基于CLRC632和STM32的RFID读卡器电路设计.pdf

基于CLRC632和STM32的RFID读卡器 电路设计Circuit Design of RFID Reader Based on CLRC632 and STM32 目 录第一章绪论.11.1 课题研究的背景和意义.11.2 RFID技术的发展和现状.11.3 RFID技术的研究方向.31.4 本文的主要工作和组织结构.4第二章RFID系统理论研究.62.1 RFID系统的基本结构.62.2 RFID系统的种类.72.2.1 根据工作频率分类.72.2.2 根据耦合方式分类.82.3 RFID系统的编码和调制.102.3.1 基带编码.112.3.2 从读卡器到标签的数字调制.122.3.3 从标签到读卡器的副载波调制.132.4 RFID系统的数据完整性.132.4.1 检错与纠错算法.132.4.2 防冲突算法.142.5 ISO/IEC 15693 标准.162.5.1 物理特性.172.5.2 空中接口及初始化.172.5.3 防冲突和传输协议.202.6 ISO/IEC 14443 标准.212.6.1 物理特性.212.6.2 射频功率和信号接口.212.6.3 初始化和防冲突.222.6.4 传输协议.23第三章RFID读卡器射频读卡模块设计.243.1 射频读卡芯片电路设计.243.2 天线及其匹配电路设计.273.2.1 EMC低通滤波器.273.2.2 天线匹配电路.283.2.3 接收电路.293.2.4 天线线圈.293.3 80C51微控制器电路设计.303.4 系统电源电路设计.31第四章RFID读卡器主控部分设计.334.1 微控制器电路设计.344.1.1 ARM Cortex-M3 内核.344.1.2 STM32微控制器电路设计.354.2 TFT-LCD触摸屏电路设计.394.2.1 TFT-LCD 显示原理.394.2.2 ILI9320 TFT-LCD显示控制器电路设计.404.2.3 电阻式触摸屏电路设计.424.3 数据存储部分电路设计.444.3.1 EEPROM 电路设计.444.3.2 FLASH 电路设计.474.3.3 SD卡电路设计.494.4 数据通信部分电路设计.50第五章RFID读卡器PCB设计及系统测试.535.1 RFID读卡器PCB设计.535.2 RFID读卡器系统测试.545.3 测试结果分析.59第六章总结与展望.60参考文献.62发表论文和参加科研情况说明.65致 谢.66第一章绪论第一章绪论1.1 课题研究的背景和意义射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是一种用于无线数据 传输的技术。与传统的条形码识别技术相比，RFID技术采用射频信号传输数据,其传输距离较长，无需标签和读卡器接触，不受视线的限制川。除此之外，RFID 技术还具有数据存储容量大、数据安全性高、可在恶劣环境下工作等特点。由 于RFID技术所具有的这些优点，目前，RFID技术被广泛应用于仓储、物流、身份证、交通运输、工业生产、门禁安全、金融支付等方面。随着RFID技术的 更加成熟，使用RFID技术的产品的价格将不断降低，RFID技术的应用也将更 加广泛。典型的RFID系统由读卡器、标签和数据输出平台等部分组成，本文主 要研究的是RFID系统中的读卡器部分。本文所研究的RFID读卡器可以读写相对应的电子航空铅封。传统的航空铅 封主要用塑料制作，用于航空食品和行李等物品的防伪和防盗。但是，传统的航 空铅封结构简单，易被仿制，在性能上存在缺陷，无法实现有效的监管，不能适 应目前高标准的防伪需求。电子铅封内部封装了 RFID标签，包括了射频电路、存储器和天线等部分。应用中，电子标签不仅可使容器保持在被封存状态，还可 将容器中的物品记录在标签中，并通过数据管理系统，在航空物流的全程实现货 物状态跟踪，解决了传统塑料铅封管理难的问题。同时，电子铅封若被非正常手 段强行破坏，在外观上将有明显的痕迹，且通过读卡器进行读写可以发现电子铅 封被破坏过，解决了传统塑料铅封防盗性能差的问题。