基于STM32的LF RFID閱讀器研究

孫 栗，雷必成，朱 帥

（臺(tái)州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

射頻識(shí)別技術(shù) （Radio Frequency Identification，RFID）是從八十年代起走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)，主要通過(guò)空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的[2]。

RFID技術(shù)在近年取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用的頻段分布在LF、HF、UHF和微波頻段，各頻段的RFID系統(tǒng)均有各自的優(yōu)點(diǎn)和相應(yīng)的應(yīng)用范圍。對(duì)于LF頻段的RFID系統(tǒng)而言，最明顯的優(yōu)點(diǎn)在于擁有很好的穿透性能，如可穿透液體物質(zhì)，建筑物，人體等，且各種動(dòng)物體細(xì)胞和各種氣體分子對(duì)LF頻段的能量吸收很小。

可見(jiàn)LF RFID系統(tǒng)可以在需要良好穿透性，需要不間斷長(zhǎng)時(shí)間工作，以及存在較高危險(xiǎn)性場(chǎng)合（如含爆炸性氣體礦井）下良好工作。本文正是由于它的這些重要優(yōu)點(diǎn)提出了一種基于STM32的LF RFID系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)了設(shè)計(jì)制作并測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。

根據(jù)RFID系統(tǒng)原理，LF系統(tǒng)一般由以下3部分構(gòu)成:

1）電子標(biāo)簽：應(yīng)放置在要識(shí)別的物體上，在本設(shè)計(jì)研究主要采用工業(yè)生產(chǎn)中的標(biāo)準(zhǔn)125 kHz電子標(biāo)簽EM4100。其內(nèi)置小型的ROM和整流電路，能實(shí)現(xiàn)應(yīng)答器和閱讀器的無(wú)接觸工作。

2）閱讀器：可以是讀或?qū)?讀裝置，取決于所使用結(jié)構(gòu)和技術(shù)，主要起到讀標(biāo)簽的作用[4]。

3）天線：天線應(yīng)放置在應(yīng)答器和閱讀器之間，它主要起到橋梁的溝通作用，不管是能量提供還是信息傳送都要通過(guò)耦合元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)以STM32作為控制模塊的核心，通過(guò)輸出125 kHz的方波源為后面的功放電路提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，功放電路為天線負(fù)載提供放大后的125 kHz方波，從而使天線負(fù)載能為標(biāo)簽提供足夠的能量，同時(shí)獲取標(biāo)簽信息。檢波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽信息的檢波功能，檢波后通過(guò)方波信號(hào)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換傳送給STM32進(jìn)行解碼，同時(shí)將標(biāo)簽信息通過(guò)STM32串口傳送到上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Circuit diagram

本系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)[5-6]的區(qū)別在于：

1）不需要專(zhuān)用的解碼芯片進(jìn)行解碼直接利用STM32具有的捕獲功能對(duì)檢波轉(zhuǎn)換后的電子標(biāo)簽信號(hào)進(jìn)行解碼。

2）利用了STM32能輸出一對(duì)帶死區(qū)互補(bǔ)方波的功能對(duì)一對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，省去了復(fù)雜的模擬電子電路生成同樣的驅(qū)動(dòng)波形。

3）借鑒開(kāi)關(guān)電源中半橋逆變電路的原理，使LC電路形成串聯(lián)諧振，從而實(shí)現(xiàn)了功率放大。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 功率放大電路設(shè)計(jì)

功率放大電路采用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管和一個(gè)LC振蕩電路 （天線）形成，經(jīng)過(guò)分析功率放大電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 功率放大電路Fig.2 Power amplifier circuit

其中S1、S2是由STM32輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片IR2110后的兩路帶死區(qū)控制的PWM波，頻率為125 kHz。這樣就使天線L1與電容C1構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，諧振頻率為125 kHz，諧振電路的作用是使天線獲得最大的電流，從而產(chǎn)生磁通量，獲得更大的讀卡距離。

天線本身是一個(gè)低電阻的器件將天線線圈連接到功放電路需要估算天線的等效電路和品質(zhì)因子以得出匹配電路的電容推薦值[3]。

一般來(lái)說(shuō)，由于天線的磁場(chǎng)輻射，對(duì)Q值的要求大概在20到40比較合適。現(xiàn)在根據(jù)天線的Q值來(lái)確定天線的感量，現(xiàn)在的一些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要采用繞制50 Ω，Q值取30，工作頻率是125 kHz則fR取125 kHz，由以上3個(gè)數(shù)據(jù)可以得到RFID天線的感量為375 μH。

天線的繞制：首先大概的繞幾圈，然后使用阻抗分析儀，在125 kHz工作頻率下測(cè)量電感。本設(shè)計(jì)中，繞制10圈檢測(cè)后得到感量為89.03 μH。電感的計(jì)算公式：

L=N2×L1（3）（L1表示單圈電感感量，N 表示線圈匝數(shù)），由上述公式可以得到天線的單圈感量為0.89 μH。即由以上電感的值可以求得天線的需要的匝數(shù)，大概需要21圈。

