STM32的RFID手持终端硬件设计

本文中的CLRC632使用SPI方式与主控芯片STM32F103VET6进行通信。CLRC632提供了与SPI总线标准兼容的接口，在SPI通信过程中作为从设备。SPI总线时钟信号SCK由微控制器产生，主控芯片使用MOSI数据线向CLRC632发送控制信息，CLRC632使用MISO数据线向主控芯片发送数据。
对于CLRC632，可以使用两种方法将天线连接到读卡器：直接匹配天线和50 Ω匹配天线。本文中采用直接匹配的方式将CLRC632与天线连接，包括了EMC低通滤波器、天线匹配电路与接收电路。CLRC632的工作频率是13．56 MHz，产生该频率的晶振同时也产生高次谐波。为了符合国际EMC规定，采用EMC低通滤波器抑制高次谐波。天线匹配电路与天线进行阻抗匹配，以获得最大的功率传输，增大读卡距离，同时避免阻抗失配可能对电路造成的损害。本文中的RFID手持终端采用PCB环形天线，其电感量由如下公式进行估算：

式中长度单位为cm，电感值单位为nH。l1为一圈导线的长度，取值20 cm；D1为导线的直径，取值0．1 cm；K为天线形状常数，本文中的天线是矩形天线，取值K=1．47；N为导线的圈数，取值4。代入公式，计算得L1=1857 nH。代入芯片厂家提供的表格进行计算，得到与天线并联的电容容值为132．3 pF，与天线串联的电容容值为17．5pF。在实际电路设计中，与天线并联的电容采用100 pF与22 pF电容并联得到，与天线串联的电容采用18 pF。接收电路使用了CLRC632内部产牛的VMID引脚作为输入电压。在VMID和地线之间连接了一个0．1μF电容，起到了减少干扰的作用。天线及其匹配电路原理图如图3所示(L1、L2是天线的等效电感)。

2．3 人机接口部分的设计
在RFID手持终端的使用过程中，需要向射频标签发送数据以及实现牧据存储、与上位机的数据通信等功能，这就要求输入数据和控制信息，并且将数据和控制信息直观地显示出来。RFID手持终端采用了TFTLCD进行显示输出，支持触摸屏和键盘两种方式的输入，其中触摸屏主要用于输入控制信息，键盘主要用于输入数据。
TFTLCD部分采用了26万色的TFTLCD屏幕，分辨率为320×240，可以实现友好的人机接口界面显示。TFTLCD控制器采用了Ilitek公司生产的IL19320，可以通过多种并行通信方式与微控制器通信。为了加快传输速率以显示彩色界面，这里采用了16位的并行总线与STM32F103VET6相连接。为了降低系统功耗，通过BL_VDD引脚控制屏幕背光，如果一段时间内没有对触摸屏或键盘进行操作，屏幕背光将熄灭。
TFTLCD屏幕自带电阻式触摸屏，利用压力感应进行控制。电阻式触摸屏成本低、精度高、不怕灰尘、水汽和油污，在恶劣的移动使用环境下不易损坏，吏适用于本RFID手持终端。采用了TI公司生产的ADS7846作为触摸屏控制芯片。ADS7846内部集成了12位逐次逼近型A／D转换器，转换速率为125 kHz。使用时，ADS7846通过两次A／D转换得到触点位置的X、Y坐标，通过SPI总线与STM32F103VET6通信，完成对控制信息的输入。ADS7846电路原理图如图4所示。

由于手持终端的便携性需求，TFTLCD屏幕不可能太大。这样，若通过TFTLCD屏幕显示的虚拟键盘输入数据，每个按键的空间很小，会给输入带来困难。因此，在STM32F103VET6的通用I／O口上连接了矩阵键盘，通过键盘扫描完成数据的输入。使用了STM32F103VET6的PD0～PD15共16个通用I／O口连接键盘，最多可连接64个按键，有效减少了处理器I／O资源的占用。使用时，可以根据实际需要，连接相应数量的按键。
2．4 数据存储部分的设计
STM432F103VET6内部的存储资源包括64 KB的SRAM和512 KB的Flash。为了完成对RFID手持终端工作状态、用于显示的资源以及大量射频标签数据的存储，需要对数据存储部分加以扩展。手持终端采用了Atmel公司生产的EEPROM芯片AT24C64存储手持终端工作状态。该芯片可以存储64 Kb的数据，相当于8192字节。该芯片通过I2C总线与STM32F103VET6进行通信，包括数据线SDA和时钟线SCL。由于I2C总线接口采用开漏输出，必须通过外部上拉电阻将信号线拉至高电平。综合考虑端口驱动能力和信号传输速率，选用4．7 kΩ的上拉电阻。使用时，AT24C64中存储了手持终端的ID信息，在与上位机通信时进行安全认证。AT24C64中也存储了触摸屏的校准数据，实现触摸屏和TFTLCD之间的坐标转换。SD卡体积小、容量大、传输速率快，广泛应用于移动设备。本手持终端采用了SD卡存储汉字字库、界面图片和射频卡中读取的数据。SD卡通过SPI总线与STM32F103VET6进行通信，经实验证明每秒可以传输2 MB以上的数据，可以满足手持终端对数据传输速率的要求。另外，由于SD卡可以很方便地从手持终端巾取出，也可以使用上位机的通用读卡器对SD卡进行读写，实现手持终端和上位机的数据交换。
2．5 数据通信部分的设计
RFID手持终端使用STM32F103VET6芯片内部集成的USB总线与上位机完成有线通信。USB总线支持即插即用和热插拔，使用方便。同时，USB 2．0全速总线支持480 Mbps的传输速率，可以快速将手持终端中的信息传输到上位机。为了满足手持终端的移动使用需求，采用了Sim com公司牛产的GPRS模块SIM300，它的工作频率为GSM／GPRS 900／1800 MHz，可以在低功耗的条件下，完成手持终端数据的无线传输。在使用时，通过STM32F103VET6的USART串口与SIM300模块连接，通过AT指令实现网络连接、数据发送等功能。

3 系统测试
设计了RFID手持终端的PCB板，其主板大小约为1 6 cm×9 cm，可以满足手持终端的便携需求。使用STM32F103VET6自带的ISP下载工具通过USART串口将程序下载后，使用本RFID手持终端对符合ISO／IEC14443和ISO／IEC 15693标准的射频标签进行读写，操作距离均不小于8 cm，读卡及显示速度均满足使用需求。
将读卡得到的数据存储到SD卡中，通过USB总线或GPRS模块发送到上位机，上位机可以接收到卡号、扇区、数据等信息以便进行进一步的数据处理。

结语
本文详细介绍了基于STM32F103VET6的13．56MHz RFID手持终端的硬件没计方法。该读卡器具有处理速度快、功耗低、人机交互友好、与上位机通信方便等特点，适用于多种需要移动应用的场合，尤其适用于物流行业，具有广阔的应用前景。