基于STM32103VET6微處理器的嵌入式RFID讀卡器和無(wú)源標(biāo)簽設(shè)計(jì)

基于STM32103VET6微處理器的嵌入式RFID讀卡器和無(wú)源標(biāo)簽設(shè)計(jì)以STM32F103VET6微處理器為核心，配合CR95HF射頻芯片構(gòu)成符合ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)的便攜式讀卡器。同時(shí)，采用無(wú)線存儲(chǔ)芯片M24LR64，開(kāi)發(fā)了與讀卡器配套的新型無(wú)源RFID標(biāo)簽。該RFID系統(tǒng)工作在13.56MHz頻率，其標(biāo)簽的存儲(chǔ)容量達(dá)到24KB，并通過(guò)I2C總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，適用于需要在標(biāo)簽中攜帶大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)合。實(shí)驗(yàn)證明，開(kāi)發(fā)的RFID系統(tǒng)能穩(wěn)定地進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信，具有工作穩(wěn)定、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)。射頻識(shí)別(RadioFrequencyIdentifICation，RFID)技術(shù)是一種以射頻信號(hào)為通信載體非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線信息交流。RFID技術(shù)采用射頻信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，具有非接觸和在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)。此外，相比于其他識(shí)別技術(shù)，RFID標(biāo)簽?zāi)軌蛲ㄟ^(guò)上位機(jī)操作讀卡器進(jìn)行讀寫(xiě)，更加方便和高效。因此，目前該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、身份驗(yàn)證、門(mén)禁安全等領(lǐng)域。根據(jù)供電方式，RFID標(biāo)簽可以分為有源、無(wú)源和半有源標(biāo)簽。本文首先介紹了典型的嵌入式RFID系統(tǒng)，之后以意法半導(dǎo)體公司STM32F103VET6為核心與CR95HF射頻芯片組成一個(gè)便攜式讀卡器。同時(shí)，針對(duì)現(xiàn)有RFID標(biāo)簽存在存儲(chǔ)容量小、數(shù)據(jù)傳輸方式單一等問(wèn)題，基于意法半導(dǎo)體提供的M24LR64芯片，研究設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于嵌入式RFID系統(tǒng)的大容量無(wú)源RFID標(biāo)簽。該讀卡器和標(biāo)簽無(wú)線工作頻率為13.56MHz，符合ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)，并支持符合I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的有線通信;標(biāo)簽存儲(chǔ)容量可達(dá)24KB，可以滿足方便攜帶和大容量存儲(chǔ)的要求。1嵌入式RFID系統(tǒng)介紹典型的嵌入式RFID系統(tǒng)通常包括以下部分：上位機(jī)系統(tǒng)、讀卡器、射頻標(biāo)簽。讀卡器由嵌入式微處理器和射頻芯片組成。上位機(jī)工作的流程大致分為讀寫(xiě)兩個(gè)部分：讀取標(biāo)簽和向標(biāo)簽中寫(xiě)信息。讀取標(biāo)簽信息時(shí)，上位機(jī)發(fā)出指令信號(hào)存入微處理器，軟件控制射頻芯片發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令給標(biāo)簽，標(biāo)簽根據(jù)接收到的讀數(shù)據(jù)命令將存儲(chǔ)單元中指定的數(shù)據(jù)通過(guò)天線發(fā)送到讀卡器，讀卡器再將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)。向標(biāo)簽中寫(xiě)信息時(shí)，過(guò)程類(lèi)似，上位機(jī)通過(guò)射頻讀卡器發(fā)送寫(xiě)指令，并將數(shù)據(jù)寫(xiě)到所設(shè)計(jì)標(biāo)簽的相應(yīng)存儲(chǔ)單元。典型的嵌入式RFID系統(tǒng)框圖如圖1所示。2基于嵌入式系統(tǒng)的讀卡器和標(biāo)簽的設(shè)計(jì)2.1嵌入式RFID讀卡器的設(shè)計(jì)

