übertragen eine Kennung oder einen kleinen Datenblock ohne Batterie im Tag, was diese Technologien von jedem anderen Funkstandard in vernetzten Geräten unterscheidet. Der Tag erwacht aus dem Feld des Lesegeräts, antwortet und erlischt wieder, sodass er jahrelang stromlos liegen und trotzdem im Moment der Annäherung eines Lesegeräts zuverlässig funktionieren kann.

Dieses eine Merkmal, ein Tag, der auf geliehener Energie läuft, bestimmt nahezu alles Weitere an diesen Bauteilen. Die Reichweite ist kurz, wenige Zentimeter bei NFC und kaum mehr bei typischen RFID-Anwendungen, der Tag ist günstig und praktisch unverwüstlich, weil keine Zelle entladen werden kann, und das Lesegerät trägt die Kosten, den Strom und die Komplexität. Ein Design, das diese Technologie einsetzt, gliedert sich klar in die Seite, die gelesen wird, und die Seite, die liest, wobei beide nach Anforderungen gewählt werden, die kaum etwas gemein haben.

Wie ein Tag auf dem Feld des Lesegeräts arbeitet

Das Prinzip, das einen passiven Tag zum Funktionieren bringt, ist die induktive Kopplung, dasselbe Prinzip wie bei einem Transformator mit großem Luftspalt zwischen den Wicklungen. Das Lesegerät treibt eine Antennenspule bei der Trägerfrequenz an, der Tag trägt seine eigene, auf diese Frequenz abgestimmte Spule, und sobald der Tag in das Feld eintritt, wird über seiner Spule eine Spannung induziert, die der Chip in eine Versorgungsspannung gleichrichtet. Die Kopplung ist lose, weit loser als bei einem echten Transformator, sodass nur ein Bruchteil der Energie des Lesegeräts den Tag erreicht, und die Antennengeometrie auf beiden Seiten ist ebenso entscheidend wie der Chip selbst. Alles, was der Tag leistet, muss aus dieser induzierten Energie stammen, und diese Randbedingung prägt alles Weitere.

Davon ausgehend muss der Tag auf geliehener Energie sowohl laufen als auch antworten, und die Art, wie er das tut, ist der entscheidende Punkt, weil sie die Grenzen erklärt. Die Spule des Tags und ein Kondensator bilden einen LC-Schwingkreis, der auf den Träger abgestimmt ist, und je näher diese Abstimmung an der Frequenz des Lesegeräts liegt, desto mehr Energie überquert den Spalt. Daher hört ein Tag, der durch eine dahinterliegende Metallfläche oder ein unachtsames Antennenlayout verstimmt wird, einfach auf zu funktionieren. Das gleichgerichtete Feld muss die Logik und den Speicher des Chips während des gesamten Austauschs versorgen, sodass ein Tag, der nur eine Seriennummer enthält, wenig Energie benötigt und auf Armlänge gelesen werden kann, während ein Tag mit kleinem Prozessor oder Schreibzugriff auf den Speicher mehr Energie braucht und als Preis dafür eine kürzere Reichweite bietet. Um Daten zurückzusenden, sendet der Tag nicht im üblichen Sinne, da er keine Energie für einen Sender erübrigen kann. Stattdessen variiert er die Last an seiner eigenen Spule in einem Muster, und das Lesegerät nimmt dies als winzige Änderung in der Stromaufnahme seiner eigenen Antenne wahr, ein Verfahren namens Lastmodulation, das dem Tag das Antworten ohne eigenes Funkgerät ermöglicht. Dieser Rückkanal ist schwach, was der tiefste Grund ist, warum die Reichweite im Zentimeterbereich bleibt: Das Lesegerät kann sein Feld eine beträchtliche Distanz treiben, muss dann aber ein Flüstern hören, das der Tag durch Schwanken seiner Last erzeugt, und dieses Flüstern klingt weit schneller ab als das Feld, das ihn versorgt. Das Funktionsprinzip hinter wie ein NFC-Tag ohne eigene Batterie arbeitet folgt unmittelbar aus dieser Asymmetrie, einem Lesegerät, das rufen kann, und einem Tag, der auf der eigenen Energie des Lesegeräts nur flüstern kann. Es erklärt auch, warum diese Verbindungen nie zu Langstrecken-Funkübertragungen wurden, denn die Physik, die einen Tag günstig und auf dem Regal unvergänglich macht, ist dieselbe Physik, die ihn in der Nähe des Lesegeräts hält. Die Seite des Lesegeräts ist ein echtes HF-Design und keine Selbstverständlichkeit: Die Antennenspule muss abgestimmt und angepasst werden, ihr Gütefaktor gegen die Datenbandbreite abgewogen und ihre Größe gegen die Reichweite, da eine größere Spule weiter reicht, aber weniger eng an einen kleinen Tag koppelt. Leistung und Abstimmung stehen im Widerspruch zueinander, und ein Lesegerät, das hart antreibt, um einen weit entfernten Tag zu erreichen, kann sich gegen einen direkt an seiner Fläche anliegenden Tag selbst verstimmen, sodass die Frontends und ihre Anpassnetzwerke für den Entfernungsbereich dimensioniert werden, den das Produkt im Betrieb aufweist. Das ist die Arbeit, die die weiter unten beschriebenen Lesegerät-ICs einem Team abnehmen, indem jeder den Träger und das Protokoll übernimmt, sodass der Host nur dekodierte Daten sieht.

