基于STM32的LF RFID識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification,RFID）是從八十年代起走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)，主要通過(guò)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(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的。

　　RFID技術(shù)在近年取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用的頻段分布在LF、HF、UHF和徽波頻段，各頻段的RFID系統(tǒng)均有各自的優(yōu)點(diǎn)和相應(yīng)的應(yīng)用范圍。對(duì)于LF頻段的RFID系統(tǒng)而言，最明顯的優(yōu)點(diǎn)在于擁有很好的穿透性能，如可穿透液體物質(zhì)，建筑物，人體等，且各種動(dòng)物體細(xì)胞和各種氣體分子對(duì)LF頻段的能量吸收很小。

　　可見(jiàn)LF RFID系統(tǒng)可以在需要良好穿透性，需要不間斷長(zhǎng)時(shí)間工作，以及存在較高危險(xiǎn)性場(chǎng)合（如含爆炸性氣體礦井）下良好工作。本文正是由于它的這些重要優(yōu)點(diǎn)提出了一種基于STM32的LF RFID系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)了設(shè)計(jì)制作并測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。

　　根據(jù)RFID系統(tǒng)原理，LF系統(tǒng)一般由以下3部分構(gòu)成：

　　1）電子標(biāo)簽：應(yīng)放置在要識(shí)別的物體上，在本設(shè)計(jì)研究主要采用工業(yè)生產(chǎn)中的標(biāo)準(zhǔn)125 kHz電子標(biāo)簽EM4100.其內(nèi)置小型的ROM和整流電路，能實(shí)現(xiàn)應(yīng)答器和閱讀器的無(wú)接觸工作。

　　3）天線(xiàn)：天線(xiàn)應(yīng)放置在應(yīng)答器和閱讀器之間，它主要起到橋梁的溝通作用，不管是能量提供還是信息傳送都要通過(guò)耦合元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　本次設(shè)計(jì)以STM32作為控制模塊的核心，通過(guò)輸出125 kHz的方波源為后面的功放電路提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，功放電路為天線(xiàn)負(fù)載提供放大后的125 kHz方波，從而使天線(xiàn)負(fù)載能為標(biāo)簽提供足夠的能量，同時(shí)獲取標(biāo)簽信息。檢波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽信息的檢波功能，檢波后通過(guò)方波信號(hào)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換傳送給STM32進(jìn)行解碼，同時(shí)將標(biāo)簽信息通過(guò)STM32串口傳送到上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　本系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)的區(qū)別在于： 

　　1）不需要專(zhuān)用的解碼芯片進(jìn)行解碼直接利用STM32具有的捕獲功能對(duì)檢波轉(zhuǎn)換后的電子標(biāo)簽信號(hào)進(jìn)行解碼。 

　　2）利用了STM32能輸出一對(duì)帶死區(qū)互補(bǔ)方波的功能對(duì)一對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，省去了復(fù)雜的模擬電子電路生成同樣的驅(qū)動(dòng)波形。 

　　3）借鑒開(kāi)關(guān)電源中半橋逆變電路的原理，使IC電路形成串聯(lián)諧振，從而實(shí)現(xiàn)了功事放大。 

2 硬件電路設(shè)計(jì) 

　　2.1功率放大電路設(shè)計(jì) 

　　功率放大電路采用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管和一個(gè)LC振蕩電路（天線(xiàn)）形成，經(jīng)過(guò)分析功率放大電路設(shè)計(jì)如圖2所示。 

　　其中S1、S2是由STM32輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片IR2110后的兩路帶死區(qū)控制的PWM波，頻率為125 kHz.這樣就使天線(xiàn)L1與電容C1構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，諧振頻率為125 kHz,諧振電路的作用是使天線(xiàn)獲得最大的電流，從而產(chǎn)生磁通量，獲得更大的讀卡距離。 

　　天線(xiàn)本身是一個(gè)低電阻的器件將天線(xiàn)線(xiàn)圈連接到功放電路需要估算天線(xiàn)的等效電路和品質(zhì)因子以得出匹配電路的電容推薦值。 

　　一般來(lái)說(shuō)，由于天線(xiàn)的磁場(chǎng)輻射，對(duì)Q值的要求大概在20到40比較合適?，F(xiàn)在根據(jù)天線(xiàn)的Q值來(lái)確定天線(xiàn)的感量，現(xiàn)在的一些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要采用繞制50 Ω，Q值取30,工作頻率是125 kHz則fR取125 kHz,由以上3,個(gè)數(shù)據(jù)可以得到RFID天線(xiàn)的感量為375 μH. 

