EMZ3118 ZigBee在RFID射頻識別閱讀器中的應用

馬文琦

(西安全路通號器材研究有限公司，西安 710043)

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EMZ3118 ZigBee在RFID射頻識別閱讀器中的應用

馬文琦

(西安全路通號器材研究有限公司，西安 710043)

摘要:針對目前應用廣泛的有線傳輸射頻識別閱讀器，提出了一種以EMZ3118 ZigBee為無線收發器，在傳統的RFID射頻識別閱讀器上進行無線功能拓展的無線傳輸射頻識別系統。無線傳輸射頻識別系統主要包括與上位機進行無線通信的功能模塊和RFID射頻識別閱讀器模塊，重點對EMZ3118 ZigBee模塊的工作原理、使用配置、RFID射頻讀寫電路的設計及工作原理進行了詳細介紹。測試結果顯示，該設計具有一定實際應用價值。

關鍵詞:EMZ3118 ZigBee；無線傳輸；射頻識別

引言

射頻識別(RFID)技術是一種自動識別技術，被廣泛應用于動物識別、鐵路車皮識別、自動高速公路收費、航空行李處理、資產跟蹤、公共交通等。該系統主要包括電子標簽和閱讀器兩部分，兩者之間通過電磁波進行通信。通過這種方式閱讀器可以遠距離、非接觸地讀出電子編碼中的所有信息，并通過串口將數據傳輸到管理主機中，供工作人員記錄讀取。

實際應用中，閱讀器和主機之間是通過串口或網口進行通信的，這種通信方式會造成射頻識別系統布線繁瑣、成本高、工程量大。一旦系統安裝完成后，就不能隨意變動位置，降低了系統的重復利用率。

為了使射頻識別系統能夠突破位置限制、節省空間、降低成本及減小工程量，對傳統的閱讀器進行了重新設計，實現了閱讀器和主機之間無線方式的信息交互傳輸。

1整體設計方案

無線傳輸射頻識別閱讀器的系統結構如圖1所示，主要包括ZigBee模塊、主控模塊、RFID射頻讀寫模塊、天線模塊、USB轉串通信模塊和電源模塊。

圖1　系統結構圖

使用了一對ZigBee模塊，一個設計在閱讀器內，另一個獨立設計成帶USB接口的信息收發器，安裝在上位機上。主控模塊是以STM32F107VCT6為核心的微控制系統模塊，RFID射頻讀寫模塊負責數據的傳輸和信號的處理工作，以及對電子標簽進行讀寫操作。核心芯片是EM4094(USB轉串通信模塊),主要作為備用上位機讀寫通道設計，當無線通信距離超出有效范圍或者無線通信發生故障時，可以使用串口通信連接上位機及閱讀器。天線模塊采用傳統設計，這里不做重點介紹。

此外，還設計了音頻報警和信號指示，分別用來提醒操作人員讀卡是否成功指示閱讀器通信或電源的狀態。

2硬件電路設計

2.1ZigBee模塊

EMZ3118模塊是基于STM32W108的一款完整的嵌入式ZigBee應用模塊，帶外部射頻功率放大器(PA)，發射功率最大為+20 dBm(100 mW)。模塊提供了ZigBee/IEEE802.15.4兼容的無線解決方案，可滿足低成本、遠距離的無線傳感網應用需求[1]。

EMZ3118采用先進的系統級芯片STM32W108，擁有穩定可靠的Ember ZigBee Pro協議棧、開發簡單便捷、便于集成ZigBee解決方案、通信范圍廣、網絡可靠性高。最大傳輸距離為1.6 km，具有24個GPIO端口、4個中斷端口、支持兩個串行接口、6路12位A/D端口。支持點到點、點到多點、P2Pmesh的網絡協議，還提供16個直序擴頻信道。EMZ3118引腳基本上都對應到STM32W108的引腳上。

設計中使能EMZ3118的外部射頻功率放大器(PA)，必須進行一些簡單的配置。該模塊使用4個CPU引腳來控制外部功放，根據他們的功能定義做出相應的配置，如下所示。

