嵌入式系统的RFID读卡器和无源标签设计

摘要：以STM32F103VET6微处理器为核心，配合CR95HF射频芯片构成符合ISO／IEC 15693标准的便携式读卡器。同时，采用无线存储芯片M24 LR64，开发了与读卡器配套的新型无源RFID标签。该RFID系统工作在13．56 MHz频率，其标签的存储容量达到24 KB，并通过I2C总线实现数据传输，适用于需要在标签中携带大量数据的应用场合。实验证明，开发的RFID系统能稳定地进行无线数据通信，具有工作稳定、适用性强的特点。
关键词：射频识别；嵌入式系统；ISO／IEC 15693；CR95HF；大容量标签；M24LR64

引言
射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是一种以射频信号为通信载体非接触的自动识别技术，能够实现无线信息交流。RFID技术采用射频信号传输数据，具有非接触和在恶劣环境下工作等优点。此外，相比于其他识别技术，RFID标签能够通过上位机操作读卡器进行读写，更加方便和高效。因此，目前该技术已被广泛应用于交通运输、身份验证、门禁安全等领域。根据供电方式，RFID标签可以分为有源、无源和半有源标签。
本文首先介绍了典型的嵌入式RFID系统，之后以意法半导体公司STM32F103VET6为核心与CR95HF射频芯片组成一个便携式读卡器。同时，针对现有RFID标签存在存储容量小、数据传输方式单一等问题，基于意法半导体提供的M24LR64芯片，研究设计了一款应用于嵌入式RFID系统的大容量无源RFID标签。该读卡器和标签无线工作频率为13．56 MHz，符合ISO／IEC 15693标准，并支持符合I2C总线标准的有线通信；标签存储容量可达24 KB，可以满足方便携带和大容量存储的要求。

1 嵌入式RFID系统介绍
典型的嵌入式RFID系统通常包括以下部分：上位机系统、读卡器、射频标签。读卡器由嵌入式微处理器和射频芯片组成。上位机工作的流程大致分为读写两个部分：读取标签和向标签中写信息。读取标签信息时，上位机发出指令信号存入微处理器，软件控制射频芯片发送读数据命令给标签，标签根据接收到的读数据命令将存储单元中指定的数据通过天线发送到读卡器，读卡器再将数据发送到上位机系统。向标签中写信息时，过程类似，上位机通过射频读卡器发送写指令，并将数据写到所设计标签的相应存储单元。典型的嵌入式RFID系统框图如图1所示。

2 基于嵌入式系统的读卡器和标签的设计
2．1 嵌入式RFID读卡器的设计
2．1．1 读卡器主控芯片及外围电路的设计
本设计主控芯片采用STM32F103VET6微处理器。该处理器基于ARM Cortex—M3内核，支持多种通信总线，工作频率为72 MHz，包括5个USART串行接口、2个I2C总线接口、3个SPI总线接口、CAN总线和USB总线。同时，该处理器还具有80个通用I／O口、A／D转换器、16位定时器、实时时钟等功能，具有功能强大、功耗低等优点，可以满足本系统读卡器的设计要求。
读卡器采用标准USB 5 V供电，通过稳压芯片KF33BDT提供3．3 V电压供微处理器使用。为了抗干扰，微处理器的每个电源引脚都并联了0．1μF的去耦电容。微处理器的外部时钟源选用两个，分别为高速外部时钟源和低速外部时钟源。高速外部时钟源的晶振频率为8 MHz，用于为系统提供精准的主时钟；低速时钟源的晶振频率为32．768 kHz，用于为时钟或日历等提供时钟源。负载电容的选择需要根据晶振的大小进行匹配，本读卡器中高速外部时钟源的负载电容为20pF，低速外部时钟源负载电容为10pF。sTM32F103 VET6微处理器通过串口与CR95HF射频芯片进行通信，采用标准JTAG接口实现程序的烧写与调试，并通过USB总线与上位机高速通信。
2．1．2 读卡器射频电路设计
本文设计的RFID读卡器使用意法公司的CR95HF射频芯片。CR95HF是具有SPI和UART串行接入的多协议非接触13．56 MHz射频芯片，支持ISO／IEC14443 A和B、ISO／IEC 15693以及ISO／IEC 18092等协议，能管理读卡器模式的帧编码和译码，可以广泛应用于RFID等近场通信。以CR95HF作为射频芯片，支持高频频段的无源RFID，可以与本文所设计的基于M24LR64的新型大容量标签进行无线通信。CR95HF电路原理图如图2所示。

本设计中的CR95HF使用串口方式与STM32F103VET6微处理器通信，CR95HF提供与串口标准兼容的通信接口(14和12引脚)，可与微处理器进行双向通信。CR95HF射频芯片供电电压为3.3V，可以使用STM32F103VET6所用电压。同时，电容C1、C2、C3用来去耦，减少干扰。RX1、TX1、RX2、TX2引脚用来连接匹配电路和天线。CR95HF工作在高频频段，在天线设计上，通过匹配电路电容和电阻值的选取，得到匹配电路的等效电容，由于会和天线电感组成频率为13．56 MHz LC振荡回路，因而