EMZ3118ZigBee在RFID射頻識別閱讀器中的應用

摘要：針對目前應用廣泛的有線(xiàn)傳輸射頻識別閱讀器，提出了一種以EMZ3118 ZigBee為無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，在傳統的RFID射頻識別閱讀器上進(jìn)行無(wú)線(xiàn)功能拓展的無(wú)線(xiàn)傳輸射頻識別系統。無(wú)線(xiàn)傳輸射頻識別系統主要包括與上位機進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信的功能模塊和RFID射頻識別閱讀器模塊，重點(diǎn)對EMZ3118 ZigBee模塊的工作原理、使用配置、RFID射頻讀寫(xiě)電路的設計及工作原理進(jìn)行了詳細介紹。測試結果顯示，該設計具有一定實(shí)際應用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：EMZ3118 ZigBee;無(wú)線(xiàn)傳輸;射頻識別

引言

射頻識別(RFID)技術(shù)是一種自動(dòng)識別技術(shù)，被廣泛應用于動(dòng)物識別、鐵路車(chē)皮識別、自動(dòng)高速公路收費、航空行李處理、資產(chǎn)跟蹤、公共交通等。該系統主要包括電子標簽和閱讀器兩部分，兩者之間通過(guò)電磁波進(jìn)行通信。通過(guò)這種方式閱讀器可以遠距離、非接觸地讀出電子編碼中的所有信息，并通過(guò)串口將數據傳輸到管理主機中，供工作人員記錄讀取。

實(shí)際應用中，閱讀器和主機之間是通過(guò)串口或網(wǎng)口進(jìn)行通信的，這種通信方式會(huì )造成射頻識別系統布線(xiàn)繁瑣、成本高、工程量大。一旦系統安裝完成后，就不能隨意變動(dòng)位置，降低了系統的重復利用率。

為了使射頻識別系統能夠突破位置限制、節省空間、降低成本及減小工程量，對傳統的閱讀器進(jìn)行了重新設計，實(shí)現了閱讀器和主機之間無(wú)線(xiàn)方式的信息交互傳輸。

1 整體設計方案

無(wú)線(xiàn)傳輸射頻識別閱讀器的系統結構如圖1所示，主要包括ZigBee模塊、主控模塊、RFID射頻讀寫(xiě)模塊、天線(xiàn)模塊、USB轉串通信模塊和電源模塊。

使用了一對ZigBee模塊，一個(gè)設計在閱讀器內，另一個(gè)獨立設計成帶USB接口的信息收發(fā)器，安裝在上位機上。主控模塊是以STM32F107VCT6 為核心的微控制系統模塊，RFID射頻讀寫(xiě)模塊負責數據的傳輸和信號的處理工作，以及對電子標簽進(jìn)行讀寫(xiě)操作。核心芯片是EM4094(USB轉串通信模塊)，主要作為備用上位機讀寫(xiě)通道設計，當無(wú)線(xiàn)通信距離超出有效范圍或者無(wú)線(xiàn)通信發(fā)生故障時(shí)，可以使用串口通信連接上位機及閱讀器。天線(xiàn)模塊采用傳統設計，這里不做重點(diǎn)介紹。

此外，還設計了音頻報警和信號指示，分別用來(lái)提醒操作人員讀卡是否成功指示閱讀器通信或電源的狀態(tài)。

2 硬件電路設計

2.1 ZigBee模塊

EMZ3118模塊是基于STM32W108的一款完整的嵌入式ZigBee應用模塊，帶外部射頻功率放大器(PA)，發(fā)射功率最大為+20 dBm(100 mW)。模塊提供了ZigBee/IEEES02.15.4兼容的無(wú)線(xiàn)解決方案，可滿(mǎn)足低成本、遠距離的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)應用需求。

EMZ3118采用先進(jìn)的系統級芯片STM32W108，擁有穩定可靠的Ember ZigBee Pro協(xié)議棧、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單便捷、便于集成ZigBee解決方案、通信范圍廣、網(wǎng)絡(luò )可靠性高。最大傳輸距離為1.6 km，具有24個(gè)GPIO端口、4個(gè)中斷端口、支持兩個(gè)串行接口、6路12位A/D端口。支持點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)、P2Pmesh的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，還提供16個(gè)直序擴頻信道。EMZ3118引腳基本上都對應到STM32W108的引腳上。

設計中使能EMZ3118的外部射頻功率放大器(PA)，必須進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的配置。該模塊使用4個(gè)CPU引腳來(lái)控制外部功放，根據他們的功能定義做出相應的配置，如下所示。

PA3：輸出控制引腳，用于控制外部功放的供電。設置為0，外部功放電源打開(kāi);設置為1，外部功放電源關(guān)閉。

PA6：輸出控制引腳，外部功放的使能控制。設置為0，外部功放不工作;設置為1，外部功放工作。

PA7：輸出控制引腳，用于選擇射頻信號的輸出天線(xiàn)。設置為0，射頻信號從UFL天線(xiàn)接口輸出;設置為1，射頻信號從MMCX天線(xiàn)接口輸出。

