作者：Nishat Omar、Raunaque Mujeeb Quaiser / 意法半導體(ST)
低功耗和自供電設備是許多半導體和電子企業最近大力投入研發的新領域。近距離通訊(NFC)就是一種基於電磁感應耦合概念的自供電通訊技術，鬆耦合感應電路讓NFC元件能夠在幾公分的距離內共用電能和數據。感應式電能接收器可使NFC實現各種通訊模式，例如，被動、主動和RFID模式。
NFC設備和近距離(13.56MHz)RFID電子標籤採用與非接觸式智慧卡相同的基礎通訊技術。該技術已被ISO/IEC(國際標準化組織/國際電工委員會)、ETSI(歐洲電信標準協會)和ECMA(歐洲資訊通訊系統標準化協會)國際標準化組織接受。NFC讀取器與電子標籤之間的通訊距離必須在4cm以內，NFC使讀取器與標籤或者讀取器與讀取器共用有效負載數據。
本文重點介紹意法半導體(ST)的雙介面EEPROM RFID系列電子標籤晶片。基於該系列晶片的系統解決方案可滿足市場對低功耗和自供電非接觸式通訊應用的需求。其系統解決方案還包括基於Android和Windows兩種平台的繪圖用戶介面，突現針對不同感測器、標準元件和支援NFC技術的雙介面EEPROM功能。
為了展現含有NFC標籤(M24LR64)的應用系統的功能，ST開發一款Data Logger V3數據記錄器評估板。該電路板(電子標籤)支援13.56MHz NFC通訊技術，配備不同類型的感測器、RFID EEPROM數據記憶體和非接觸式通訊介面。硬體感測器包括溫度感測器(STTS751)、MEMS運動感測器(LIS3DH)、濕度感測器與光感測器。
這些感測器以預設的間隔把數據儲存在數據記錄器內，基於Windows/Android的用戶介面軟體讀取這些數據，並以圖表的方式將數據顯示在螢幕上。該應用系統突現基於RFID的EEPROM(M24LR64)的功能和存取機制。
M24LR64是一個8KB的雙介面EEPROM記憶體，支援兩種通訊模式：一、透過有線連接與微控制器的I2C通訊；二、採用無線數據傳輸技術(IS015693)的RF通訊。
Data Logger V3評估板由以下模組組成：
一、硬體：一個由STM8L微控制器、MEMS(LIS3DH)、溫度感測器(STTS751)、光感測器和M24LR64 EEPROM以及板載感應式天線組成的普通的電路板。電路板電源是一枚鈕扣電池(CR2032)，為感測器數據通過I2C介面儲存到EEPROM內提供電能。在數據保存到EEPROM後，PC或Android應用軟體(圖形用戶介面)可存取EEPROM。
二、軟體：一個專用的PC或Android繪圖用戶介面(GUI)，透過RF－ISO15693介面與Data Logger V3評估板互動。該應用軟體與意法半導體的RF收發器CR95HF通訊，該介面再經由13.56MHz射頻技術與板上EEPROM通訊。
圖1：基於Windows平台的數據記錄系統(功能架構圖)。
圖2：支援Windows平台的數據記錄系統(實際系統)。
圖3：支援Android平台的數據記錄系統(功能架構圖)。
圖4：支援Android平台的數據記錄系統(實際系統)。
數據記錄應用
數據記錄應用分為兩個階段：
一、數據儲存階段
在這個階段，記錄器電路板由3V鈕扣電池供電，以固定的間隔把感測器數據儲存在EEPROM。數據記錄過程透過I2C通訊介面完成。
記錄數據的類型：a.溫度感測器(STTS751)測量環境溫度；b.MEMS感測器(LIS3DH)測量振動數據；c.MEMS感測器(LIS3DH)測量自由落體數據；d.光感測器測量環境光數據；e.濕度感測器測量濕度數據
二、數據讀取階段
在數據存入EEPROM後，板載開關切斷鈕扣電池與電路板的連接。在斷電後，電路板變成一個被動RFID電子標籤。電路板上有一個感應式天線，用於標籤與讀取器的射頻通訊。利用RFID讀取器(CR95HF)天線和EEPROM天線的耦合效應，13.56MHz射頻將電能從讀取器傳輸到EEPROM。RFID讀取器透過射頻電磁場傳送電能，EEPROM的天線吸取射頻電能作為本身電源。
讀取器可與PC或Android的GUI配合，透過RF介對EEPROM發送命令，存取記憶體內的全部感測器數據。PC(Windows)/Android GUI軟體以圖表的方式解釋感測器數據。
以下是兩個可透過RF介面從EEPROM讀取數據的應用軟體。
一、DatalogV3Android應用軟體
Android是行動設備軟體堆疊，包括作業系統、中介韌體和主要應用軟體。Android SDK為開發人員提供在Android平台上使用Java語言開發應用程式碼所需的工具和API。該應用程式碼是在Android SDK 10.0.0和2.3.3環境內寫的，因為該環境提供的NFC API支援手機與標籤之間傳輸數據。該應用通訊使用NFC的分支技術NFCV。
