基于STM32單片機(jī)的UHF RFID讀寫器設(shè)計(jì)

摘 要：使用STM32單片機(jī)作為主控芯片，根據(jù)RFID的通信原理，對(duì)UHF RFID現(xiàn)有系統(tǒng)方案進(jìn)行對(duì)比篩選，推出一種契合實(shí)際的低成本、高性能、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；讀寫器；RFID

射頻識(shí)別技術(shù)RFID（Radio Frequency Identification），是20世紀(jì)90年代開始興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用射頻信號(hào)通過空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的一項(xiàng)新技術(shù)[1]。

1 RFID的通信方式

RFID讀寫器通信分為兩個(gè)階段：

第一，讀寫器將基帶信號(hào)調(diào)制到載波上，發(fā)送給標(biāo)簽；標(biāo)簽從載波中獲取能量，并解調(diào)出讀寫器發(fā)出的基帶信號(hào)，得到讀寫器發(fā)出的命令。

第二，閱讀器連續(xù)發(fā)射無(wú)調(diào)制的載波用以提供標(biāo)簽持續(xù)工作所需要的能量，以及標(biāo)簽發(fā)射調(diào)制需要的載波；標(biāo)簽根據(jù)接收到的讀寫器指令內(nèi)容，將標(biāo)簽的返回信息調(diào)制到來(lái)自讀寫器發(fā)射過來(lái)的連續(xù)載波上（backscatter modulation）。讀寫器接收到標(biāo)簽返回的信號(hào)，解調(diào)出所需要的基帶信號(hào)。

由上可知，RFID系統(tǒng)得通信與其他通信系統(tǒng)最大的不同是：當(dāng)讀寫器在接收標(biāo)簽返回的微弱信號(hào)時(shí)，讀寫器的發(fā)射電路同時(shí)也在發(fā)射一個(gè)大功率的無(wú)調(diào)制的載波，以供給給標(biāo)簽?zāi)芰亢桶l(fā)射調(diào)制用的載波。因此，在RFID讀寫器的天線上始終存在著一個(gè)強(qiáng)的載波信號(hào)和一個(gè)弱標(biāo)簽返回信號(hào)，兩者完全同頻。

2 方案設(shè)計(jì)

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(nèi)核，內(nèi)部集成8個(gè)16位定時(shí)器，32位的數(shù)據(jù)總線寬度，256KB程序存儲(chǔ)器，48KB數(shù)據(jù)RAM，含有CAN/I2C/SPI/USART等接口，12位AD/DA轉(zhuǎn)換器，獨(dú)立看門狗和窗口看門狗，最大時(shí)鐘頻率72MHz，支持JTAG下載調(diào)試，I/O口功能可以軟件設(shè)置。

2.2 UHF RFID系統(tǒng)方案

方案一：采用專用芯片設(shè)計(jì)。目前應(yīng)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(yōu)點(diǎn)：集成度高（RF front-end+Baseband），外圍電路簡(jiǎn)單，易于調(diào)試和開發(fā)周期短。缺點(diǎn)：有些資料的保密度高，價(jià)格也比較高，開發(fā)產(chǎn)品的核心芯片受制于人，若芯片停產(chǎn)或者購(gòu)買不到芯片，相關(guān)的開發(fā)將付諸東流，開發(fā)的產(chǎn)品將受到停產(chǎn)的威脅。

方案二：采用通用集成的無(wú)線收發(fā)芯片的設(shè)計(jì)。目前應(yīng)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(yīng)用廣泛，成本低，會(huì)給工程師開發(fā)帶來(lái)很大的空間。但由于這些芯片還不是針對(duì)RFID通信應(yīng)用開發(fā)使用，因此如果要實(shí)現(xiàn)兼容EPC C1 G2標(biāo)準(zhǔn)的讀寫器，需要小心的選取和設(shè)計(jì)。

方案三：采用分立元器件設(shè)計(jì)。即采用Modulator，Demodulator，PA，Balun，AD，DA，PLL等模塊實(shí)現(xiàn)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：完全的自主產(chǎn)權(quán)。缺點(diǎn)：成本偏高，體積不易做小，開發(fā)周期比較長(zhǎng)。

方案分析：根據(jù)以上三種讀寫器實(shí)現(xiàn)方案綜述，從成本、開發(fā)周期、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)等綜合來(lái)說，選擇方案二作為射頻設(shè)計(jì)方案，下圖1是設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)框圖：

3 其他電路設(shè)計(jì)

讀寫器設(shè)計(jì)方案還包括：射頻前端，數(shù)字控制以及上位機(jī)。

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(cè)每個(gè)通道的信號(hào)大小，從而決定哪個(gè)通道作為解調(diào)使用，接收通路上采用多點(diǎn)直接檢波的方法，沒有采用和發(fā)射通道同樣的無(wú)線收發(fā)模塊，主要原因在于RFID系統(tǒng)存在著大發(fā)射功率泄露，因此對(duì)接收端的線性度提出了很高的要求，一般的無(wú)線收發(fā)模塊接收通道難以滿足這種對(duì)于高線性度的應(yīng)用要求，如果采用無(wú)線收發(fā)模塊會(huì)限制其讀寫距離。

數(shù)字控制部分，主要完成以下幾個(gè)功能：第一，EPC C1 G2協(xié)議的處理；第二，協(xié)調(diào)RF芯片的工作；第三，負(fù)責(zé)和上位機(jī)的通信。因此在設(shè)計(jì)數(shù)字控制的時(shí)候，必須仔細(xì)的考慮系統(tǒng)工作流程。

上位機(jī)部分主要提供用戶使用的界面。

4 結(jié)論

本文提出的UHF RFID讀寫器硬件設(shè)計(jì)方案，成本低、易實(shí)現(xiàn)，適合市場(chǎng)需求。我們采用此方案成功的完成了UHF RFID讀寫器的研發(fā)，取得了滿意的效果。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Klaus Finkenzeller，著.吳曉峰，陳大才，譯.射頻識(shí)別技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2006.