Seien es Schaltschwellen bei Sensoren, Einschalt-Kennlinien bei Stromversorgungen, Drehzahlen bei Motorsteuerungen oder Verzögerungszeiten und Schaltprogramme bei Timern: Diese Parameter steuern zumeist Geräte im industriellen Umfeld. Aber wie kommen diese Parameter in das Gerät? Oft werden DIP-oder Drehwahlschalter genutzt. Diese funktionieren auch im ausgeschalteten Zustand – allerdings nur für wenige Bits an Konfigurations-Daten. Mehr Daten können vom PC aus über eine UART- oder USB-Schnittstelle programmiert werden. Diese ist aber – genau wie beim Schalter – üblicherweise nicht staub- und wasserdicht. In Verbindung mit Smartphones könnte auch Bluetooth zur Konfiguration dienen. Allerdings muss die zu parametrierende Baugruppe dazu mit Strom versorgt sein. Zudem besteht die Gefahr, dass es bei mehreren Baugruppen zu Verwechslungen kommt und man aus Versehen die falsche Baugruppe anspricht. Ähnlich ist es bei Diagnosen oder auch bei Firmware-Updates: Hier wird oft mit Service-UART- oder USB-Schnittstellen gearbeitet.

Alle oben beschriebenen Lösungen sind zwar weit verbreitet, aber jede hat ihre individuellen Nachteile – und sind zudem relativ teuer: Für einen 8-fach-DIP-Schalter muss man in mittleren Stückzahlen circa 0,30 Euro bezahlen, für einen Bluetooth-Chip oft mehr als 1 Euro.

Kleiner, besser, günstiger

Near Field Communication (NFC) ist hier eine interessante Alternative: Mit Hilfe eines passiven und preisgünstigen ‚Connected NFC Tag‘-Chips im Gerät können 2 kByte oder mehr an Konfigurationsdaten von einem handelsüblichen NFC-Smartphone in das Gerät übertragen werden. 

Dies funktioniert passiv, das Gerät muss selbst also nicht mit Strom versorgt sein. Für batteriebetriebene Geräte ist das ein großer Vorteil gegenüber Bluetooth oder WiFi, da die NFC-Kommunikation keine Leistung aus der Batterie entnimmt. Für Netzspannungs-betriebene Baugruppen besteht der Vorteil darin, dass Anwender die Parametrierung vor dem ersten Einschalten vornehmen können, und damit eine definierte Einschalt-Charakteristik festgelegt werden kann.

Da die NFC-Signale auch Kunststoff- oder Glasflächen durchdringen, kann das Gerät wasser- und staubdicht verschlossen werden, hohe IP-Schutzklassen erreichen und damit Korrosion durch Wasser, Schmutz und Chemikalien vermeiden. Im Vergleich mit DIP- oder Drehwahlschaltern bietet NFC die Möglichkeit, wesentlich mehr Parameter zu konfigurieren, ohne die Frontplatte zu vergrößern. Um 10 Byte mit Schaltern zu konfigurieren, benötigt man eine Fläche von circa 22 cm². Eine NFC-Antenne ist mit circa 6 cm² wesentlich kleiner – und damit lassen sich nicht nur 10 Byte, sondern 2 kByte an Parametern programmieren. Zusätzlich erhält der Benutzer eine Erklärung der Parameter auf dem Smartphone-Bildschirm oder kann sogar die komplette Bedienungsanleitung des Geräts nachlesen.

Die Parametrierung muss nicht der Benutzer vornehmen – eine kundenspezifische Programmierung kann auch der Hersteller durchführen, in vielen Fällen sogar durch die Produktverpackung hindurch. Etwa wenn er das zu parametrierende Gerät mit Standardparametern gefertigt, verpackt und auf Lager gelegt hat. Sobald eine Kundenbestellung mit bestimmten Parametern eintrifft, werden diese über ein NFC-Smartphone oder einen industriellen NFC-Reader/Writer in den Chip des Geräts geschrieben. Dies spart Lagerhaltungskos-ten, da ja nur eine Sorte von Geräten ge-lagert werden muss und erst unmittelbar vor der Auslieferung verschiedene Gerätevarianten daraus gemacht werden.

Auch als Diagnose-Schnittstelle eignet sich NFC: Status-Informationen und Fehlercodes können per Smartphone mit einem simplen Antippen ausgelesen werden oder indem man das NFC-Smartphone in die Nähe (ein paar Zentimeter) des Geräts bringt.  Auch hier muss das Gerät beziehungsweise die Baugruppe nicht mit Strom versorgt sein, sodass man NFC auch zur Post-mortem-Analyse einer Baugruppe einsetzen kann, die nicht mehr bootet. Firmware-Updates sind ebenfalls per NFC möglich, auch hier ohne Stromversorgung. Trotz all dieser zusätzlichen Möglichkeiten und Vorteile kosten ‚Connected NFC Tag‘-Chips weniger als ein DIP-Schalter. 