天線的設(shè)計(jì)完成之后，需要選擇相應(yīng)的阻抗匹配電路。現(xiàn)在本設(shè)計(jì)主要選擇利用CBB電容來(lái)達(dá)到阻抗匹配的目的，電容的大小由系統(tǒng)的工作頻率來(lái)確定。阻抗匹配主要目的是使天線工作在最佳狀態(tài)，即天線和電容處于諧振狀態(tài)。

此公式可以確定電容的大小在4.7 μF，CBB電容的耐壓值還需要根據(jù)通過(guò)電容的振蕩波形的峰值來(lái)確定。

2.2 包絡(luò)檢波電路的設(shè)計(jì)

包絡(luò)電路的設(shè)計(jì)很大程度決定了RFID閱讀器的讀取距離，它主要工作原理就是低通濾波器和二極管串聯(lián)工作，把高頻125 kHz波濾除。電路設(shè)計(jì)主要采用串聯(lián)型二極管包絡(luò)檢波，其工作原理如圖3所示。

圖3 包絡(luò)檢波電路原理圖Fig.3 Envelope detector circuit schematic

電路由二極管D和RLC低通濾波器相串接構(gòu)成。輸入U(xiǎn)S時(shí)，通過(guò)D的電流i在RLC電路產(chǎn)生平均電壓UAV，該電壓又反作用于D上（稱(chēng)平均電壓負(fù)反饋效應(yīng)），影響通過(guò)二極管的電流。

若 US=Vcm（1+MacosΩt）cosωct，則 vav=ηdVcm+ηdMaVcmcosΩt=VAV+Vav，其中 vav∝vΩ，所以實(shí)現(xiàn)了線性檢波。

3 軟件設(shè)計(jì)

終端軟件要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何正確接收數(shù)據(jù)并解碼。本RFID系統(tǒng)選用的電子標(biāo)簽為曼切斯特解碼，電子標(biāo)簽信號(hào)經(jīng)曼切斯特編碼器后的輸出信號(hào)見(jiàn)圖4所示。

圖4 單片機(jī)接收信號(hào)和曼切斯特解碼輸出數(shù)據(jù)Fig.4 MCU receives the signal and the Manchester decoded output data

利用STM32的捕獲功能對(duì)整形后的波形進(jìn)行捕獲計(jì)時(shí)，每延時(shí)384 μs之后，STM32檢測(cè)是否為高電平。然后對(duì)前后電平進(jìn)行比較，若是01則表示數(shù)據(jù)0，若10表示數(shù)據(jù)1。

電子標(biāo)簽中的64 bit數(shù)據(jù)以NRZ串行送入比較器，所謂NRZ就是基帶傳輸，也就是在線路中直接傳送數(shù)字信號(hào)的電脈沖，這是一種最簡(jiǎn)單的傳輸方式，近距離通信的局域網(wǎng)都采用基帶傳輸。經(jīng)反向比較器后輸出曼切斯特碼波形，然后直接輸入STM32進(jìn)行曼切斯特解碼[1]。其工作原理：在一個(gè)讀取數(shù)據(jù)的周期內(nèi)，若引腳為高電平，讀取的數(shù)據(jù)為1；若引腳為低電平，讀取的數(shù)據(jù)就為0。總的來(lái)說(shuō)整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程就是曼切斯特解碼過(guò)程。

4 程序流程圖

4.1 STM32總程序流程圖

STM32總程序流程圖，如圖5所示。

圖5 STM32總程序流程圖Fig.5 STM32 program flow chart

4.2 STM32解碼過(guò)程程序框圖

通過(guò)對(duì)曼切斯特解碼原理的分析，單片機(jī)主要是處理包絡(luò)電路給出的方波信號(hào)，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。可以得到如下的系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 解碼過(guò)程程序框圖Fig.6 Decoding process block diagram

5 測(cè)試結(jié)果

電子標(biāo)簽的讀取距離為10 cm左右。圖7為STM32輸出125 kHz帶死區(qū)互補(bǔ)方波的實(shí)測(cè)圖，圖8為檢波、轉(zhuǎn)換后的波形。由圖7的波形可得STM32的輸出波形頻率為125 kHz，死區(qū)時(shí)間為0.9 μs，符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 125 kHz互補(bǔ)方波輸出Fig.7 125 kHz complementary square-wave output

圖8 檢波、轉(zhuǎn)換后的標(biāo)簽信號(hào)Fig.8 Tag signal after detecter and converted

6 結(jié)束語(yǔ)

目前存在的一些閱讀器，需要專(zhuān)用的讀卡芯片進(jìn)行解碼，電路復(fù)雜，文中主要介紹了一種采用STM32解碼、互補(bǔ)輸出、死區(qū)控制的LF RFID閱讀器。以STM32作為其控制核心，可以對(duì)電子標(biāo)簽卡進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別，并對(duì)識(shí)別的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用于讀取EM4100型ID卡具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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