Die Konsequenzen legen fest, wo diese Bauteile ihren Platz haben. Ein passiver Tag hat keine nennenswerte Lagerzeitbeschränkung, überlebt das Laminieren in eine Karte oder das Einschließen in ein Produkt und ist günstig genug zum Wegwerfen, existiert jedoch nur, solange ein Lesegerät ihn mit Energie versorgt, sodass das System darauf ausgelegt ist, dass das Lesegerät zum Zeitpunkt des Lesens anwesend ist. Das passt zu Zutrittskarten, Fahrscheinen, Produktauthentifizierung und einem Telefon, das an ein Etikett gehalten wird, und schließt alles aus, was von sich aus melden muss, wenn kein Lesegerät in der Nähe ist.

Niederfrequenz oder Hochfrequenz

Zwei Bänder stehen dafür bereit: 125 kHz trägt kaum mehr als eine Seriennummer, während 13,56 MHz NFC echte Daten überträgt und Smartphones erreicht.

Tags als reiner Speicher und Tags mit erweiterten Funktionen

Der einfachste Tag ist ein Speicherblock mit einer Funkschnittstelle, und auf der NFC-Seite bedeutet das häufig ein Dual-Interface-Bauteil, das das Produkt über einen kabelgebundenen Bus liest, während ein Smartphone denselben Speicher über die Luftschnittstelle liest. Der M24LR04E-RMC6T/2 ist ein Dual-Interface-NFC-Speicher, der eine I2C-Seite für den Host mit einer HF-Seite für ein Lesegerät kombiniert, sodass ein Gerät seinen eigenen Status in den Tag schreiben und ein Smartphone ihn auslesen kann, ohne dass das Gerät eingeschaltet oder angeschlossen sein muss. Das macht den Tag zu einem Fenster in ein Produkt, das im Regal steht oder verpackt zum Versand bereit liegt, auslesbar ohne das Öffnen von Gehäusen oder das Drücken eines Knopfes.

Dasselbe Bauteil gibt es in einer größeren Ausführung, wenn die Nutzlast über eine Kennung hinauswächst. Der M24LR16E-RMC6T/2 bietet mehr Speicher in einem NFC-fähigen Produkttag, Platz für einen längeren Datensatz, einen Konfigurationsblock oder ein kurzes Protokoll, das ein Lesegerät bei Kontakt abrufen kann. Das eignet sich für ein Produkt, das echte Inhalte hinter dem Antippen bereithalten will und nicht nur eine Nummer, die anderswohin verweist. Es tauscht etwas Mehrkosten gegen die Kapazität und verhält sich ansonsten auf beiden Schnittstellen wie sein kleineres Pendant.

Wo der Host einen sauberen kabelgebundenen Zugang zum Tag benötigt, ist der NT3H2111 ein NFC-Tag-Speicher mit I2C, der genau dafür ausgelegt ist, mit einem Pass-through-Modus, der es einem Smartphone und dem Host ermöglicht, über den Tag als Postfach Daten hin- und herzureichen, anstatt nur statischen Speicher zu lesen. Das verwandelt den Tag von einem Etikett in einen unkomplizierten Kanal zur Inbetriebnahme oder Aktualisierung eines Geräts per Antippen, ohne Bildschirm oder Tastatur. Das ist der Grund, warum er bei Produkten auftaucht, die versiegelt ausgeliefert werden und ihre erste Konfiguration von einem Smartphone erhalten, das ans Gehäuse gehalten wird. Das Feld des Smartphones kann sogar ausreichen, um diesen Handshake abzuschließen, bevor die eigene Stromversorgung des Produkts eingeschaltet ist.

Ein Tag kann auch das Feld des Lesegeräts als nutzbare Energie für die restliche Schaltung ernten. Der ST25DV04K ist ein dynamischer NFC-Tag mit Energy-Harvesting, der etwas Strom aus dem HF-Feld ziehen kann, um eine Niedrigenergieschaltung neben demselben Dual-Interface-Speicher aufzuwecken oder zu versorgen, sodass ein noch im Regal stehendes Produkt von einem Smartphone aktiviert oder konfiguriert werden kann, bevor seine Batterie jemals angeschlossen wird. Die geerntete Leistung ist gering und die Reichweite kurz, doch für ein einmaliges Aufwecken oder einen Konfigurationsschreibvorgang entfällt ein Steckverbinder und ein Schritt in der Fertigung.