Zwei Komponenten ermöglichen die Pa-rametrisierung und Diagnose von Geräten:

• Ein ‚Connected NFC Tag‘-Chip (zum Beispiel ‚NTAG I²C plus‘) im Gerät. Er ist einerseits per I²C-Bus an der MCU angeschlossen und andererseits mit einer kleinen NFC-Antenne verbunden, die als Leiterbahn-Spule mit drei bis fünf Windungen ausgeführt werden kann
• Ein NFC-Smartphone mit einer auf das Gerät abgestimmten App oder ein dedizierter NFC-Reader.

Das Developer Kit ‚NTAG I²C plus kit for Arduino pinout‘ erleichtert das Entwickeln.

© NXP Semiconductors

Der Chip NTAG I²C plus bietet ein EEPROM mit 2 Byte, das sowohl von der MCU via I²C-Bus als auch von der NFC-Seite mit NFC-Smartphones und NFC-Readern gelesen und beschrieben werden kann. Zusätzlich wird aus dem NFC-Feld des Smartphones Energie gewonnen, mit der man die Baugruppe (oder einen Teil davon) mit bis zu 15 mW versorgen kann, solange das NFC-Feld anliegt. Ein weiteres Signal – Field detect – kann bei der MCU einen Interrupt auslösen, sobald ein NFC-Phone in Reichweite ist. 

Für die Parametrierung nimmt der Benutzer alle Einstellungen in der App des Smartphones vor und berührt dann mit dem Smartphone das Gerät beziehungsweise die Baugruppe. Die App schreibt nun via NFC die Konfigurationsdaten in das EEPROM des ‚NTAG I²C plus‘. Beim nächsten Boot-Vorgang (oder getriggert durch das Field-Detect-Signal auch sofort) liest die MCU via I²C-Bus die Parameter aus dem Chip und konfiguriert das Gerät.

Bei der Diagnose ist der Vorgang ähnlich, nur in umgekehrter Reihenfolge: Während der Laufzeit schreibt die MCU Daten in das EEPROM des Chips, die später (auch bei ausgeschaltetem oder defektem Gerät) mit dem Smartphone ausgelesen und in der App dargestellt werden können. Dies können Fehlercodes sein, Benutzungs-Statistiken, Betriebsstundenzähler, Firmware-Versionen, Seriennummern und vieles mehr.

Da Firmware-Updates typischerweise mehr als 2 kByte umfassen, wird hier anstatt des EEPROMs ein 64-Byte-SRAM-Puffer verwendet, der ebenfalls im ‚NTAG I²C plus‘ enthalten ist. Das wesentlich schnellere SRAM ermöglicht es, die Firmware vom Smartphone oder dem dedizierten NFC-Reader in Blöcken von 64 Byte an die MCU weiterzugeben. Dabei werden Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 40 kbit/s erreicht. Das Gerät beziehungsweise die Baugruppe kann dabei stromlos sein, da die MCU durch den NFC-Chip mit Energie versorgt wird. 

Durch das NFC Forum – eine öffentliche Plattform für die Förderung der Nahfeldkommunikation – wurde mit NDEF (NFC Data Exchange Format) das Datenformat und der Inhalt von NFC-Tags definiert. Damit lassen sich weitere Informationen in einem Connected NFC Tag ablegen, die dann bei jedem standard-konformen NFC-Smartphone eine definierte Aktion auslösen: Zum Beispiel kann man eine URL zur Bedienungsanleitung hinterlegen oder eine vordefinierte App starten.

Smartphone-Auswahl fast unbeschränkt

Während bis vor kurzem nur NFC-Smartphones mit Android die Interaktion mit elektronischen Geräten über NFC beherrschten, hat Apple mit dem neuesten Update auf IOS11 auch die neueren iPhones fit dafür gemacht. Mit iPhone 7, 7 Plus, 8, 8 Plus und X gibt es nun Apple-Phones, die mit Connected NFC Tags umgehen können. Eine Einschränkung bleibt im Moment: iPhones können Connected-NFC-Tags nur lesen, nicht beschreiben, daher eignen sie sich nur für Diagnose-Anwendungen. Für Parametrierung und Firmware-Updates nutzt man daher zurzeit  Android-NFC-Phones.