2.1.1讀卡器主控芯片及外圍電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主控芯片采用STM32F103VET6微處理器。該處理器基于ARMCortex—M3內(nèi)核，支持多種通信總線，工作頻率為72MHz，包括5個(gè)USART串行接口、2個(gè)I2C總線接口、3個(gè)SPI總線接口、CAN總線和USB總線。同時(shí)，該處理器還具有80個(gè)通用I/O口、A/D轉(zhuǎn)換器、16位定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等功能，具有功能強(qiáng)大、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足本系統(tǒng)讀卡器的設(shè)計(jì)要求。讀卡器采用標(biāo)準(zhǔn)USB5V供電，通過(guò)穩(wěn)壓芯片KF33BDT提供3.3V電壓供微處理器使用。為了抗干擾，微處理器的每個(gè)電源引腳都并聯(lián)了0.1μF的去耦電容。微處理器的外部時(shí)鐘源選用兩個(gè)，分別為高速外部時(shí)鐘源和低速外部時(shí)鐘源。高速外部時(shí)鐘源的晶振頻率為8MHz，用于為系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的主時(shí)鐘;低速時(shí)鐘源的晶振頻率為32.768kHz，用于為時(shí)鐘或日歷等提供時(shí)鐘源。負(fù)載電容的選擇需要根據(jù)晶振的大小進(jìn)行匹配，本讀卡器中高速外部時(shí)鐘源的負(fù)載電容為20pF，低速外部時(shí)鐘源負(fù)載電容為10pF。sTM32F103VET6微處理器通過(guò)串口與CR95HF射頻芯片進(jìn)行通信，采用標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口實(shí)現(xiàn)程序的燒寫(xiě)與調(diào)試，并通過(guò)USB總線與上位機(jī)高速通信。2.1.2讀卡器射頻電路設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的RFID讀卡器使用意法公司的CR95HF射頻芯片。CR95HF是具有SPI和UART串行接入的多協(xié)議非接觸13.56MHz射頻芯片，支持ISO/IEC14443A和B、ISO/IEC15693以及ISO/IEC18092等協(xié)議，能管理讀卡器模式的幀編碼和譯碼，可以廣泛應(yīng)用于RFID等近場(chǎng)通信。以CR95HF作為射頻芯片，支持高頻頻段的無(wú)源RFID，可以與本文所設(shè)計(jì)的基于M24LR64的新型大容量標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)線通信。CR95HF電路原理圖如圖2所示。本設(shè)計(jì)中的CR95HF使用串口方式與STM32F103VET6微處理器通信，CR95HF提供與串口標(biāo)準(zhǔn)兼容的通信接口(14和12引腳)，可與微處理器進(jìn)行雙向通信。CR95HF射頻芯片供電電壓為3.3V，可以使用STM32F103VET6所用電壓。同時(shí)，電容C1、C2、C3用來(lái)去耦，減少干擾。RX1、TX1、RX2、TX2引腳用來(lái)連接匹配電路和天線。CR95HF工作在高頻頻段，在天線設(shè)計(jì)上，通過(guò)匹配電路電容和電阻值的選取，得到匹配電路的等效電容，由于會(huì)和天線電感組成頻率為13.56MHzLC振蕩回路，因而可以計(jì)算出所需的天線電感，從而得到天線參數(shù)，進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。2.1.3數(shù)據(jù)通信部分的設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的RFID讀卡器通過(guò)使用STM32F103VET6芯片內(nèi)部集成的標(biāo)準(zhǔn)USB接口與PC上位機(jī)實(shí)現(xiàn)有線通信。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能，從而可以方便地實(shí)現(xiàn)讀卡器設(shè)備的移動(dòng)。同時(shí)，USB2.0高速總線傳輸速率可達(dá)480Mbps，可以快速地將讀卡器與PC上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于本文所設(shè)計(jì)標(biāo)簽具有容量較大等特點(diǎn)，因而讀卡器需要能夠快速地將讀取到標(biāo)簽內(nèi)的大容量數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，而USB總線傳輸速率極高的優(yōu)點(diǎn)使得本讀卡器可以滿足實(shí)時(shí)需求。2.2基于M24LR64的大容量無(wú)源RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)2.2.1大容量RFID標(biāo)簽電路設(shè)計(jì)M24LR64是意法半導(dǎo)體公司推出的一款新型無(wú)線存儲(chǔ)器芯片，其內(nèi)部具有口令保護(hù)的64KbEEPROM，支持工作頻率為13.56MHz，符合ISO/IEC15693協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線通信接口數(shù)據(jù)，傳輸頻率為400kHz，符合I2C串行總線標(biāo)準(zhǔn)的有線通信接口。