引言

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種以射頻信號為通信載體非接觸的自動識別技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)無線信息交流。RFID技術(shù)采用射頻信號傳輸數(shù)據(jù)，具有非接觸和在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點。此外，相比于其他識別技術(shù)，RFID標(biāo)簽能夠通過上位機(jī)操作讀卡器進(jìn)行讀寫，更加方便和高效。因此，目前該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于交通運輸、身份驗證、門禁安全等領(lǐng)域。根據(jù)供電方式，RFID標(biāo)簽可以分為有源、無源和半有源標(biāo)簽。

本文首先介紹了典型的嵌入式RFID系統(tǒng)，之后以意法半導(dǎo)體公司STM32F103VET6為核心與CR95HF射頻芯片組成一個便攜式讀卡器。同時，針對現(xiàn)有RFID標(biāo)簽存在存儲容量小、數(shù)據(jù)傳輸方式單一等問題，基于意法半導(dǎo)體提供的M24LR64芯片，研究設(shè)計了一款應(yīng)用于嵌入式RFID系統(tǒng)的大容量無源RFID標(biāo)簽。該讀卡器和標(biāo)簽無線工作頻率為13．56 MHz，符合ISO／IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)，并支持符合I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的有線通信；標(biāo)簽存儲容量可達(dá)24 KB，可以滿足方便攜帶和大容量存儲的要求。

1 嵌入式RFID系統(tǒng)介紹

典型的嵌入式RFID系統(tǒng)通常包括以下部分：上位機(jī)系統(tǒng)、讀卡器、射頻標(biāo)簽。讀卡器由嵌入式微處理器和射頻芯片組成。上位機(jī)工作的流程大致分為讀寫兩個部分：讀取標(biāo)簽和向標(biāo)簽中寫信息。讀取標(biāo)簽信息時，上位機(jī)發(fā)出指令信號存入微處理器，軟件控制射頻芯片發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令給標(biāo)簽，標(biāo)簽根據(jù)接收到的讀數(shù)據(jù)命令將存儲單元中指定的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送到讀卡器，讀卡器再將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)。向標(biāo)簽中寫信息時，過程類似，上位機(jī)通過射頻讀卡器發(fā)送寫指令，并將數(shù)據(jù)寫到所設(shè)計標(biāo)簽的相應(yīng)存儲單元。典型的嵌入式RFID系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 基于嵌入式系統(tǒng)的讀卡器和標(biāo)簽的設(shè)計

2．1 嵌入式RFID讀卡器的設(shè)計

2．1．1 讀卡器主控芯片及外圍電路的設(shè)計

本設(shè)計主控芯片采用STM32F103VET6微處理器。該處理器基于ARM Cortex—M3內(nèi)核，支持多種通信總線，工作頻率為72 MHz，包括5個USART串行接口、2個I2C總線接口、3個SPI總線接口、CAN總線和USB總線。同時，該處理器還具有80個通用I／O口、A／D轉(zhuǎn)換器、16位定時器、實時時鐘等功能，具有功能強(qiáng)大、功耗低等優(yōu)點，可以滿足本系統(tǒng)讀卡器的設(shè)計要求。

讀卡器采用標(biāo)準(zhǔn)USB 5 V供電，通過穩(wěn)壓芯片KF33BDT提供3．3 V電壓供微處理器使用。為了抗干擾，微處理器的每個電源引腳都并聯(lián)了0．1μF的去耦電容。微處理器的外部時鐘源選用兩個，分別為高速外部時鐘源和低速外部時鐘源。高速外部時鐘源的晶振頻率為8 MHz，用于為系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的主時鐘；低速時鐘源的晶振頻率為32．768 kHz，用于為時鐘或日歷等提供時鐘源。負(fù)載電容的選擇需要根據(jù)晶振的大小進(jìn)行匹配，本讀卡器中高速外部時鐘源的負(fù)載電容為20pF，低速外部時鐘源負(fù)載電容為10pF。sTM32F103 VET6微處理器通過串口與CR95HF射頻芯片進(jìn)行通信，采用標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口實現(xiàn)程序的燒寫與調(diào)試，并通過USB總線與上位機(jī)高速通信。

2．1．2 讀卡器射頻電路設(shè)計

本文設(shè)計的RFID讀卡器使用意法公司的CR95HF射頻芯片。CR95HF是具有SPI和UART串行接入的多協(xié)議非接觸13．56 MHz射頻芯片，支持ISO／IEC14443 A和B、ISO／IEC 15693以及ISO／IEC 18092等協(xié)議，能管理讀卡器模式的幀編碼和譯碼，可以廣泛應(yīng)用于RFID等近場通信。以CR95HF作為射頻芯片，支持高頻頻段的無源RFID，可以與本文所設(shè)計的基于M24LR64的新型大容量標(biāo)簽進(jìn)行無線通信。CR95HF電路原理圖如圖2所示。

本設(shè)計中的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，電容C1、C2、C3用來去耦，減少干擾。RX1、TX1、RX2、TX2引腳用來連接匹配電路和天線。CR95HF工作在高頻頻段，在天線設(shè)計上，通過匹配電路電容和電阻值的選取，得到匹配電路的等效電容，由于會和天線電感組成頻率為13．56 MHz LC振蕩回路，因而可以計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。