Die Lesegerätseite

Das Lesegerät ist der Ort, wo Kosten und Designaufwand anfallen, und die Bauteilwahl beginnt mit dem Band. Für die Niederfrequenzwelt treibt der EM4095HMSO16B+ einen 125-kHz-RFID-Leser als analoges Frontend, das den Träger und die Kopplung übernimmt, sodass ein Host-MCU nur mit den dekodierten Daten arbeitet. Das ist der übliche Weg, um einem Produkt einen einfachen LF-Leser hinzuzufügen, ohne das HF-Design von Grund auf neu zu entwerfen. Er wird mit einer Spule und einer Handvoll passiver Bauelemente kombiniert und eignet sich für die Zutritts-Fobs und Tiermarken, die in diesem Band leben, wo das Lesen einer Seriennummer über wenige Zentimeter die gesamte Aufgabe ist. Der dekodierte Ausgang, den er dem Host übergibt, ist einfach genug für einen kleinen 8-Bit-MCU zur direkten Übernahme, was mitunter der Grund ist, warum LF-Leser so günstig im Aufbau bleiben und in den Zutrittsprodukten mit den höchsten Stückzahlen und den niedrigsten Kosten auftauchen.

Auf der Hochfrequenzseite übernehmen die Frontends mehr der Protokollarbeit. Der ST25R95-VMD5T dient als Lesegerät-Frontend in einem NFC-Design, verwaltet den 13,56-MHz-Träger und die Tag-Protokolle und kommuniziert über SPI mit einem Host. Das hält das HF-Design in einem einzigen Bauteil, während die Applikation auf dem MCU verbleibt, den das Team bereits für das Produkt gewählt hat. Er übernimmt die Kartenerkennung und die Antikollisionsschritte, die es einem Lesegerät ermöglichen, einen Tag aus mehreren im Feld herauszupicken, den kniffligen Teil eines NFC-Stacks, den ein Team lieber in Silizium übernimmt als ihn neu zu schreiben.

Für ein Lesegerät, das mehrere Tag-Standards gleichzeitig beherrschen muss, betreibt der TRF7970ARHBT einen Multiprotokoll-NFC-Leser, der die gängigen NFC-, ISO-14443- und ISO-15693-Standards abdeckt, sodass ein Design die Mischung der Tags liest, auf die es trifft, anstatt sich auf einen einzigen Typ festzulegen. Er ist eine häufige Wahl, wenn das Lesegerät nicht steuern kann, welche Tags präsentiert werden, etwa an einem öffentlichen Kiosk oder einem zahlungsnahen Terminal, das akzeptieren muss, was ein Nutzer auch antippt.

Bei hohen Stückzahlen und bekanntem Tag zieht die Kostenseite in die andere Richtung. Der MFRC522 ermöglicht kostengünstiges 13,56-MHz-Kartenlesen, das Bauteil hinter einer Vielzahl von Zutrittlesegeräten und Hobby-Projekten, günstig und gut dokumentiert sowie ausreichend für die gängigen Kartentypen. Das erklärt sein Auftreten überall dort, wo die Aufgabe darin besteht, eine bekannte Karte in bekanntem Abstand für möglichst wenig Geld zu lesen. Es gibt die Protokollbreite der teureren Frontends auf, und für eine Tür oder einen Schrank mit fester Zutrittsdatenbank war diese Breite ohnehin nie gefragt.

Für Lesen und Schreiben über die breiteste Auswahl an Betriebsarten verarbeitet der PN532 Multiprotokoll-NFC-Lesen und -Schreiben, einschließlich der Peer-to-Peer- und Kartenemulations-Modi, die es einem Lesegerät erlauben, als Tag zu agieren oder mit einem Smartphone so zu kommunizieren, als wäre es eines. Diese Flexibilität macht ihn zur Wahl, wenn ein Design mehr leisten muss als das Lesen einer festen Kennung. Er kostet mehr als ein einfaches Kartenlese-Bauteil und rechtfertigt den Aufpreis durch die Bandbreite der möglichen Einsatzzwecke. Er ist das Bauteil der Wahl, wenn ein Produkt sowohl einen Ausweis lesen als auch von demselben Lesegerät wie ein Ausweis gelesen werden muss, und dabei auch noch Daten mit einem Smartphone austauscht, eine Anforderungskombination, die bei zahlungsnahen Terminals und interaktiven Displays auftaucht, wo das Lesegerät selbst ein aktiver Teilnehmer ist.