淺談NFC手機(jī)非接觸式射頻接口測(cè)試方法

張清聯(lián)

摘 要：文中簡(jiǎn)單概括了NFC技術(shù)的基本原理和通信模式，通過兩種方案分別實(shí)現(xiàn)了NFC手機(jī)卡模擬操作模式和讀寫器操作模式，以達(dá)到對(duì)NFC手機(jī)進(jìn)行非接觸式射頻接口測(cè)試的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，文中方法作為NFC手機(jī)非接觸式射頻接口的測(cè)試是可行的。

關(guān)鍵詞：NFC手機(jī)；卡模擬模式；讀寫器模式；非接觸式射頻接口測(cè)試

中圖分類號(hào)：TP391.45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）08-00-03

0 引 言

NFC （Near Field Communication，NFC）技術(shù)由非接觸式射頻識(shí)別 （RFID）及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來，是由NXP，Sony，Philips公司最早發(fā)起，由Nokia，Sony等著名大廠商聯(lián)合主推的一項(xiàng)重要的無線技術(shù)[1]。NFC 技術(shù)將感應(yīng)讀寫功能與感應(yīng)卡技術(shù)相結(jié)合，可在短距離內(nèi)快速識(shí)別其他兼容設(shè)備，具有交互距離短、交互操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。手機(jī)通過NFC功能可簡(jiǎn)化與其他兼容設(shè)備的交互過程，使互相訪問變得更加方便簡(jiǎn)單。

NFC 通信的對(duì)象分為初始方與目標(biāo)方。初始方為產(chǎn)生射頻磁場(chǎng)并發(fā)起NFC通信的一方；目標(biāo)方可用負(fù)載調(diào)制方式（射頻磁場(chǎng)由初始方產(chǎn)生）或自身產(chǎn)生的射頻磁場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，對(duì)初始方指令做出響應(yīng)[2]。NFC通信的過程分為主動(dòng)通信模式與被動(dòng)通信模式。在主動(dòng)通信模式下，初始方與目標(biāo)方均使用自身的射頻磁場(chǎng)進(jìn)行通信；被動(dòng)通信模式為初始方產(chǎn)生射頻磁場(chǎng)，目標(biāo)方以負(fù)載調(diào)制的方式響應(yīng)初始方的命令[3]。在被動(dòng)通信模式下，基于ISO 14443A，MIFARE 和FeliCa 的相關(guān)協(xié)議[4]，NFC 的初始方可用相同連接和初始化過程檢測(cè)NFC目標(biāo)方或非接觸式智能卡，并與其建立聯(lián)接[5]。在主動(dòng)通信模式下，當(dāng)一臺(tái)NFC 設(shè)備向另一臺(tái)NFC 設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)模式發(fā)起通信，通信的目標(biāo)設(shè)備與發(fā)起設(shè)備都產(chǎn)生射頻磁場(chǎng)，從而通過產(chǎn)生的射頻磁場(chǎng)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳遞[6]。

1 NFC手機(jī)測(cè)試設(shè)備搭建

NFC手機(jī)的主要應(yīng)用場(chǎng)景有卡模擬模式、讀寫器模式與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式三類。其中，卡模擬模式與讀寫器模式采用被動(dòng)通信模式。例如，刷公交卡，讀取電子設(shè)備信息，在POS 機(jī)上付款等。采用被動(dòng)模式的顯著優(yōu)點(diǎn)是可大幅度降低NFC手機(jī)的功耗，并延長(zhǎng)手機(jī)電池的使用壽命。不同國際組織制定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不同，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1所列。

本文以ISO 14443 TypeA為技術(shù)參數(shù)， ISO 10373-6為測(cè)試方法，聚星儀器的射頻識(shí)別綜合測(cè)試儀為硬件平臺(tái)，選用Samsung某款帶有NFC功能的手機(jī)為測(cè)試樣機(jī)，分別搭建卡模擬模式的非接觸式射頻接口測(cè)試模型和讀寫器模式的非接觸式射頻接口測(cè)試模型。

1.1 卡模擬模式的實(shí)現(xiàn)

卡模擬模式的應(yīng)用場(chǎng)景為：NFC手機(jī)為目標(biāo)設(shè)備，內(nèi)置非接觸式卡片，POS機(jī)為發(fā)起設(shè)備，NFC手機(jī)通過負(fù)載調(diào)制響應(yīng)POS機(jī)的命令。目前，市場(chǎng)上卡模擬模式的實(shí)現(xiàn)途徑主要有兩種：一種是NFC手機(jī)內(nèi)置SWP-SIM，通過運(yùn)營商的錢包功能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付；另一種是NFC手機(jī)自帶手機(jī)錢包功能，通過添加銀行卡或公交卡實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付。本文選用第二種方式，通過在Samsung手機(jī)上添加一張銀行卡實(shí)現(xiàn)卡模擬模式功能。

1.2 讀寫器模式的實(shí)現(xiàn)