Eine andere Möglichkeit ist es, ein ­eigenes Programmiergerät mit NFC aus­zustatten. Damit kann ein Hersteller ­Hardware und Software genau auf seine Produkte abstimmen und es dem Kunden noch einfacher machen, diese zu parametrieren.

Entwicklung leicht gemacht

NFC auf einer Baugruppe zu implementieren, ist mit Connected NFC Tags einfach. Die Schritte sind im Wesentlichen:

• Hardware: Den Chip per I²C-Bus mit der MCU verbinden sowie die NFC-Antenne entwickeln. NXP stellt dazu einige Antennen-Größen als Gerber-Files zum Download bereit. Wenn eine andere Form gewünscht wird, gibt es ein Konfigurationstool, mit dem die Geometrie berechnet werden kann.
• Firmware: Der NFC-Chip erscheint für die MCU wie ein serieller Speicher. Das Schreiben der Firmware beschränkt sich daher auf Register-Schreib- und Lesevorgänge und ist vergleichbar mit der Anbindung anderer Peripherie-Chips. 
• App: Für das Smartphone sieht ein ‚NTAG I²C plus‘ wie ein normaler NFC-Tag aus, daher ist auch eine Smartphone-App kein Hexenwerk. Für das Lesen und Schreiben von Tag-Inhalten über NFC können die Betriebssystem-Funktionen verwendet werden. Noch einfacher wird es mit einem Software Development Kit wie Taplinx, das kostenlos erhältlich ist.

Eine Anleitung für die Entwicklung findet sich im Internet mit Bildern, Videos und Verweisen auf Datenblätter. Zwei verschiedene Development Kits vereinfachen das Design-in je nach benötigten Interfaces: Das NTAG I²C plus Explorer kit (OM5569-NT322E) sowie das NTAG I²C plus kit for Arduino pinout (OM23221ARD). 

Die Lese- und Schreib-Reichweite hängt von verschiedenen Faktoren ab: Der Antennen-Größe im Reader/Smartphone und auf der Baugruppe sowie der Ausgangsleistung. Bei der Leistung sind spe-zialisierte Reader im Vorteil gegenüber NFC-Smartphones, da letztere meist aus Stromspar-Gründen mit geringerer Leistung arbeiten. Unter normalen Bedingungen wird man mit einem Smartphone auf Reichweiten zwischen 2 und 5 cm kommen, während mit einem speziellen Reader bis zu 10 cm möglich sind. 

Die Material-Umgebung spielt ebenfalls eine große Rolle. Während Kunststoff, Glas und Holz das NFC-Signal praktisch nicht dämpfen, schirmt ein Metallgehäuse das Signal komplett ab, sodass keine Kommunikation möglich ist. Ein Sonderfall ist das Anbringen des Tags außen an einer Metallfläche. Dies ist möglich, wenn man eine Ferrit-Folie zwischen Tag und Metall anbringt – ansonsten wird das NFC-Feld durch Wirbelströme im Metall ausgelöscht.

Sicherheit nach Maß

Natürlich müssen die Daten gegen unberechtigtes Auslesen oder Überschreiben gesichert sein. NFC erlaubt ein abgestuftes Sicherheitskonzept, je nach Bedarf: Ein mittlere Sicherheit gewährleistet ein Passwort-Schutz im Chip. Das EEPROM des Chips lässt sich mit einem 32-Bit Passwort schreib- beziehungsweise lese-schützen. Ein zweiter Sektor kann sogar standardmäßig von der NFC-Seite versteckt und nur durch die MCU zeitweise freigegeben werden, sodass auch unbefugtes Lesen nicht möglich ist. Zusätzlich zum Passwort-Schutz lassen sich Ende-zu-Ende-Ver­schlüsselung oder Zu- griffsschutz implementieren, was dann eine hohe Sicherheit gewährleistet. Zum Beispiel können Daten in der Firmware der Baugruppe verschlüsselt werden, bevor man sie in den Connected NFC Tag schreibt. Die Smartphone-App entschlüsselt sie dann. Der NFC-Kanal reicht hier nur die verschlüsselten Daten durch – und auch ein Angreifer würde nur Krypto-Text lesen können. Das Verschlüsselungsver-fahren können Anwender abhängig vom Wert der zu schützenden Daten stärker oder weniger stark aus­wählen. 

Zudem lässt sich der NFC-Betrieb per ‚silent mode‘ von der MCU aus temporär auf stumm schalten. In diesem Modus wird er per NFC-Phone nicht mehr erkannt und ist damit unsichtbar und nicht mehr ansprechbar. Per I²C-Kommando kann die MCU ihn aber jederzeit wieder aktiv schalten.

Autor:
Richard Schmidmaier ist Senior Marketing Manager NFC bei NXP.