另外，电子铅封可以重复 使用，降低了使用成本，节约资源。1.2 RFID技术的发展和现状RFID技术使用反射的射频能量进行识别，其发展源于雷达技术。在20世纪 早期RFID技术主要应用了射频信号的反向散射，例如二战中盟军在飞机上使用 的区分敌方飞机和我方飞机的敌我识别系统(Identification Friend-or-Foe(IFF)System)叫 该系统通过被动的雷达反射器，使我方飞机比敌方飞机在雷达屏幕 上更亮一些。1948年，Stockman发表了名为“利用能量反射的通信”1第一章绪论（Communication by Means of Reflect Power）的论文，该论文奠定了 RFID 技术 的理论基础。在20世纪6070年代，RFID技术主要处于实验室研究状态。1963年7月，Richardson开发了可以与发射机的电磁场耦合，传输相应频率的信号的装置。后 来，Vinding开发了利用电感耦合的简单低成本收发系统。在20世纪8090年代，RFID技术开始用于商业，在各领域被广泛应用。在 美国，早期的应用包括了运输和个人信息的管理；在欧洲，包括了动物追踪以及 工业和商业方面的应用。早期的应用没有统一的标准。随着RFID技术应用范围 的推广，在90年代各标准化组织制定了各种RFID系统的标准。由于基于低频（LF）和高频（HF）的RFID系统的传输速度和传输距离不适用于大量标签情 况下的应用，基于超高频（UHF）的RFID系统应运而生，该系统具有更快的传 输速度和更远的传输距离。目前，随着半导体技术的发展，RFID标签的成本更低，存储容量更大，更 易使用。各种RFID新技术得到了发展，当前的RFID技术主要用于大规模的应 用，其典型应用领域如下：1.仓储和物流为了提高效率，节省时间，RFID技术在仓储和物流业中被广泛应用。通过 RFID标签，可以实时追踪货物的状态。在本世纪初，大型零售企业，例如 Wal-Mart、Tesco、IKEA Mark&Spencer,开始在仓储管理中使用 RFID 技术,减少了在仓储管理上的开销。2.交通运输世界各国都在交通运输的票证上应用了 RFID技术。在我国，主要应用在城 市公共交通系统，例如地铁和公交车上。地铁和公交车使用的车票主要包括储值 票和单程票。在RFID标签中记录费用、里程、时间等信息，通过RFID读卡器 对RFID标签进行读写，可以实现自动售票和自动检票。相对于传统的人工售票 和检票方式，降低了旅客的等候时间，节约了人工成本。RFID技术在电子不停车收费系统（Electronic Toll Collection,ETC）方面也 得到了大量的应用。随着我国经济和社会的发展，高速公路里程的增加，为了避 免在高速公路收费站处出现的堵塞情况，需要提高高速公路收费的自动化程度。在车辆上装备存储车辆车型、车牌等信息的RFID标签，通过ETC系统，在车 辆通过高速公路收费站时，系统即可自动完成对车辆的收费过程。3.产品生产2第一章绪论在产品生产过程中，RFID技术主要被用于产品部件的追踪和识别。通过在 工厂的自动化流水线上应用RFID技术，提高流水线的自动化程度，可以提高生 产效率，降低人工成本。4.安全和访问控制RFID标签可以作为门禁卡，可以对进出的人员的身份进行识别，同时也可 以记录人员的进出时间。在某些汽车上，RFID也被用于防盗系统。5.金融支付相对于传统的金融支付卡，例如磁卡和IC卡，RFID金融卡更加耐用，更加 适用于恶劣的环境。在我国，主要的应用包括校园一卡通、公交车一卡通等。在 信用卡支付和手机支付方面也可以应用RFID技术。6.身份识别将RFID标签嵌入身份证、护照等证件中，可以使证件更难伪造，通过RFID 读卡器对其进行读写，增加了管理的便捷性。我国使用的二代身份证中包含了符 合ISO/IEC 14443-B标准，工作频率为13.56MHz的RFID标签。在2001年“9.11”事件后，美国政府开始测试基于RFID技术的电子护照。L3 RFID技术的研究方向RFID技术已在很多商用领域得到了成熟的应用，但是仍存在着一些问题限 制着RFID技术的更大规模应用。