嵌入式系统的RFID读卡器和无源标签设计

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，因而可以计算出所需的天线电感，从而得到天线参数，进行匹配设计。
2．1．3 数据通信部分的设计
本文设计的RFID读卡器通过使用STM32F103VET6芯片内部集成的标准USB接口与PC上位机实现有线通信。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能，从而可以方便地实现读卡器设备的移动。同时，USB2．0高速总线传输速率可达480 Mbps，可以快速地将读卡器与PC上位机进行数据交换。由于本文所设计标签具有容量较大等特点，因而读卡器需要能够快速地将读取到标签内的大容量数据传输给上位机，而USB总线传输速率极高的优点使得本读卡器可以满足实时需求。
2．2 基于M24LR64的大容量无源RFID标签设计
2．2．1 大容量RFID标签电路设计
M24LR64是意法半导体公司推出的一款新型无线存储器芯片，其内部具有口令保护的64 Kb EEPROM，支持工作频率为13．56 MHz，符合ISO／IEC 15693协议标准的无线通信接口数据，传输频率为400kHz，符合I2C串行总线标准的有线通信接口。其工作电压为1．8～5．5 V，在I2C总线接口模式下，芯片工作电源由VCC引脚提供，存储器结构为8 192×8位；在无线射频接口模式下，以接收到的射频载波信号为工作电能，存储器结构为2 048×32位。M24LR64引脚配置图如图3所示。

由于该芯片价格比较昂贵，应根据不同的需求选择标签存储容量；根据项目需要，本文设计了采用3个M24LR64芯片的标签，即实现了24 KB的大存储容量标签。另外对三个芯片采用并联方式，从而实现三个芯片共用一条I2C总线和一根天线，减少标签的成本和功耗。
设计中，通过让3个M24LR64的E1、E0引脚依次赋值00、01、10来区分是第几个M24LR64存储器。SCL、SDA为引出的I2C总线接口。同理，当标签采用RFID读卡器对标签进行无线数据读写时，根据3个M24LR64引脚E1、E0的不同来区分和选择所需的M24LR64。其中，AC0和AC1是存储器天线的收发端，将其并联实现了共用一个天线。标签电路原理示意图如图4所示。
2．2．2 天线研究与设计
M24LR64在进行无线方式的信息读写时，采用频率为13．56 MHz的高频(HF)载波进行通信。通过电磁耦合，标签利用外部电感天线从嵌入式RFID读卡器的电磁场中获取所需电能。M24LR64等效电路和天线等效电路图如图5所示。其中，Ctun是M24LR64的内部调谐电容，其值为28．5 pF，并联电阻Rchip以模拟芯片的电流消耗；天线是一条导线，Rant表示等效电阻，Lant表示天线电感，Cant表示天线寄生电容。