PC5：外部功放收發(fā)切換控制引腳，這個(gè)引腳需要設置為特殊功能輸出模式。

本設計中EMZ3118直接使用外置天線(xiàn)，無(wú)需設計。

2. 2 主控芯片

STM32F107VCT6是意法半導體推出的全新STM32互連型(Connectivity)系列微控制器中一款性能較強的產(chǎn)品。該芯片基于A(yíng)RM Cortex—M3內核，具有256 KBFlash和64 KB SRAM，工作頻率可達72 MHz。其集成了多種高性能工業(yè)標準接口：一個(gè)全速USB(OTG)接口、兩個(gè)CAN2.0B控制器、一個(gè)硬件支持IEEE1588精確時(shí)間協(xié)議 (PTP)的以太網(wǎng)接口(由硬件實(shí)現該協(xié)議可降低CPU開(kāi)銷(xiāo)，提高實(shí)時(shí)應用和聯(lián)網(wǎng)設備同步通信的響應速度)。此外，該微控制器還支持以太網(wǎng)、USB OTG和CAN2.0B外設接口同時(shí)工作，因此只需一塊芯片就能設計整合所有這些外設接口的網(wǎng)關(guān)設備。

設計中使用100引腳的STM32F107VCT6，EMZ3118與主控芯片的電路連接原理如圖2所示。

圖2中，EMZ3118和主控芯片之間進(jìn)行SPI通信，EMZ3118為主控芯片的從設備。PA6為主控芯片在主動(dòng)模式下的數據輸入端(SDO);PA7 為主控芯片在主動(dòng)模式下的數據輸出端(SDI);PA5為串口時(shí)鐘(SCK);PA4為從設備選擇端(NSS)，用來(lái)使能ZigBee模塊;PA3用來(lái)控制EMZ3118的外部Rx/Tx切換邏輯控制端。

2.3 RFID射頻讀寫(xiě)模塊

RFID射頻讀寫(xiě)模塊中的核心器件是EM4094芯片，是一款集成收發(fā)器芯片，可用于構成RFID閱讀器的模擬前端讀寫(xiě)基站模塊。EM4094支持所有EM公司頻率為13.56 MHz的收發(fā)器芯片，支持ISO15693協(xié)議、ISO14443協(xié)議和Sony Felicia協(xié)議。

EM4094三個(gè)不同的電源引腳分別是VDDA1、VDDA2和VDD。其中，VDDA1和VDDA2為內部天線(xiàn)驅動(dòng)器ANT1、ANT2供電，每個(gè)驅動(dòng)器需要獨立供電。由于兩個(gè)驅動(dòng)器可能產(chǎn)生較大的電流，為了給天線(xiàn)提供足夠電能，需要在VDDA1及VDDA2引腳間接入一個(gè)3.3 μF電容，再分別并聯(lián)一個(gè)1 nF和100 nF的電容，對電源進(jìn)行濾波和去耦。VDD用于給其他的內部邏輯電路供電。在這個(gè)電源線(xiàn)上同樣并聯(lián)一個(gè)1 nF和100nF的電容對電源進(jìn)行濾波和去耦。這3個(gè)電源施加相同的電壓(5 V或3.3 V)，所有電源線(xiàn)都應當與模擬地相連。

在OSCOUT和OSCIN兩端外接13.56 MHz的晶振，用來(lái)提供脈沖信號，該信號被送至天線(xiàn)驅動(dòng)器輸出端。為了保證晶振的起振以及穩定性，在晶振兩端跨接兩個(gè)NPO電容。NPO電容的大小由EM4094芯片的可選跨導和晶振參數決定。

為了確保閱讀器內部芯片的穩定性及可靠性，分別用100 nF和1 nF的電容對帶隙參考輸出(AGD)電壓進(jìn)行去耦。

引腳ANT1和ANT2是兩個(gè)天線(xiàn)驅動(dòng)器的輸出端，它們可同相或反相驅動(dòng)，如果將閱讀器天線(xiàn)與EM4094芯片集成到同一塊PCB板上，便可選用直接天線(xiàn)連接的方法。這種情況下，天線(xiàn)線(xiàn)圈和串聯(lián)的電容形成LC振蕩回路，回路的諧振頻率設計為閱讀器的頻率。串聯(lián)一個(gè)電阻可以抑制品質(zhì)因數，且將天線(xiàn)電流設計在 EM4094額定電流值以下。當工作于其諧振頻率時(shí)，天線(xiàn)即可獲得較高的輸出功率。