未来对RFID技术的研究需集中解决这些问题。目前，对RFID技术的研究方向主要包括了标签成本、可靠性、安全保密、防冲 突、系统集成等方面。相对于传统的识别技术，RFID技术的成本仍然较高，仍不适用于低价格的 单件商品的识别。RFID标签的成本体现在下列三个部分：标签芯片、天线和标 签的分发。由于半导体技术的发展，通过改变标签芯片的材料，减小标签芯片的 体积，标签芯片的成本正在快速降低。在天线上则采用了更多的高分子半导体材 料。使用RFID技术的公司也在试图降低RFID标签的分发成本。但是，要完全 取代传统的条形码识别技术，仍然需要相当长的时间。RFID系统的性能取决于很多方面，包括读卡器和标签天线的方向、标签粘 贴表面的材质、系统的工作环境等。在某些特定场合，RFID系统性能的不稳定 是不能被接受的。为了提高RFID系统的可靠性，需要对RFID系统的天线进行 优化设计，以使天线性能不易被外界环境因素影响。同时，为了减少外部复杂电 磁环境的干扰，需要更多地考虑到电磁屏蔽的问题。3第一章绪论RFID系统属于无线通信系统，涉及对象较多，相对于传统的有线通信系统,其安全问题更加复杂。目前RFID系统的安全问题主要存在于读卡器读写标签数 据的过程中，例如使用未经授权的读卡器对标签数据进行读写。为提高RFID系 统的安全性，可以采用的方式主要包括物理和密码两种，主要采用的方法包括频 率更改、Hash-Lock协议、Hash链协议网、Hash锁等。同时，随着RFID技术 被更为广泛地应用于互联网络中，网络中的各种攻击手段均可能对RFID标签数 据的传输安全性构成威胁。可通过安全认证、数据隔离、数据加密等技术提高 RFID网络系统的安全性。若多个RFID标签存在于一个读卡器的工作范围内时，RFID读卡器将无法 对标签进行操作，这种情况即为RFID系统的冲突。对于无源RFID标签来说，其内部芯片体积很小，数据处理功能有限，且无法与其他RFID标签进行数据通 信以检测冲突，因此，只能通过防冲突算法解决RFID系统的冲突问题。由于 RFID系统的通信带宽和系统开销限制，传统的反碰撞机制不易在RFID系统中 应用。当前研究的防冲突算法主要包括基于Aloha算法的时隙算法和基于二进制 树的搜索算法等。对大规模的RFID系统，例如供应链管理和货物追踪系统的集成工作将是非 常复杂的。在RFID系统的硬件和软件方面，并没有统一的全球化标准。目前通 行的标准系列包括了国际标准化组织（ISO）制定的ISO标准系列、EPC Global 制定的EPC标准系列、日本Ubiquitous ID Center制定的UID标准系列等。为了 解决RFID的系统集成问题，各企业对RFID中间件进行了研究。RFID中间件在 RFID系统中位于RFID读卡器和应用系统之间，这样即使RFID读卡器的种类发 生了变化，应用系统也不需要修改。1.4本文的主要工作和组织结构本文所设计的RFID读卡器主要用于读写相对应的智能航空电子铅封。该电 子铅封内部集成了工作在13.56MHz,符合ISO/IEC 15693标准的RFID标签。考 虑到对其他工作在13.56MHz的RFID标签的兼容性，本文所设计的RFID读卡 器可以读写符合 ISO/IEC 14443-A、ISO/IEC 14443-B、ISO/IEC 15693 三种标准 的RFID标签。同时，考虑到本读卡器的使用需求，本读卡器作为移动手持终端,应具有体积小、功耗低、界面友好、操作方便等特点。因此，设计了基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器STM32F103VET6的主控系统。本文主要包括以下几部分：4第一章绪论（1）第一章介绍了选题的背景和意义以及RFID技术的发展、现状和研究 方向；（2）第二章对RFID系统进行了理论研究；（3）第三章介绍了 RFID读卡模块的硬件设计；（4）第四章介绍了 RFID读卡器主控部分的硬件设计；（5）第五章介绍了 RFID读卡器PCB设计及各模块的调试方法。