　　天線(xiàn)的繞制：首先大概的繞幾圈，然后使用阻抗分析儀，在125 kHz工作頻率下測(cè)量電感。本設(shè)計(jì)中，繞制10圈檢測(cè)后得到感量為89.03 μH.電感的計(jì)算公式： 

　　L=N2×L1（3）（L1表示單圈電感感量，N表示線(xiàn)圈匝數(shù)），由上述公式可以得到天線(xiàn)的單圈感量為0.89μH.即由以上電感的值可以求得天線(xiàn)的需要的匝數(shù)，大概需要21圈。 

　　天線(xiàn)的設(shè)計(jì)完成之后，需要選擇相應(yīng)的阻抗匹配電路。現(xiàn)在本設(shè)計(jì)主要選擇利用CBB電容來(lái)達(dá)到阻抗匹配的目的，電容的大小由系統(tǒng)的工作頻率來(lái)確定。阻抗匹配主要目的是使天線(xiàn)工作在最佳狀態(tài)，即天線(xiàn)和電容處于諧振狀態(tài)。 

　　由上面分析電容的大小計(jì)算公式： 

　　此公式可以確定電容的大小在4.7 μF,CBB電容的耐壓值還需要根據(jù)通過(guò)電容的振蕩波形的峰值來(lái)確定。 

　　2. 2 包絡(luò)檢波電路的設(shè)計(jì) 

　　包絡(luò)電路的設(shè)計(jì)很大程度決定了RFID閱讀器的讀取距離，它主要工作原理就是低通濾波器和二極臂串聯(lián)工作，把高頻125 kHz波濾除。電路設(shè)計(jì)主要采用串聯(lián)型二極管包絡(luò)檢波，其工作原理如圖3所示。 

　　電路由二極管D和RLC低通濾波器相串接構(gòu)成。輸入U(xiǎn)s時(shí)，通過(guò)D的電流i在RLC電路產(chǎn)生平均電壓UAV,該電壓又反作用于D上（稱(chēng)平均電壓負(fù)反饋效應(yīng)），影響通過(guò)二極管的電流。 

　　若Us=Vcm（1+MacosΩt）cosωct,則vov=ηdVcm+ηdMaVcmcosΩ=VAV+Vov,其中vov∝vΩ，所以實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)性檢波。 

3 軟件設(shè)計(jì) 

　　終端軟件要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何正確接收數(shù)據(jù)并解碼。本RFID系統(tǒng)選用的電子標(biāo)簽為曼切斯特解碼，電子標(biāo)簽信號(hào)經(jīng)曼切斯特編碼器后的輸出信號(hào)見(jiàn)圖4所示。 

　　利用STM32的捕獲功能對(duì)整形后的波形進(jìn)行捕獲計(jì)時(shí)，每延時(shí)384μs之后，STM32檢測(cè)是否為高電平。然后對(duì)前后電平進(jìn)行比較，若是01則表示數(shù)據(jù)0,若10表示數(shù)據(jù)1. 

　　電子標(biāo)簽中的64bit數(shù)據(jù)以NRZ串行送入比較器，所謂NRZ就是基帶傳輸，也就是在線(xiàn)路中直接傳送數(shù)字信號(hào)的電脈沖，這是一種最筒單的傳輸方式，近距離的通信的局域網(wǎng)都采用基帶傳輸。經(jīng)反向比較器后輸出曼切斯特碼波形，然后直接輸入STM32進(jìn)行曼切斯特解碼。其工作原理；在一個(gè)讀取數(shù)據(jù)的周期內(nèi)，若引腳為高電平，讀取的數(shù)據(jù)為1;若引腳為低電平，讀取的數(shù)據(jù)就為0.總的來(lái)說(shuō)整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程就是曼切斯特解碼過(guò)程。 

4 程序流程圖 

　　4.1 STM32總程序流程圖 

　　STM32總程序流程圖，如圖5所示。 

　　4.2 STM32解碼過(guò)程程序框圖 

　　通過(guò)對(duì)曼切斯特解碼原理的分析，單片機(jī)主要是處理包絡(luò)電路給出的方波信號(hào)，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。可以得到如下的系統(tǒng)框圖如圖6所示。 

5 測(cè)試結(jié)果 

　　電子標(biāo)簽的讀取距離為10 cm左右。圖7為STM32輸出125 kHz帶死區(qū)互補(bǔ)方波的實(shí)測(cè)圖，圖8為檢波、轉(zhuǎn)換后的波形。由圖7的波形可得STM32的輸出波形頻率為125 kHz,死區(qū)時(shí)間為0.9μs,符合設(shè)計(jì)要求。 

6 結(jié)束語(yǔ) 

　　目前存在的一些閱讀器，需要專(zhuān)用的讀卡芯片進(jìn)行解碼，電路復(fù)雜，文中主要介紹了一種采用STM32解碼、互補(bǔ)輸出、死區(qū)控制的LF RFID閱讀器。以STM32作為其控制核心，可以對(duì)電子標(biāo)簽卡進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別，并對(duì)識(shí)別的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用于讀取EM4100型ID卡具有一定的實(shí)用價(jià)值。