其工作電壓為1.8～5.5V，在I2C總線接口模式下，芯片工作電源由VCC引腳提供，存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)為8192×8位;在無(wú)線射頻接口模式下，以接收到的射頻載波信號(hào)為工作電能，存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)為2048×32位。M24LR64引腳配置圖如圖3所示。由于該芯片價(jià)格比較昂貴，應(yīng)根據(jù)不同的需求選擇標(biāo)簽存儲(chǔ)容量;根據(jù)項(xiàng)目需要，本文設(shè)計(jì)了采用3個(gè)M24LR64芯片的標(biāo)簽，即實(shí)現(xiàn)了24KB的大存儲(chǔ)容量標(biāo)簽。另外對(duì)三個(gè)芯片采用并聯(lián)方式，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)芯片共用一條I2C總線和一根天線，減少標(biāo)簽的成本和功耗。設(shè)計(jì)中，通過(guò)讓3個(gè)M24LR64的E1、E0引腳依次賦值00、01、10來(lái)區(qū)分是第幾個(gè)M24LR64存儲(chǔ)器。SCL、SDA為引出的I2C總線接口。同理，當(dāng)標(biāo)簽采用RFID讀卡器對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)，根據(jù)3個(gè)M24LR64引腳E1、E0的不同來(lái)區(qū)分和選擇所需的M24LR64。其中，AC0和AC1是存儲(chǔ)器天線的收發(fā)端，將其并聯(lián)實(shí)現(xiàn)了共用一個(gè)天線。標(biāo)簽電路原理示意圖如圖4所示。2.2.2天線研究與設(shè)計(jì)M24LR64在進(jìn)行無(wú)線方式的信息讀寫(xiě)時(shí)，采用頻率為13.56MHz的高頻(HF)載波進(jìn)行通信。通過(guò)電磁耦合，標(biāo)簽利用外部電感天線從嵌入式RFID讀卡器的電磁場(chǎng)中獲取所需電能。M24LR64等效電路和天線等效電路圖如圖5所示。其中，Ctun是M24LR64的內(nèi)部調(diào)諧電容，其值為28.5pF，并聯(lián)電阻RChip以模擬芯片的電流消耗;天線是一條導(dǎo)線，Rant表示等效電阻，Lant表示天線電感，CANt表示天線寄生電容。由于在一階微分方程式中，RChip、CANt、Rant可以忽略不計(jì)。因此，M24LR64存儲(chǔ)芯片和天線等效于諧振頻率為13.56MHz的LC振蕩回路，滿足：其中f=13.56MHz，Ctun=28.5pF，可以計(jì)算出一個(gè)M24LR64時(shí)所需天線電感。由于采用3個(gè)M24LR64并聯(lián)，總電容為單個(gè)M24LR64的3倍。求得設(shè)計(jì)標(biāo)簽所需的天線電感：代入數(shù)據(jù)，可得所設(shè)計(jì)標(biāo)簽的理想天線電感Lant=1611.22nH。設(shè)計(jì)天線形狀為正方環(huán)形天線，如圖6所示。正方環(huán)形天線的電感滿足以下經(jīng)驗(yàn)公式：其中，μ0=4π×10-7H/m，K1=2.34，K2=2.75，dout和din分別表示外徑和內(nèi)徑，N為匝數(shù)。采用Grover算法，計(jì)算所設(shè)計(jì)天線實(shí)際電感Lant'，即：其中，L是每條線段的自感，s是線段數(shù)量為24，M是天線每段之間的互感?？傻盟O(shè)計(jì)標(biāo)簽天線的電感實(shí)際值：Lant'=1611.39nH和理想天線電感Lant=1611.22nH誤差：可見(jiàn)誤差極小，精確度極高，可以滿足需求。3系統(tǒng)測(cè)試本文設(shè)計(jì)標(biāo)簽實(shí)物圖如圖7所示，右上方為3個(gè)M24LR64，右下方為I2C總線接口。在上位機(jī)對(duì)嵌入式RFID讀卡器進(jìn)行標(biāo)簽信息讀寫(xiě)，結(jié)果測(cè)試圖如圖8(a)所示，其中顯示的為每個(gè)M24LR64的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)，即UID號(hào);如圖8(b)所示，可以向標(biāo)簽中任意存儲(chǔ)空間寫(xiě)入數(shù)據(jù)并讀出。由此可見(jiàn)，能夠成功地對(duì)3個(gè)M24LR64進(jìn)行讀寫(xiě)操作，沒(méi)有遮擋物的讀寫(xiě)距離為6.8cm，實(shí)現(xiàn)了大容量標(biāo)簽的設(shè)計(jì)。同時(shí)，I2C總線接口的測(cè)試顯示，本文設(shè)計(jì)的嵌入式RFID讀卡器能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有線讀寫(xiě)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，標(biāo)簽和讀卡器之間相隔玻璃瓶、木桌、塑料制品，標(biāo)簽?zāi)軌蚍€(wěn)定讀取三個(gè)芯片的概率約為99%，穩(wěn)定讀取距離至少為5cm。由此可見(jiàn)，該讀卡器和標(biāo)簽在有一般遮擋物時(shí)，在穩(wěn)定讀取和讀寫(xiě)距離