基于STM32單片機的UHF RFID讀寫器設計

摘 要：使用STM32單片機作為主控芯片，根據RFID的通信原理，對UHF RFID現有系統方案進行對比篩選，推出一種契合實際的低成本、高性能、具有自主知識產權的設計方案。

關鍵詞：STM32單片機；讀寫器；RFID

射頻識別技術RFID（Radio Frequency Identification），是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術，利用射頻信號通過空間耦合（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的一項新技術[1]。

1 RFID的通信方式

RFID讀寫器通信分為兩個階段：

第一，讀寫器將基帶信號調制到載波上，發送給標簽；標簽從載波中獲取能量，并解調出讀寫器發出的基帶信號，得到讀寫器發出的命令。

第二，閱讀器連續發射無調制的載波用以提供標簽持續工作所需要的能量，以及標簽發射調制需要的載波；標簽根據接收到的讀寫器指令內容，將標簽的返回信息調制到來自讀寫器發射過來的連續載波上（backscatter modulation）。讀寫器接收到標簽返回的信號，解調出所需要的基帶信號。

由上可知，RFID系統得通信與其他通信系統最大的不同是：當讀寫器在接收標簽返回的微弱信號時，讀寫器的發射電路同時也在發射一個大功率的無調制的載波，以供給給標簽能量和發射調制用的載波。因此，在RFID讀寫器的天線上始終存在著一個強的載波信號和一個弱標簽返回信號，兩者完全同頻。

2 方案設計

2.1 處理器

處理器采用的是ST公司的STM32F103VCT6，該芯片采用的是ARM的cortex-M3系列的內核，內部集成8個16位定時器，32位的數據總線寬度，256KB程序存儲器，48KB數據RAM，含有CAN/I2C/SPI/USART等接口，12位AD/DA轉換器，獨立看門狗和窗口看門狗，最大時鐘頻率72MHz，支持JTAG下載調試，I/O口功能可以軟件設置。

2.2 UHF RFID系統方案

方案一：采用專用芯片設計。目前應用到UHF RFID讀寫器的射頻專用芯片有奧地利微電子的AS3992，WJ通信公司（TriQuint）的WJC200，以及Impinj的R2000芯片。優點：集成度高（RF front-end+Baseband），外圍電路簡單，易于調試和開發周期短。缺點：有些資料的保密度高，價格也比較高，開發產品的核心芯片受制于人，若芯片停產或者購買不到芯片，相關的開發將付諸東流，開發的產品將受到停產的威脅。

方案二：采用通用集成的無線收發芯片的設計。目前應用廣泛的有ADI公司推出的ADF7020，TI推出的CC1100，Nordic公司的nRF9058等。這些芯片集成度高，應用廣泛，成本低，會給工程師開發帶來很大的空間。但由于這些芯片還不是針對RFID通信應用開發使用，因此如果要實現兼容EPC C1 G2標準的讀寫器，需要小心的選取和設計。

方案三：采用分立元器件設計。即采用Modulator，Demodulator，PA，Balun，AD，DA，PLL等模塊實現。這種方式的優點是：完全的自主產權。缺點：成本偏高，體積不易做小，開發周期比較長。

方案分析：根據以上三種讀寫器實現方案綜述，從成本、開發周期、自主知識產權等綜合來說，選擇方案二作為射頻設計方案，下圖1是設計方案系統框圖：

3 其他電路設計

讀寫器設計方案還包括：射頻前端，數字控制以及上位機。

射頻前端在接收通道采用雙通道零中頻接收的方案，并且使用ADC采樣檢測每個通道的信號大小，從而決定哪個通道作為解調使用，接收通路上采用多點直接檢波的方法，沒有采用和發射通道同樣的無線收發模塊，主要原因在于RFID系統存在著大發射功率泄露，因此對接收端的線性度提出了很高的要求，一般的無線收發模塊接收通道難以滿足這種對于高線性度的應用要求，如果采用無線收發模塊會限制其讀寫距離。

數字控制部分，主要完成以下幾個功能：第一，EPC C1 G2協議的處理；第二，協調RF芯片的工作；第三，負責和上位機的通信。因此在設計數字控制的時候，必須仔細的考慮系統工作流程。

上位機部分主要提供用戶使用的界面。

4 結論

本文提出的UHF RFID讀寫器硬件設計方案，成本低、易實現，適合市場需求。我們采用此方案成功的完成了UHF RFID讀寫器的研發，取得了滿意的效果。

[參考文獻]

[1]Klaus Finkenzeller，著.吳曉峰，陳大才，譯.射頻識別技術.北京：電子工業出版社，2006.