（6）第六章对全文进行总结，并对进一步的工作进行展望。5第二章RFID系统理论研究第二章RFID系统理论研究2.1 RFID系统的基本结构典型的RFID系统由RFID读卡器、RFID标签以及上位机管理系统等部分组 成，如图2-1所示。读卡器通过天线发射与其工作频率相同射频信号，当射频标 签进入读卡器的工作区域后，标签天线从读卡器天线获得感应电流，激活标签内 部电路向读卡器发射卡号以及所需要区块的信息。读卡器接收到这些信息后，通 过控制单元完成解调和解码工作。然后，经接口电路将信息发送至上位机进行处 理，上位机管理系统根据程序完成不同的处理和控制功能。图2-1 RFID系统的基本结构数据能量RFID标签RFID读卡器包括微控制器、射频读卡芯片、天线及其匹配电路等部分。微 控制器通过通信接口与射频读卡芯片进行通信，实现对射频读卡芯片中各寄存器 位的设置、完成对射频读卡芯片的控制和传输相应的数据。同时，微控制器也通 过通信接口与上位机进行通信，将数据传输到上位机以完成数据长期保存和处 理。射频读卡芯片中包括了存储器、调制/解调器、放大器、滤波器等电路，可 完成数据的发射、接收、加解密、防冲突等工作。天线匹配电路实现阻抗匹配，以使传输功率达到最大。天线将调制后的信号以射频信号的形式发射出去，并且 接收标签返回的信号。RFID标签由存储器、数字控制器、射频模拟前端和天线等部分组成。存储 器中存储了标签的序列号、用户数据以及用于访问权限控制等的信息。数字控制 器完成传输控制、防冲突、数据校验、安全认证等功能；射频模拟前端负责系统 供电、时钟产生、调制解调、系统复位等功能口叫目前，根据标签内部电路的电 源供应方式的不同,可以将RFID标签分为以下三类:有源RFID标签、无源RFID 标签和半有源RFID标签1I。6第二章RFID系统理论研究有源RFID标签内部带有电源供应，标签可主动向外发射信号，因此标签传 输的信号较强，传输的距离更远。为了实现更远的工作距离，有源标签的工作频 率较高，一般为433MHz,2.45GHz或5.8GHzi2。有源标签的典型工作距离是 20100m。有源RFID标签体积较大，成本较高，其工作寿命受其电源影响，在 设计时需尽量降低其功耗。无源RFID标签内部不带有电源供应，标签需要读卡器发射的电磁波提供能 量才可工作，因此标签的传输距离较近。对于工作频率低于100MHz的无源RFID 系统，利用了负载调制，通过对标签天线上负载电阻的控制改变天线上的电压。对于工作频率高于100MHz的无源RFID系统，利用了电磁波的反向散射调制，通过标签天线上的阻抗开关改变天线的发射系数，使反射的信号被调制口叫无源 标签的典型工作频率包括125kHz,13.56MHz,915MHz和2.45GHz。相对于有 源标签，无源标签的工作距离较近，一般为几cm到10m。无源标签体积小，成 本低，更适合大规模的应用。半有源RFID标签也需要读卡器发射的电磁波提供能量才可工作。其内部具 有电池，为标签内部的实时时钟和传感器供电。半有源RFID标签内部的传感器 可测量温度、湿度等数据，并将其保存，通过读卡器读出各时间的数据值。半有 源RFID标签也可与上位机直接连接，通过上位机实现读写操作。2.2 RFID系统的种类按照RFID系统的不同特征，可以把RFID系统以多种方式进行分类。下面 主要把RFID系统按照工作频率和耦合方式两种方法进行分类。2.2.1 根据工作频率分类工作频率是RFID系统的一个重要属性。频率不同，电磁波在空间传播的特 性也不同，RFID系统的特点和用途也不同。一般可将RFID系统根据工作频率 分为低频（LF）、高频（HF）和超高频（UHF）三类。低频RFID系统的工作频率主要包括125kHz和134.2kHzo这个频率的电磁 波受到金属和水的影响较少，因此可以用于汽车、设备、工具和金属容器上。同 时，低频RFID系统不需要天线有很强的方向性，外形更加灵活，适用于动物识 别等对标签外形有一定要求的场合。低频RFID系统的成本较低，工作距离较短（小于10cm）,标签数据存储量较少，标签数据传输速率较慢。高频RFID系统的典型工作频率是13.56MHz。