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

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13．56 MHz LC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)480 Mbps，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64 Kb EEPROM，支持工作頻率為13．56 MHz，符合ISO／IEC 15693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1．8～5．5 V，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8 192×8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2 048×32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24 KB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13．56 MHz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28．5 pF，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。