2．1．3 數(shù)據(jù)通信部分的設(shè)計

本文設(shè)計的RFID讀卡器通過使用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，從而可以方便地實現(xiàn)讀卡器設(shè)備的移動。同時，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)計標(biāo)簽具有容量較大等特點，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)點使得本讀卡器可以滿足實時需求。

2．2 基于M24LR64的大容量無源RFID標(biāo)簽設(shè)計

2．2．1 大容量RFID標(biāo)簽電路設(shè)計

M24LR64是意法半導(dǎo)體公司推出的一款新型無線存儲器芯片，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，存儲器結(jié)構(gòu)為8 192×8位；在無線射頻接口模式下，以接收到的射頻載波信號為工作電能，存儲器結(jié)構(gòu)為2 048×32位。M24LR64引腳配置圖如圖3所示。

由于該芯片價格比較昂貴，應(yīng)根據(jù)不同的需求選擇標(biāo)簽存儲容量；根據(jù)項目需要，本文設(shè)計了采用3個M24LR64芯片的標(biāo)簽，即實現(xiàn)了24 KB的大存儲容量標(biāo)簽。另外對三個芯片采用并聯(lián)方式，從而實現(xiàn)三個芯片共用一條I2C總線和一根天線，減少標(biāo)簽的成本和功耗。

設(shè)計中，通過讓3個M24LR64的E1、E0引腳依次賦值00、01、10來區(qū)分是第幾個M24LR64存儲器。SCL、SDA為引出的I2C總線接口。同理，當(dāng)標(biāo)簽采用RFID讀卡器對標(biāo)簽進(jìn)行無線數(shù)據(jù)讀寫時，根據(jù)3個M24LR64引腳E1、E0的不同來區(qū)分和選擇所需的M24LR64。其中，AC0和AC1是存儲器天線的收發(fā)端，將其并聯(lián)實現(xiàn)了共用一個天線。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

M24LR64在進(jìn)行無線方式的信息讀寫時，采用頻率為13．56 MHz的高頻（HF）載波進(jìn)行通信。通過電磁耦合，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。

由于在一階微分方程式中，Rchip、Cant、Rant可以忽略不計。因此，M24LR64存儲芯片和天線等效于諧振頻率為13．56 MHz的LC振蕩回路，滿足：

其中f=13．56 MHz，Ctun=28．5 pF，可以計算出一個M24LR64時所需天線電感。由于采用3個M24LR64并聯(lián)，總電容為單個M24LR64的3倍。求得設(shè)計標(biāo)簽所需的天線電感：

代入數(shù)據(jù)，可得所設(shè)計標(biāo)簽的理想天線電感Lant=1 611．22 nH。

設(shè)計天線形狀為正方環(huán)形天線，如圖6所示。

正方環(huán)形天線的電感滿足以下經(jīng)驗公式：

其中，μ0=4π×10-7H／m，K1=2．34，K2=2．75，dout和din分別表示外徑和內(nèi)徑，N為匝數(shù)。采用Grover算法，計算所設(shè)計天線實際電感Lant‘，即：

其中，L是每條線段的自感，s是線段數(shù)量為24，M是天線每段之間的互感。可得所設(shè)計標(biāo)簽天線的電感實際值：Lant’=1 611．39 nH和理想天線電感Lant=1 611．22 nH誤差：

可見誤差極小，精確度極高，可以滿足需求。

3 系統(tǒng)測試

本文設(shè)計標(biāo)簽實物圖如圖7所示，右上方為3個M24LR64，右下方為I2C總線接口。在上位機(jī)對嵌入式RFID讀卡器進(jìn)行標(biāo)簽信息讀寫，結(jié)果測試圖如圖8（a）所示，其中顯示的為每個M24LR64的唯一標(biāo)識號，即UID號；如圖8（b）所示，可以向標(biāo)簽中任意存儲空間寫入數(shù)據(jù)并讀出。由此可見，能夠成功地對3個M24LR64進(jìn)行讀寫操作，沒有遮擋物的讀寫距離為6．8 cm，實現(xiàn)了大容量標(biāo)簽的設(shè)計。同時，I2C總線接口的測試顯示，本文設(shè)計的嵌入式RFID讀卡器能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有線讀寫。

實驗室環(huán)境下，標(biāo)簽和讀卡器之間相隔玻璃瓶、木桌、塑料制品，標(biāo)簽?zāi)軌蚍€(wěn)定讀取三個芯片的概率約為99％，穩(wěn)定讀取距離至少為5 cm。由此可見，該讀卡器和標(biāo)簽在有一般遮擋物時，在穩(wěn)定讀取和讀寫距離方面均滿足一般需要。

結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了基于STM32103VET6微處理器，配合CR95HF射頻芯片的嵌入式RFID讀卡器設(shè)計。同時，設(shè)計了一款與讀卡器匹配，存儲容量可達(dá)24 KB的無源RFID標(biāo)簽。經(jīng)實際測試，設(shè)計的標(biāo)簽?zāi)芘c讀卡器進(jìn)行準(zhǔn)確的無線讀寫，并能通過I2C總線接口連接到微處理器實現(xiàn)有線通信，具有功耗低、便攜等特點。本設(shè)計應(yīng)用范圍廣，尤其適用于數(shù)據(jù)量大、傳輸速度相對較高的移動應(yīng)用的場合。