这个频率的电磁波对水和人 体的穿透性较好，但是更易受到金属的影响。相对于低频RFID系统，高频RFID 7第二章RFID系统理论研究系统的标签一般是卡状的，适于大量生产。高频RFID系统的性能更好，工作距 离最远可以达到1m,可以同时读取多个标签，标签数据存储量较多，标签数据 传输速率较快。超高频RFID系统的工作频率主要包括433MHz、860MHz960MHz和 2.45GHzo这个频段的电磁波容易受到金属和水的影响，且容易受到其他通信系 统的干扰。相对于低频和高频RFID系统，超高频RFID系统的天线更小，工作 距离更远，数据传输速率更快。超高频RFID系统的防冲突机制更加完善，可以 同时读取大量的标签。表2-1中比较了各工作频率的RFID系统的特征。表2-1不同工作频率的RFID系统特征频率范围低频(LF)高频(HF)超高频(UHF)ISO 11784&11785ISO/IEC 15693ISO/IEC 18000-6相关标准ISO/IEC 18000-2ISO/IEC 14443(A/B)EPC class-0,class-1ISO 14223-1ISO/IEC 18000-3EPC class-1ISO/IEC 18000-4工作距离10cm5 0cmGND D2 15_OSCIN IRQ MFIN MFOUT TX1 TVDD TX2 TVSS NCS NWRoscourRSTPDVMID RX AVSS AUXAVDDDVDD*31 CRST3029 DRX GND2825C4 GNDGWC8-VCCo.严 VGNDDVD0D1D2D3_ _-21 ALE20 D79 D618 D5J D4CL RC632图3-2 CLRC632射频读卡电路1.电源CLRC632 芯片的电源部分包括了 DVDD、DVSS、AVDD、AVSS、TVDD、TVSS等引脚，分别为数字部分、模拟部分和天线激励部分提供电源。其中，数 字部分支持3.3V和5V的电源供应,模拟部分和天线激励部分为5V的电源供应。本文中，为方便射频读卡模块与STM32微控制器进行通信，数字部分采用了 3.3V 的电源供应。芯片的数字部分对数字信号进行处理和传输，数字信号一般为方波,其中含有大量的高频谐波分量。模拟部分对从标签传输的微小信号进行处理，容 易受到数字信号中的高频分量的干扰。天线激励部分将调制后的信号进行放大输 出，可能会干扰到模拟部分。因此，芯片将数字、模拟和天线激励部分的电源分25第三章RFID读卡器射频读卡模块设计开。为了抑制数字部分的高频干扰，需要在数字地和模拟地之间串接一个磁珠或 0Q电阻。在设计高速电路时，需要考虑电源完整性问题。电源完整性问题主要由以下 两个方面产生：A/噪声电流和瞬态负载电流28。其中，A/噪声电流的产生，是 由于数字电路工作时，其内部门电路中的晶体管发生饱和和截止状态的转换，使 得电流从电源线流入门电路，或从地线流出门电路，使电源线或地线上的电流产 生变化，变化的电流即为A/噪声电流。瞬态负载电流是在门电路产生脉冲翻转 的瞬间产生的跳跃式变化的电流。为了减少干扰，保证直流电压的稳定性，通过 安装去耦电容对A/噪声电流和瞬态负载电流进行补偿。去耦电容的大小与器件 工作频率有关。在CLRC632芯片的电路中，在数字部分、模拟部分和天线激励 部分的电源中均接入了 O.liF的去耦电容。2.天线接口CLRC632芯片的天线接口包括了 TX1、TX2和RX等引脚。其中，TX1和 TX2传输了调制后的13.56MHz包络信号，通过无源的匹配和滤波电路，可以直 接驱动PCB天线。为了与PCB天线实现阻抗匹配，输出电路的阻抗非常小。通 过对CLRC632中寄存器的配置，可以改变输出信号的调制方式、输出阻抗等，以兼容多种RFID标准，与各种天线配合工作。RX与接收电路连接，对标签传 回的信号进行正交解调。正交解调器采用了两个相位差为90。的时钟（Q-时钟 和I-时钟）。解调后的副载波信号经过放大、滤波、A/D转换等步骤，传输到芯 片的数字部分。通过对CLRC632中寄存器的配置，可以改变输出信号的放大增 益，以实现更好的接收效果。