PA3：輸出控制引腳，用于控制外部功放的供電。設置為0，外部功放電源打開；設置為1，外部功放電源關閉。

PA6：輸出控制引腳，外部功放的使能控制。設置為0，外部功放不工作；設置為1，外部功放工作。

PA7：輸出控制引腳，用于選擇射頻信號的輸出天線。設置為0，射頻信號從UFL天線接口輸出；設置為1，射頻信號從MMCX天線接口輸出。

PC5：外部功放收發切換控制引腳，這個引腳需要設置為特殊功能輸出模式。

本設計中EMZ3118直接使用外置天線,無需設計。

2.2主控芯片

STM32F107VCT6是意法半導體推出的全新STM32互連型(Connectivity)系列微控制器中一款性能較強的產品。該芯片基于ARM Cortex-M3內核，具有256 KB Flash和64 KB SRAM，工作頻率可達72 MHz。其集成了多種高性能工業標準接口：一個全速USB(OTG)接口、兩個CAN2.0B控制器、一個硬件支持IEEE1588精確時間協議(PTP)的以太網接口(由硬件實現該協議可降低CPU開銷，提高實時應用和聯網設備同步通信的響應速度)。此外，該微控制器還支持以太網、USB OTG和CAN2.0B外設接口同時工作，因此只需一塊芯片就能設計整合所有這些外設接口的網關設備[2]。

設計中使用100引腳的STM32F107VCT6，EMZ3118與主控芯片的電路連接原理如圖2所示。

圖2　和主控芯片的連接電路

圖2中，EMZ3118和主控芯片之間進行SPI通信，EMZ3118為主控芯片的從設備。PA6為主控芯片在主動模式下的數據輸入端(SDO)；PA7為主控芯片在主動模式下的數據輸出端(SDI)；PA5為串口時鐘(SCK)；PA4為從設備選擇端(NSS)，用來使能ZigBee模塊；PA3用來控制EMZ3118的外部Rx/Tx切換邏輯控制端。

2.3RFID射頻讀寫模塊

RFID射頻讀寫模塊中的核心器件是EM4094芯片，是一款集成收發器芯片，可用于構成RFID閱讀器的模擬前端讀寫基站模塊。EM4094支持所有EM公司頻率為13.56 MHz的收發器芯片，支持ISO15693協議、ISO14443協議和Sony Felicia協議[3]。

EM4094三個不同的電源引腳分別是VDDA1、VDDA2和VDD。其中，VDDA1和VDDA2為內部天線驅動器ANT1、ANT2供電，每個驅動器需要獨立供電。由于兩個驅動器可能產生較大的電流，為了給天線提供足夠電能，需要在VDDA1及VDDA2引腳間接入一個3.3 μF電容，再分別并聯一個1 nF和100 nF的電容，對電源進行濾波和去耦。VDD用于給其他的內部邏輯電路供電。在這個電源線上同樣并聯一個1 nF和100 nF的電容對電源進行濾波和去耦。這3個電源施加相同的電壓(5 V或3.3 V)，所有電源線都應當與模擬地相連[4]。

在OSCOUT和OSCIN兩端外接13.56 MHz的晶振，用來提供脈沖信號，該信號被送至天線驅動器輸出端。為了保證晶振的起振以及穩定性，在晶振兩端跨接兩個NPO電容。NPO電容的大小由EM4094芯片的可選跨導和晶振參數決定。

為了確保閱讀器內部芯片的穩定性及可靠性，分別用100 nF和1 nF的電容對帶隙參考輸出(AGD)電壓進行去耦。

引腳ANT1和ANT2是兩個天線驅動器的輸出端，它們可同相或反相驅動，如果將閱讀器天線與EM4094芯片集成到同一塊PCB板上，便可選用直接天線連接的方法。這種情況下，天線線圈和串聯的電容形成LC振蕩回路，回路的諧振頻率設計為閱讀器的頻率。串聯一個電阻可以抑制品質因數，且將天線電流設計在EM4094額定電流值以下。當工作于其諧振頻率時，天線即可獲得較高的輸出功率。

引腳RFIN1、RFIN2是該芯片接收鏈上的輸入引腳，用來解調芯片收發器發送過來的數據。該引腳上的電壓應設計在VDD和GND之間，這兩個輸入設計必須具有相同性能及相同靈敏度[5]。另外，外接一個阻抗匹配電路，這兩個輸入端就可用于解調輸入相位或幅度來調制信號。沒有使用的輸入引腳要通過一個10 nF電容接到模擬地，高靈敏度的輸入引腳使得讀卡器即使在電子標簽最小的電源級別上，還能具有較遠的讀寫距離。

引腳EN用于關閉或使能閱讀器電子電路，該引腳可由一個外部單片機進行控制。

在SPI串行通信模式下，引腳DIN用于數據輸入，引腳DOUT用于數據輸出，引腳DCLK用于SPI總線的時鐘信號。SPI接口可用來對讀寫器芯片內部的位寄存器進行設置，并參與不同模塊參數的設定。在正常模式下，可通過在DIN引腳上施加邏輯電平來關閉或打開天線驅動器。在DOUT引腳上可直接讀取引腳DIN上的應答信息。

