嵌入式系統(tǒng)的RFID讀卡器和無(wú)源標(biāo)簽設(shè)計(jì)

摘要：以STM32F103VET6微處理器為核心，配合CR95HF射頻芯片構(gòu)成符合ISO／IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)的便攜式讀卡器。同時(shí)，采用無(wú)線(xiàn)存儲(chǔ)芯片M24 LR64，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13．56 MHz頻率，其標(biāo)簽的存儲(chǔ)容量達(dá)到24 KB，并通過(guò)I2C總線(xiàn)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(xiàn)數(shù)據(jù)通信，具有工作穩(wěn)定、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；嵌入式系統(tǒng)；ISO／IEC 15693；CR95HF；大容量標(biāo)簽；M24LR64

引言
射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，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(xiàn)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(xiàn)工作頻率為13．56 MHz，符合ISO／IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)，并支持符合I2C總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的有線(xiàn)通信；標(biāo)簽存儲(chǔ)容量可達(dá)24 KB，可以滿(mǎn)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(xiàn)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A(yíng)RM Cortex—M3內(nèi)核，支持多種通信總線(xiàn)，工作頻率為72 MHz，包括5個(gè)USART串行接口、2個(gè)I2C總線(xiàn)接口、3個(gè)SPI總線(xiàn)接口、CAN總線(xiàn)和USB總線(xiàn)。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(mǎn)足本系統(tǒng)讀卡器的設(shè)計(jì)要求。
讀卡器采用標(biāo)準(zhǔn)USB 5 V供電，通過(guò)穩(wěn)壓芯片KF33BDT提供3．3 V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8 MHz，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32．768 kHz，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。sTM32F103 VET6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(xiàn)與上位機(jī)高速通信。