引腳RFIN1、RFIN2是該芯片接收鏈上的輸入引腳，用來(lái)解調芯片收發(fā)器發(fā)送過(guò)來(lái)的數據。該引腳上的電壓應設計在VDD和GND之間，這兩個(gè)輸入設計必須具有相同性能及相同靈敏度。另外，外接一個(gè)阻抗匹配電路，這兩個(gè)輸入端就可用于解調輸入相位或幅度來(lái)調制信號。沒(méi)有使用的輸入引腳要通過(guò)一個(gè)10 nF電容接到模擬地，高靈敏度的輸入引腳使得讀卡器即使在電子標簽最小的電源級別上，還能具有較遠的讀寫(xiě)距離。

引腳EN用于關(guān)閉或使能閱讀器電子電路，該引腳可由一個(gè)外部單片機進(jìn)行控制。

在SPI串行通信模式下，引腳DIN用于數據輸入，引腳DOUT用于數據輸出，引腳DCLK用于SPI總線(xiàn)的時(shí)鐘信號。SPI接口可用來(lái)對讀寫(xiě)器芯片內部的位寄存器進(jìn)行設置，并參與不同模塊參數的設定。在正常模式下，可通過(guò)在DIN引腳上施加邏輯電平來(lái)關(guān)閉或打開(kāi)天線(xiàn)驅動(dòng)器。在DOUT引腳上可直接讀取引腳DIN上的應答信息。

RFID射頻讀寫(xiě)模塊電路工作原理圖如圖3所示。

2.4 天線(xiàn)模塊

天線(xiàn)負責發(fā)送閱讀器對電子標簽的讀寫(xiě)指令，同時(shí)接收標簽返回的數據。在射頻識別系統中，天線(xiàn)線(xiàn)圈可看作兩個(gè)相互耦合的電感。兩個(gè)電感諧振頻率必須設計在閱讀器工作頻率(即13.56 MHz)附近，才能使得電感的耦合程度最高，因此必須先知道天線(xiàn)線(xiàn)圈的電感值，再搭配適當的電容值，根據不同的應用計算出天線(xiàn)的品質(zhì)因數和電感的電阻值。

本設計中，參考demo板的參數設計，在PCB板上印刷天線(xiàn)線(xiàn)圈、矩形形狀。圈數為4圈，線(xiàn)圈外圈長(cháng)6.8cm、寬5.5 cm、線(xiàn)寬1 mm、線(xiàn)間距0.2 mm、并聯(lián)一個(gè)3.3kΩ的電阻，容性的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )(8.2 pF+120 pF并聯(lián))電容值串聯(lián)56 pF+680 pF并聯(lián)后的電容值。

USB轉串口通信模塊采用常用電路，電源模塊相關(guān)電路除了給芯片EM4094兩個(gè)獨立供電電源使用了磁珠隔離，其他的也采用了常用電路。

3 軟件設計

3.1 上位機軟件設計

上位機軟件主要實(shí)現對遠端閱讀器的讀寫(xiě)操作。上位機軟件通過(guò)RS485口向EMZ3118發(fā)送帶有閱讀器地址的讀寫(xiě)指令，EMZ3118將指令無(wú)線(xiàn)傳輸給遠端EMZ3118接收并解析。符合接收閱讀器地址的指令會(huì )發(fā)送給主控芯片，主控芯片進(jìn)一步解析指令后對閱讀器進(jìn)行相關(guān)讀寫(xiě)操作，并監測閱讀器對指令執行的結果是否正確，同時(shí)將相關(guān)的結果數據原路徑傳輸給上位機，閱讀器的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在工作狀態(tài)燈上。本設計中的上位機采用C#開(kāi)發(fā)。

3.2 下位機軟件設計

下位機軟件包括ZigBee模塊本身的收發(fā)配置、閱讀器驅動(dòng)及工作程序設計、主控芯片的初始化及網(wǎng)絡(luò )通信程序設計，以及系統控制、串行 Flash存儲、硬件外圍模塊驅動(dòng)、EMZ3118為ZigBee模塊的Host驅動(dòng)、其他接口驅動(dòng)等。本文重點(diǎn)介紹EMZ3118的Host驅動(dòng)，軟件架構如圖4所示。

EMZ3118為ZigBee模塊的Host驅動(dòng)，完成STM32F107與EMZ3118模塊的SPI通信并提供通用SPI讀寫(xiě)能力。代碼框架如下所示：

Assemble Command and put it into cmdbuf.

While(get_EMZ3118_int_status());

Spi_send_data(cmdbuf，cmdlen);

Recvlen=spi_rec_data(resbuf);

Handle response buffer.

其中，函數get_EMZ3118_int_status()用于獲取模塊/INT狀態(tài)。

結語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，本系統能夠通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )遠程對RFID射頻識別閱讀器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，同時(shí)控制RFID射頻識別閱讀器對電子標簽進(jìn)行讀寫(xiě)操作。系統工作穩定可靠、傳輸數據正確、反應時(shí)間短，具有較高實(shí)際應用價(jià)值。