3.复位CLRC632芯片的复位为RSTPD引脚。该引脚为高电平时，内部电流吸收器 关闭，振荡器停止。为下降沿时，启动内部复位。当DVDD或AVDD弓|脚上有 电压时，芯片进行上电复位。复位过程为512个时钟周期，在复位过程中，芯片 对其内部的某些寄存器进行配置。4.晶体振荡CLRC632芯片的晶体振荡部分包括了 OSCIN和OSCOUT引脚。其中OSCIN 为振荡器反相放大器输入，OSCOUT为振荡器反向放大器输出。时钟电路为系 统编码和解码提供时间同步。晶振频率与系统工作频率相同，为13.56MHz,其 负载电容为15pFo5.并行接口CLRC632芯片的并行接口部分包括了 8位地址/数据复用总线AD0AD7、片选NCS、读/写选通NRD/NWR、中断事件输出IRQ、地址锁存使能ALE等引 26第三章RFID读卡器射频读卡模块设计脚。CLRC632支持多种8位微控制器的并行接口。当上电或复位后，CLRC632 将通过判断控制引脚上的电平检测微控制器接口类型。本文中采用了分开的读/写选通，地址/数据总线复用的模式。其中，片选NCS引脚作为选择和激活 CLRC632与微控制器的接口；读/写选通NRD/NWR作为选通CLRC632寄存器 读取/写入数据；地址锁存使能ALE当为高电平时，将地址ADOAD5锁存为内 部地址；地址/数据复用总线ADOAD7为8位双向并行输入/输出；中断事件输 出IRQ可作为中断源以方便微控制器进行控制。3.2天线及其匹配电路设计天线及其匹配电路如图3-3所示，包括EMC低通滤波器、天线匹配电路、接收电路和天线线圈等部分。CLRC632芯片不需要外接放大电路就可以实现 100mm的工作距离。可以采用两种方式设计天线和匹配电路，包括直接匹配天 线和50Q匹配天线。其中，直接匹配天线用于读卡器和天线距离较近的小型设 备。50Q匹配天线用于读卡器和天线距离较远，需要通过同轴电缆连接的情况。本文中的读卡器为手持设备，读卡器和天线距离很近，采用直接匹配天线。DTX1DTX2luH18pFC25R14 0DRX2.2K15pF图3-3天线及其匹配电路3.2.1 EMC低通滤波器RFID系统的工作频率为13.56MHz,该频率是由CLRC632的晶振驱动时钟 产生的，并作为载波频率驱动天线。由于振荡电路同时也辐射出高次谐波，为了 满足国际EMC标准规定的辐射能量幅度，需要对输出信号进行滤波。EMC低通 滤波器由LI、C16、C17、L2、C20、C21组成，形成两个LC滤波电路。为了 27第三章RFID读卡器射频读卡模块设计获得更好的性能，EMC滤波器的谐振频率约为14.4MHz,该频率为接收信号的 副载波上边带中心频率。该方法可以增大接收信号的信噪比、改善接收性能。同 时，还可以减小传输脉冲的过冲幅度，改善传输信号的质量2叫EMC滤波器的 谐振频率可以通过式3-1求出：12 兀飞 L。（。+2）(3-1)式中，L）为电路中LI、L2的值；Coi为电路中C16、C20的值；。02为电路 中C17、C21的值。在取L）为IrH的情况下，经公式计算与实验，选取G）i=Co2=68pF o322天线匹配电路天线匹配电路负责芯片电路与天线实现阻抗匹配。正确的阻抗匹配可以获得 最大功率传输，以保证读卡器的性能。天线发射端的电流受到/tvddWI50mA的 限制，若阻抗失配可能造成电路的损坏。在已知天线线圈等效电路的电阻值火 和电感值的情况下，可以通过式3-2和3-3计算出与天线线圈并联的电容值。2和与天线线圈串联的电容值C1：Ga=Gb=2 1-（3一2）coL R2+2 匕 cd2LCD-1-其中，Za取250Q。为增大输出功率，Za也可取到400Q,但是应注意芯片天 线发射端的最大电流。经计算，得到。1为17.5pF,为132.3pF。在实际电路 中，C为C15、C24的值；。为C18C19和C22C23的值。考虑到实际情况，电容取值如图3-3所示。28第三章RFID读卡器射频读卡模块设计323接收电路CLRC632内部的接收电路可以对负载调制信号的副载波两个边带进行解 调，且不需要增加外部滤波电路。