基于STM32的LF RFID閱讀器研究

摘要：基于STM32的LF RFID識別系統，可以對電子標簽卡進(jìn)行檢測、識別，并對識別的信息進(jìn)行相應的處理。閱讀器硬件由控制模塊、功率模塊、天線(xiàn)、檢波電路和信號轉換電路組成?？刂颇K以ST32為核心，利用STM32具有死區設置的互補PWM模塊對MOSFET對管進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現天線(xiàn)的功率輸出，同時(shí)利用STM32對檢波后的信號進(jìn)行捕獲并解碼。實(shí)際應用表明，該系統具有實(shí)現簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：RFID；閱讀器；功率放大；天線(xiàn)

射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是從八十年代起走向成熟的一項自動(dòng)識別技術(shù)。RFID利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達到識別目的并交換數據，主要通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達到識別目的。
RFID技術(shù)在近年取得了長(cháng)足的發(fā)展，目前已廣泛應用的頻段分布在LF、HF、UHF和徽波頻段，各頻段的RFID系統均有各自的優(yōu)點(diǎn)和相應的應用范圍。對于LF頻段的RFID系統而言，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)物體細胞和各種氣體分子對LF頻段的能量吸收很小。
可見(jiàn)LF RFID系統可以在需要良好穿透性，需要不間斷長(cháng)時(shí)間工作，以及存在較高危險性場(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，并對該系統進(jìn)了設計制作并測試。測試結果表明該系統具有實(shí)現簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。
根據RFID系統原理，LF系統一般由以下3部分構成：
1)電子標簽：應放置在要識別的物體上，在本設計研究主要采用工業(yè)生產(chǎn)中的標準125 kHz電子標簽EM4100。其內置小型的ROM和整流電路，能實(shí)現應答器和閱讀器的無(wú)接觸工作。
2)閱讀器：可以是讀或寫(xiě)／讀裝置，取決于所使用結構和技術(shù)，主要起到讀標簽的作用。
3)天線(xiàn)：天線(xiàn)應放置在應答器和閱讀器之間，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。

1 系統總體設計
本次設計以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動(dòng)信號，功放電路為天線(xiàn)負載提供放大后的125 kHz方波，從而使天線(xiàn)負載能為標簽提供足夠的能量，同時(shí)獲取標簽信息。檢波電路實(shí)現對標簽信息的檢波功能，檢波后通過(guò)方波信號轉換電路轉換傳送給STM32進(jìn)行解碼，同時(shí)將標簽信息通過(guò)STM32串口傳送到上位機進(jìn)行后續處理。整個(gè)系統框圖如圖1所示。

本系統與現有系統的區別在于：
1)不需要專(zhuān)用的解碼芯片進(jìn)行解碼直接利用STM32具有的捕獲功能對檢波轉換后的電子標簽信號進(jìn)行解碼。
2)利用了STM32能輸出一對帶死區互補方波的功能對一對開(kāi)關(guān)管進(jìn)行驅動(dòng)，省去了復雜的模擬電子電路生成同樣的驅動(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)現了功事放大。

2 硬件電路設計
2．1功率放大電路設計
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計如圖2所示。

其中S1、S2是由STM32輸出經(jīng)驅動(dòng)芯片IR2110后的兩路帶死區控制的PWM波，頻率為125 kHz。這樣就使天線(xiàn)L1與電容C1構成串聯(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Q值的要求大概在20到40比較合適?，F在根據天線(xiàn)的Q值來(lái)確定天線(xiàn)的感量，現在的一些工業(yè)標準主要采用繞制50 Ω，Q值取30，工作頻率是125 kHz則fR取125 kHz，由以上3，個(gè)數據可以得到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工作頻率下測量電感。本設計中，繞制10圈檢測后得到感量為89．03 μH。電感的計算公式：
L=N2×L1(3)(L1表示單圈電感感量，N表示線(xiàn)圈匝數)，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，大概需要21圈。