嵌入式系統(tǒng)的RFID讀卡器和無源標(biāo)簽設(shè)計

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，采用無線存儲芯片M24 LR64，開發(fā)了與讀卡器配套的新型無源RFID標(biāo)簽。該RFID系統(tǒng)工作在13．56 MHz頻率，其標(biāo)簽的存儲容量達(dá)到24 KB，并通過I2C總線實現(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)用場合。實驗證明，開發(fā)的RFID系統(tǒng)能穩(wěn)定地進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信，具有工作穩(wěn)定、適用性強的特點。
關(guān)鍵詞：射頻識別；嵌入式系統(tǒng)；ISO／IEC 15693；CR95HF；大容量標(biāo)簽；M24LR64

引言
射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是一種以射頻信號為通信載體非接觸的自動識別技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)無線信息交流。RFID技術(shù)采用射頻信號傳輸數(shù)據(jù)，具有非接觸和在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點。此外，相比于其他識別技術(shù)，RFID標(biāo)簽?zāi)軌蛲ㄟ^上位機操作讀卡器進(jìn)行讀寫，更加方便和高效。因此，目前該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于交通運輸、身份驗證、門禁安全等領(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射頻芯片組成一個便攜式讀卡器。同時，針對現(xiàn)有RFID標(biāo)簽存在存儲容量小、數(shù)據(jù)傳輸方式單一等問題，基于意法半導(dǎo)體提供的M24LR64芯片，研究設(shè)計了一款應(yīng)用于嵌入式RFID系統(tǒng)的大容量無源RFID標(biāo)簽。該讀卡器和標(biāo)簽無線工作頻率為13．56 MHz，符合ISO／IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)，并支持符合I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的有線通信；標(biāo)簽存儲容量可達(dá)24 KB，可以滿足方便攜帶和大容量存儲的要求。

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。上位機工作的流程大致分為讀寫兩個部分：讀取標(biāo)簽和向標(biāo)簽中寫信息。讀取標(biāo)簽信息時，上位機發(fā)出指令信號存入微處理器，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)命令將存儲單元中指定的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送到讀卡器，讀卡器再將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機系統(tǒng)。向標(biāo)簽中寫信息時，過程類似，上位機通過射頻讀卡器發(fā)送寫指令，并將數(shù)據(jù)寫到所設(shè)計標(biāo)簽的相應(yīng)存儲單元。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
2．1 嵌入式RFID讀卡器的設(shè)計
2．1．1 讀卡器主控芯片及外圍電路的設(shè)計
本設(shè)計主控芯片采用STM32F103VET6微處理器。該處理器基于ARM Cortex—M3內(nèi)核，支持多種通信總線，工作頻率為72 MHz，包括5個USART串行接口、2個I2C總線接口、3個SPI總線接口、CAN總線和USB總線。同時，該處理器還具有80個通用I／O口、A／D轉(zhuǎn)換器、16位定時器、實時時鐘等功能，具有功能強大、功耗低等優(yōu)點，可以滿足本系統(tǒng)讀卡器的設(shè)計要求。
讀卡器采用標(biāo)準(zhǔn)USB 5 V供電，通過穩(wěn)壓芯片KF33BDT提供3．3 V電壓供微處理器使用。為了抗干擾，微處理器的每個電源引腳都并聯(lián)了0．1μF的去耦電容。微處理器的外部時鐘源選用兩個，分別為高速外部時鐘源和低速外部時鐘源。高速外部時鐘源的晶振頻率為8 MHz，用于為系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的主時鐘；低速時鐘源的晶振頻率為32．768 kHz，用于為時鐘或日歷等提供時鐘源。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鐘源的負(fù)載電容為20pF，低速外部時鐘源負(fù)載電容為10pF。sTM32F103 VET6微處理器通過串口與CR95HF射頻芯片進(jìn)行通信，采用標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口實現(xiàn)程序的燒寫與調(diào)試，并通過USB總線與上位機高速通信。