RFID射頻讀寫模塊電路工作原理圖如圖3所示。

圖3　工作原理圖

2.4天線模塊

天線負責發送閱讀器對電子標簽的讀寫指令，同時接收標簽返回的數據。在射頻識別系統中，天線線圈可看作兩個相互耦合的電感。兩個電感諧振頻率必須設計在閱讀器工作頻率(即13.56 MHz)附近,才能使得電感的耦合程度最高，因此必須先知道天線線圈的電感值，再搭配適當的電容值，根據不同的應用計算出天線的品質因數和電感的電阻值[6]。

本設計中，參考demo 板的參數設計，在PCB板上印刷天線線圈、矩形形狀。圈數為4圈，線圈外圈長6.8 cm、寬5.5 cm、線寬1 mm、線間距0.2 mm、并聯一個3.3 kΩ的電阻，容性的阻抗匹配網絡(8.2 pF+120 pF并聯)電容值串聯56 pF+680 pF并聯后的電容值。

USB轉串口通信模塊采用常用電路，電源模塊相關電路除了給芯片EM4094兩個獨立供電電源使用了磁珠隔離，其他的也采用了常用電路。

3軟件設計

3.1上位機軟件設計

上位機軟件主要實現對遠端閱讀器的讀寫操作。上位機軟件通過RS485口向EMZ3118發送帶有閱讀器地址的讀寫指令，EMZ3118將指令無線傳輸給遠端EMZ3118接收并解析。符合接收閱讀器地址的指令會發送給主控芯片，主控芯片進一步解析指令后對閱讀器進行相關讀寫操作，并監測閱讀器對指令執行的結果是否正確，同時將相關的結果數據原路徑傳輸給上位機，閱讀器的工作狀態實時顯示在工作狀態燈上。本設計中的上位機采用C#開發。

3.2下位機軟件設計

下位機軟件包括ZigBee模塊本身的收發配置、閱讀器驅動及工作程序設計、主控芯片的初始化及網絡通信程序設計，以及系統控制、串行Flash存儲、硬件外圍模塊驅動、EMZ3118為ZigBee模塊的Host驅動、其他接口驅動等。本文重點介紹EMZ3118的Host驅動，軟件架構如圖4所示。

EMZ3118為ZigBee模塊的Host驅動，完成STM32F107與EMZ3118模塊的SPI通信并提供通用SPI讀寫能力。代碼框架如下所示：

Assemble Command and put it into cmdbuf.

While(get_EMZ3118_int_status());

Spi_send_data(cmdbuf,cmdlen);

Recvlen=spi_recv_data(resbuf);

Handle response buffer.

其中,函數get_EMZ3118_int_status()用于獲取模塊/INT狀態。

結語

參考文獻

[1] 沈建華.STM32W無線射頻ZigBee單片機原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010：332-338.

[2] Mediatek.MT7601_Data_Sheet_v0_06，2012.

[3] Cantatore E, Geuns T C T, Gelinck G H, et al.A 13.56-MHz RFID system based on organic transponders [J].Solid-State Circuits, IEEE Journal of,2007, 42(1):84-92.

[4] Chow H K H, Choy K L, Lee W B, et al.Design of a RFID case-based resource management system for warehouse operations [J].Expert Systems with Applications,2006,30(4):561-576.

[5] 馬一兵. 基于 AVR 單片機和 EM4094 射頻卡讀寫基站的多協議讀寫器的設計[J].世界電子元器件,2010 (10):49-53.

[6] 戴彩艷, 蔡堅勇, 陳銀燕,等. 13.56 MHz RFID 讀寫器天線的設計與仿真[J].無線電工程, 2013,43(1):42-45.

馬文琦，主要研究方向為鐵路監控及附屬應用設備。

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Application of EMZ3118 ZigBee in RFID Reader

Ma Wenqi

(Xi'an Railway Communication Equipment Research Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

Abstract：Aiming at the cable transmission RFID reader,the wireless radio frequency identification system expanding the wireless function in the traditional RFID radio frequency identification reader is proposed,which takes EMZ3118 ZigBee as the wireless transceiver.The system includes the function module and the RFID reader module communication with the host computer through wireless.The working principle,the configuration of the EMZ3118 ZigBee module,the design and working principle of the RFID reading and writing circuits are introduced.The test results show that the design has practical application value.

Key words:EMZ3118 ZigBee;wireless transmission;radio frequency identification

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-04-10)

中圖分類號:TN98

文獻標識碼:A