基于STM32的LF RFID閱讀器研究

孫 栗，雷必成，朱 帥

（臺州學院 物理與電子工程學院，浙江 臺州 318000）

射頻識別技術 （Radio Frequency Identification，RFID）是從八十年代起走向成熟的一項自動識別技術。RFID利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到識別目的并交換數據，主要通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的[2]。

RFID技術在近年取得了長足的發展，目前已廣泛應用的頻段分布在LF、HF、UHF和微波頻段，各頻段的RFID系統均有各自的優點和相應的應用范圍。對于LF頻段的RFID系統而言，最明顯的優點在于擁有很好的穿透性能，如可穿透液體物質，建筑物，人體等，且各種動物體細胞和各種氣體分子對LF頻段的能量吸收很小。

可見LF RFID系統可以在需要良好穿透性，需要不間斷長時間工作，以及存在較高危險性場合（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點提出了一種基于STM32的LF RFID系統，并對該系統進了設計制作并測試。測試結果表明該系統具有實現簡單、可靠性高等特點。

根據RFID系統原理，LF系統一般由以下3部分構成:

1）電子標簽：應放置在要識別的物體上，在本設計研究主要采用工業生產中的標準125 kHz電子標簽EM4100。其內置小型的ROM和整流電路，能實現應答器和閱讀器的無接觸工作。

2）閱讀器：可以是讀或寫/讀裝置，取決于所使用結構和技術，主要起到讀標簽的作用[4]。

3）天線：天線應放置在應答器和閱讀器之間，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耦合元件來實現。

1 系統總體設計

本次設計以STM32作為控制模塊的核心，通過輸出125 kHz的方波源為后面的功放電路提供驅動信號，功放電路為天線負載提供放大后的125 kHz方波，從而使天線負載能為標簽提供足夠的能量，同時獲取標簽信息。檢波電路實現對標簽信息的檢波功能，檢波后通過方波信號轉換電路轉換傳送給STM32進行解碼，同時將標簽信息通過STM32串口傳送到上位機進行后續處理。整個系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 Circuit diagram

本系統與現有系統[5-6]的區別在于：

1）不需要專用的解碼芯片進行解碼直接利用STM32具有的捕獲功能對檢波轉換后的電子標簽信號進行解碼。

2）利用了STM32能輸出一對帶死區互補方波的功能對一對開關管進行驅動，省去了復雜的模擬電子電路生成同樣的驅動波形。

3）借鑒開關電源中半橋逆變電路的原理，使LC電路形成串聯諧振，從而實現了功率放大。

2 硬件電路設計

2.1 功率放大電路設計

功率放大電路采用兩個開關管和一個LC振蕩電路 （天線）形成，經過分析功率放大電路設計如圖2所示。

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

其中S1、S2是由STM32輸出經驅動芯片IR2110后的兩路帶死區控制的PWM波，頻率為125 kHz。這樣就使天線L1與電容C1構成串聯諧振電路，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，從而產生磁通量，獲得更大的讀卡距離。

天線本身是一個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因子以得出匹配電路的電容推薦值[3]。

一般來說，由于天線的磁場輻射，對Q值的要求大概在20到40比較合適。現在根據天線的Q值來確定天線的感量，現在的一些工業標準主要采用繞制50 Ω，Q值取30，工作頻率是125 kHz則fR取125 kHz，由以上3個數據可以得到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工作頻率下測量電感。本設計中，繞制10圈檢測后得到感量為89.03 μH。電感的計算公式：

L=N2×L1（3）（L1表示單圈電感感量，N 表示線圈匝數），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，大概需要21圈。

天線的設計完成之后，需要選擇相應的阻抗匹配電路。現在本設計主要選擇利用CBB電容來達到阻抗匹配的目的，電容的大小由系統的工作頻率來確定。阻抗匹配主要目的是使天線工作在最佳狀態，即天線和電容處于諧振狀態。

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通過電容的振蕩波形的峰值來確定。

2.2 包絡檢波電路的設計

包絡電路的設計很大程度決定了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工作，把高頻125 kHz波濾除。電路設計主要采用串聯型二極管包絡檢波，其工作原理如圖3所示。

圖3 包絡檢波電路原理圖Fig.3 Envelope detector circuit schematic

電路由二極管D和RLC低通濾波器相串接構成。輸入US時，通過D的電流i在RLC電路產生平均電壓UAV，該電壓又反作用于D上（稱平均電壓負反饋效應），影響通過二極管的電流。

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

3 軟件設計

終端軟件要解決的關鍵問題是如何正確接收數據并解碼。本RFID系統選用的電子標簽為曼切斯特解碼，電子標簽信號經曼切斯特編碼器后的輸出信號見圖4所示。

圖4 單片機接收信號和曼切斯特解碼輸出數據Fig.4 MCU receives the signal and the Manchester decoded output data

利用STM32的捕獲功能對整形后的波形進行捕獲計時，每延時384 μs之后，STM32檢測是否為高電平。然后對前后電平進行比較，若是01則表示數據0，若10表示數據1。

電子標簽中的64 bit數據以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字信號的電脈沖，這是一種最簡單的傳輸方式，近距離通信的局域網都采用基帶傳輸。經反向比較器后輸出曼切斯特碼波形，然后直接輸入STM32進行曼切斯特解碼[1]。其工作原理：在一個讀取數據的周期內，若引腳為高電平，讀取的數據為1；若引腳為低電平，讀取的數據就為0。總的來說整個系統的工作過程就是曼切斯特解碼過程。

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解碼過程程序框圖

通過對曼切斯特解碼原理的分析，單片機主要是處理包絡電路給出的方波信號，得到相應的數據。可以得到如下的系統框圖如圖6所示。

圖6 解碼過程程序框圖Fig.6 Decoding process block diagram

5 測試結果

電子標簽的讀取距離為10 cm左右。圖7為STM32輸出125 kHz帶死區互補方波的實測圖，圖8為檢波、轉換后的波形。由圖7的波形可得STM32的輸出波形頻率為125 kHz，死區時間為0.9 μs，符合設計要求。

圖7 125 kHz互補方波輸出Fig.7 125 kHz complementary square-wave output

圖8 檢波、轉換后的標簽信號Fig.8 Tag signal after detecter and converted

6 結束語

目前存在的一些閱讀器，需要專用的讀卡芯片進行解碼，電路復雜，文中主要介紹了一種采用STM32解碼、互補輸出、死區控制的LF RFID閱讀器。以STM32作為其控制核心，可以對電子標簽卡進行檢測、識別，并對識別的信息進行相應的處理。電路結構簡單，用于讀取EM4100型ID卡具有一定的實用價值。

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