基于STM32的LF RFID閱讀器研究

摘要：基于STM32的LF RFID識(shí)別系統(tǒng)，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。閱讀器硬件由控制模塊、功率模塊、天線、檢波電路和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路組成?？刂颇K以ST32為核心，利用STM32具有死區(qū)設(shè)置的互補(bǔ)PWM模塊對(duì)MOSFET對(duì)管進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的功率輸出，同時(shí)利用STM32對(duì)檢波后的信號(hào)進(jìn)行捕獲并解碼。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：RFID；閱讀器；功率放大；天線

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。
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。
2)閱讀器：可以是讀或?qū)懀x裝置，取決于所使用結(jié)構(gòu)和技術(shù)，主要起到讀標(biāo)簽的作用。
3)天線：天線應(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)，功放電路為天線負(fù)載提供放大后的125 kHz方波，從而使天線負(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)開關(guān)管和一個(gè)LC振蕩電路(天線)形成，經(jīng)過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。
天線本身是一個(gè)低電阻的器件將天線線圈連接到功放電路需要估算天線的等效電路和品質(zhì)因子以得出匹配電路的電容推薦值。

一般來(lái)說，由于天線的磁場(chǎng)輻射，對(duì)Q值的要求大概在20到40比較合適。現(xiàn)在根據(jù)天線的Q值來(lái)確定天線的感量，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天線的感量為375 μH。
天線的繞制：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表示線圈匝數(shù))，由上述公式可以得到天線的單圈感量為0．89μH。即由以上電感的值可以求得天線的需要的匝數(shù)，大概需要21圈。