嵌入式系統的RFID讀卡器和無源標簽設計

摘要：以STM32F103VET6微處理器為核心，配合CR95HF射頻芯片構成符合ISO／IEC 15693標準的便攜式讀卡器。同時，采用無線存儲芯片M24 LR64，開發了與讀卡器配套的新型無源RFID標簽。該RFID系統工作在13．56 MHz頻率，其標簽的存儲容量達到24 KB，并通過I2C總線實現數據傳輸，適用于需要在標簽中攜帶大量數據的應用場合。實驗證明，開發的RFID系統能穩定地進行無線數據通信，具有工作穩定、適用性強的特點。
關鍵詞：射頻識別；嵌入式系統；ISO／IEC 15693；CR95HF；大容量標簽；M24LR64

引言
射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術是一種以射頻信號為通信載體非接觸的自動識別技術，能夠實現無線信息交流。RFID技術采用射頻信號傳輸數據，具有非接觸和在惡劣環境下工作等優點。此外，相比于其他識別技術，RFID標簽能夠通過上位機操作讀卡器進行讀寫，更加方便和高效。因此，目前該技術已被廣泛應用于交通運輸、身份驗證、門禁安全等領域。根據供電方式，RFID標簽可以分為有源、無源和半有源標簽。
本文首先介紹了典型的嵌入式RFID系統，之后以意法半導體公司STM32F103VET6為核心與CR95HF射頻芯片組成一個便攜式讀卡器。同時，針對現有RFID標簽存在存儲容量小、數據傳輸方式單一等問題，基于意法半導體提供的M24LR64芯片，研究設計了一款應用于嵌入式RFID系統的大容量無源RFID標簽。該讀卡器和標簽無線工作頻率為13．56 MHz，符合ISO／IEC 15693標準，并支持符合I2C總線標準的有線通信；標簽存儲容量可達24 KB，可以滿足方便攜帶和大容量存儲的要求。

1 嵌入式RFID系統介紹
典型的嵌入式RFID系統通常包括以下部分：上位機系統、讀卡器、射頻標簽。讀卡器由嵌入式微處理器和射頻芯片組成。上位機工作的流程大致分為讀寫兩個部分：讀取標簽和向標簽中寫信息。讀取標簽信息時，上位機發出指令信號存入微處理器，軟件控制射頻芯片發送讀數據命令給標簽，標簽根據接收到的讀數據命令將存儲單元中指定的數據通過天線發送到讀卡器，讀卡器再將數據發送到上位機系統。向標簽中寫信息時，過程類似，上位機通過射頻讀卡器發送寫指令，并將數據寫到所設計標簽的相應存儲單元。典型的嵌入式RFID系統框圖如圖1所示。

2 基于嵌入式系統的讀卡器和標簽的設計
2．1 嵌入式RFID讀卡器的設計
2．1．1 讀卡器主控芯片及外圍電路的設計
本設計主控芯片采用STM32F103VET6微處理器。該處理器基于ARM Cortex—M3內核，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轉換器、16位定時器、實時時鐘等功能，具有功能強大、功耗低等優點，可以滿足本系統讀卡器的設計要求。
讀卡器采用標準USB 5 V供電，通過穩壓芯片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，用于為系統提供精準的主時鐘；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。負載電容的選擇需要根據晶振的大小進行匹配，本讀卡器中高速外部時鐘源的負載電容為20pF，低速外部時鐘源負載電容為10pF。sTM32F103 VET6微處理器通過串口與CR95HF射頻芯片進行通信，采用標準JTAG接口實現程序的燒寫與調試，并通過USB總線與上位機高速通信。