讀寫器模式也在被動(dòng)通信模式下實(shí)現(xiàn)，其應(yīng)用場(chǎng)景為：NFC手機(jī)為發(fā)起設(shè)備并產(chǎn)生射頻磁場(chǎng)，NFC標(biāo)簽為目標(biāo)設(shè)備，響應(yīng)NFC手機(jī)的命令。本文通過在NFC手機(jī)上安裝TagInfo或NFC Tools Pro類的APP作為初始方，NFC標(biāo)簽選用一款寵物狗標(biāo)簽作為目標(biāo)方，通過監(jiān)聽軟件監(jiān)聽NFC手機(jī)和NFC標(biāo)簽之間的真實(shí)通信傳輸過程。監(jiān)聽到的射頻信號(hào)內(nèi)容

如下：

[Command Name]

MIFARE Ultralight_Read

[Tx Data]

Read（8）=00110000

Address（8）=00000000

CRC_A（16）=0000001010101000

[Rx Data]

Data0（8）=00000100

Data1（8）=10111101

Data2（8）=00000000

Data3（8）=00110001

Data4（8）=11110010

Data5（8）=11111000

Data6（8）=01001000

Data7（8）=10000100

Data8（8）=11000110

Data9（8）=01001000

Data10（8）=00000000

Data11（8）=00000000

Data12（8）=11100001

Data13（8）=00010000

Data14（8）=00010010

Data15（8）=00000000

CRC_A（16）=1000010000111101

2 NFC手機(jī)卡模擬模式測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

2.1 負(fù)載調(diào)制

通過調(diào)節(jié)設(shè)備發(fā)射功率和接收功率的大小，分別調(diào)節(jié)測(cè)試環(huán)境的場(chǎng)強(qiáng)最小值和最大值。當(dāng)Hmin=1.5 A/m時(shí)，上負(fù)載調(diào)制為58.07 mV，下負(fù)載調(diào)制為45.61 mV。測(cè)試結(jié)果如圖1

所示。

當(dāng)Hmin=7.5 A/m時(shí)，上負(fù)載調(diào)制為58.07 mV，下負(fù)載調(diào)制為45.61 mV。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

2.2 解調(diào)能力

根據(jù)ISO 10373-6的要求，解調(diào)能力測(cè)試需要調(diào)整上升沿及下降沿，查看標(biāo)簽的響應(yīng)狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果如圖3～圖5

所示。

2.3 諧振頻率

諧振頻率測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

2.4 負(fù)載效應(yīng)

DUT放置參考標(biāo)簽時(shí)，調(diào)制發(fā)射功率，保證最小場(chǎng)強(qiáng)為1.5 A/m，然后去掉參考標(biāo)簽，放上NFC手機(jī)（處于卡模擬模式狀態(tài)），測(cè)得場(chǎng)強(qiáng)值為1.583 A/m，大于最小場(chǎng)強(qiáng)值，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

2.5 輪詢

分別選用三種不同的工作環(huán)境（場(chǎng)強(qiáng)分別為1.5 A/m，

4.5 A/m，7.5 A/m），每種環(huán)境下的NFC手機(jī)都會(huì)響應(yīng)一個(gè)有效的ATQA。測(cè)試結(jié)果分別如圖8（a）～（c）所示。

（a）場(chǎng)強(qiáng)為1.5 A/m的測(cè)試結(jié)果

（b）場(chǎng)強(qiáng)為4.5 A/m的測(cè)試結(jié)果

（c）場(chǎng)強(qiáng)為7.5 A/m的測(cè)試結(jié)果

2.6 狀態(tài)轉(zhuǎn)換

狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖9～圖16所示。

3 NFC手機(jī)讀寫器模式測(cè)試實(shí)現(xiàn)

當(dāng)傳輸速率為分別為106 kb/s，212 kb/s，424 kb/s時(shí)，NFC手機(jī)在讀寫器模式下的測(cè)試結(jié)果如圖17～圖19所示。

當(dāng)傳輸速率為212 kb/s時(shí)，NFC手機(jī)在讀寫器模式下的測(cè)試結(jié)果如圖18所示。

當(dāng)傳輸速率為424 kb/s時(shí)，NFC手機(jī)在讀寫器模式下的測(cè)試結(jié)果如圖19所示。

NFC手機(jī)在讀寫器模式下的負(fù)載調(diào)制接收靈敏度測(cè)試過程分為兩步：首先，加大NFC標(biāo)簽與NFC手機(jī)間的距離，通過監(jiān)聽軟件找到NFC手機(jī)能夠接收到NFC標(biāo)簽響應(yīng)的臨界點(diǎn)；其次，通過標(biāo)簽分析軟件解析NFC手機(jī)能夠接收到的最小負(fù)載調(diào)制幅度，即NFC手機(jī)在讀寫器模式下的負(fù)載調(diào)制接收靈敏度，實(shí)測(cè)值為306.5 μV。測(cè)試結(jié)果如圖20所示。

4 結(jié) 語

本文通過兩種方案分別實(shí)現(xiàn)NFC手機(jī)的卡模擬模式和讀寫器模式的測(cè)試搭建，并通過軟件分別驗(yàn)證不同模式下的測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，兩種模式的非接觸式射頻接口測(cè)試方法均符合ISO 14443A中的參數(shù)要求，故此兩種方案用來作為NFC手機(jī)非接觸式射頻接口的測(cè)試是可行的。

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