DataLogV3支援Data Logger V3電路板上的所有感測器。該應用軟體使用Android SDK提供的NFC API。用戶Android手機不得低於2.3.3版本，並配備NFC功能。在手機上啟動DatalogV3應用軟體後，將NFC標籤(Data Logger V3 電路板)靠近手機時，該應用軟體將會發現標籤。在發現標籤後，用戶可選擇採集新數據或讀取Data Logger V3評估板記錄的數據。M24LR64作為Data Logger V3電路板的電子標籤，同時內建8KB的儲存容量。EEPROM記憶體有多個不同的儲存區，每個儲存區記錄不同感測器所檢測的數據。該應用套裝軟體含一個幫助檔，指導用戶如何使用 DataLogV3軟體。圖5是在Android手機上執行的Data Logger V3的截屏，正展示基於NFC技術的數據通訊。
圖5：在Android手機上執行的Data Logger V3螢幕截圖。
二、事件數據記錄：Windows應用軟體
事件數據記錄應用軟體利用WPF技術開發的Windows桌面應用軟體。該應用軟體支援DEMO-CR95HF電路板和Data Logger V3電路板。DEMO-CR95HF電路板是讀取器電路板，透過USB HID通訊協定與PC通訊。DEMO-CR95HF板的射頻收發器是ST CR95HF。Data Logger V3電路板是電子標籤，內建M24LR64晶片。當啟動應用軟體時，應用軟體將連至DEMO-CR95HF電路板。該應用軟體為用戶提供數據記錄應用和事件記錄應用。
數據記錄應用：在啟動 Data Logger V3電路板後，用戶可利用NFC技術透過DEMO-CR95HF電路板採集數據。在數據記錄過程中，數據記錄器電路板的電源是3V鈕扣電池。在數據記錄完成後，用戶可拆除鈕扣電池，使用RFID閱讀器讀取數據。在讀取數據階段，EEPROM的電源是射頻電磁場傳輸的讀取器的能量。讀取器可採集Data Logger V3板上所有感測器檢測的數據，應用軟體將這些數據繪製成圖表顯示在螢幕上。
圖6：Windows數據記錄應用軟體。
事件記錄應用：該應用軟體讓用戶能為每個感測器設置閾值。只有其中一個感測器突破了閾值，標籤才會記錄數據。採集電路板上數據的過程與數據記錄應用類似。DEMO-CR95HF展示板透過NFC讀取數據，然後將其繪製成圖表顯示在螢幕上。
圖7：Windows數據/事件圖表。
未來應用
該數據記錄板搭載一顆意法半導體的8位元微控制器STM8L。
一、能量：該系統適用於多種低功耗應用，例如，
能量採集應用：該展示板適用於開發基於能量採集概念的應用領域。M24LR16屬於支援RFID通訊的雙介面EEPROM的M24LRx系列。該系列EEPROM從RFID讀取器汲取電能。共中部份射頻電能用於讀取EEPROM，其餘的射頻電則由EEPROM收集，提供給電路板上的零組件。因此，該系統利於只需短時間供電的應用系統，因而無需任何電池電源。
電子紙應用：某些應用需要每天/週更改一次顯示數據，其餘的時間只保持原樣即可。電子紙只在更改數據時才需要充電，斷電後繼續保持數據顯示。電子紙結合RFID EEPROM可讓用戶以無線射頻通訊讀取並顯示數據。讀取器發出的射頻能量用於讀寫EEPROM記憶體，同時實現能量採集，為應用電路板供電。
二、消費性醫療健身應用：在醫療應用領域，可以在病患的身體上安裝不同類型的感測器，感測器數據記錄在EEPROM。醫生可使用RFID讀取器讀取數據，實現對病患的連續監測。
有NFC功能的手機也可以讀取數據記錄。專用的Android應用軟體能以圖表的方式解釋感測器擷取的數據。
Data logger V3評估板可展示溫度感測器、MEMS感測器、光感測器和濕度感測器的數據記錄過程。該系統還可以增加更多的感測器，像陀羅儀、地磁計、壓力感測器等。這些感測器可以組成一個健康監測記錄儀，監視住院病患的各種生命體徵參數，並以固定的間隔將數據記錄在EEPROM內，醫生可通過射頻通訊每天或在預設間隔讀取數據。
計步器是另一種健身應用。計步器計算用戶的行走距離，這需要一個裝有MEMS運動感測器的電路板，以檢測用戶的運動，並計算用戶的行走距離。計步器將距離資訊記錄在雙介面EEPROM內，透過射頻通訊技術發送到具有NFC功能的Android手機，讓用戶能夠即時追蹤自己的徒步運動和熱量消耗情況。
三、工業自動化：Data Logger V3評估板還適用於自動化和食品飲料物流應用領域。
利用MEMS感測器、濕度感測器和溫度感測器可以監視工業自動化系統的執行狀態是否良好。這些感測器安裝在機器及其活動元件的附近。感測器將數據保存在EEPROM內，讀取器可透過RFID介面讀取數據。這讓維修人員能夠掌握機器的工作環境變化。
食品運輸要求環境溫度不得超過預定溫度範圍，數據記錄儀適用於記錄運輸過程中的環境溫度變化。當貨物運抵目的地時，收貨人員可讀取數據記錄儀，確保運輸過程中環境溫度在規定的溫度範圍內，此外，還可以查驗包裝是否完整。
在這個能源匱乏的世界中，降低功耗是應用系統的重要要求。採用ST的STM8L和感測器設計可支援低功耗應用。該系列產品相容最低1.8V的電源，工作電流在微安範圍內。裝有全部感測器的Data Logger V3電路板系統功耗大約500uA。程式碼大小大約16KB，根據應用要求可進一步降低。
採用先進技術的雙介面EEPROM為無線通訊和數據記錄發展帶來了新機會，增強即時查看不同用戶數據的能力，將推動可攜式系統和無線通訊系統市場的創新發展。
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