VMID引脚是芯片的内部的工作参考电压，为 保证芯片正常工作，RX引脚上的直流电压应与VMID尽量相同。因此，连接了 电阻R2和R15作为分压。RX引脚上的交流电压应在1.5V(p-p)和3V(p-p)之间，电压值过高会造成接收失败。可通过调整电阻R2和R15的值，保证RX的直流 工作点电压。3.2.4天线线圈RFID读卡器采用的天线为PCB环形天线，形状一般为矩形或圆形。要使读 卡器能够正常工作，需要一定的磁场强度X。磁场强度大小与天线线圈上的电流/、天线线圈的匝数N、天线线圈的半径尺以及距离天线线圈的垂直距离x有关,如式3-4所示。2版+尊当天线线圈上的电流和标签距离天线线圈的垂直距离不变时，可以推出当时，磁场强度8有最大值。因此，读卡器的工作范围与天线线圈的半径大致 相等。但是，在使用读卡器时，通常会把标签紧贴读卡器，即尸0。在这种情况 下，磁场强度为：H(x=Q)=(3-5)可以看出，在标签紧贴读卡器的情况下，天线线圈的半径越大，磁场强度越 小。本文中的读卡器为移动手持终端，体积不能过大。若读卡器的工作范围过大,则可能会出现多个读卡器可以同时操作一个标签的情况，需要避免该情况的发 生。因此，本文中的读卡器采用矩形PCB环形天线，天线线圈边长为5cm。为了计算天线匹配电路中的电容值，需要知道天线线圈的电感值。PCB环 形天线的电感值可以通过经验公式3-6推算：L=2lx In 今卜 K NF(3-6)29第三章RFID读卡器射频读卡模块设计式中，电感的单位为nH,长度/i和。1的单位为cm。/i为天线线圈一圈 的长度，为20cm；Qi为导线的直径，为0.1cm；K为天线形状参数，本文中的 天线为矩形天线，K取值1.47；N为天线线圈匝数，取值4。代入公式，求得天 线线圈的电感量上为1857nH。天线线圈的PCB图如图3-4所示。图3-4天线线圈PCB图3.3 80C51微控制器电路设计本文中的RFID读卡器采用了 STC公司生产的STC89LE516RD+80C51单片 机作为射频读卡模块的驱动芯片。STC89LE516RD+与系统主控部分的STM32 微控制器通过串口连接，接收STM32发送的读卡操作命令，并将读取的航空电 子铅封数据传输到STM32以完成进行进一步的处理。STC89LE516RD+是增强型 的80C51单片机，与传统的80C51单片机在指令代码上完全兼容。考虑到与 STM32微控制器的电平匹配，采用了 3.3V的电源进行供电。为了减少在串口通 信时由晶振频率造成的波特率误差，同时考虑到系统的工作频率应较高，采用了 22.1184MHz的晶振作为时钟源。STC89LE516RD+的内部FLASH程序存储器空 间为64kB,SARM空间为1280字节，可以满足射频读卡模块软件设计的需求。STC89LE516RD+可通过其上的串口进行程序的在线编程，不需要另外的编程器 或仿真器，使软件烧写更为方便。80C51单片机STC89LE516RD+的电路设计如图3-5所示，包括8位并行总 线接口电路、电源电路、晶振电路、复位电路等。其中，8位地址/数据复用总线 AD0AD7、片选NCS、读/写选通NRD/NWR、中断事件输出IRQ、地址锁存使30第三章RFID读卡器射频读卡模块设计能ALE等引脚均与射频读卡芯片CLRC632相连接，传输命令及数据。在作为地 址/数据复用总线时，使用单片机的POD,此时无须外接上拉电阻。单片机采用 晶振提供时钟，其负载电容大小应随晶振频率提高而减小，在采用22.1184MHz 的晶振时，其负载电容应为1047pF。复位引脚为高电平有效，在拉高RST引 脚并持续至少24个晶振振荡周期加10回的时间后，单片机将进入复位状态。在 复位引脚上外接了 10的电解电容，在RST引脚电平变化时保证单片机的复位 时间。另外，单片机的一个I/O接口外接了一个LED,作为系统测试使用。HgFR:-Ez一 6Z 於Lr 2 UR E!s swl.opl3o JJrrsM 3 2 3 4POPOPOPOVCC_ZT2T2EP1P1P1S W一一 m l Ed 二 szeN 一二d 95:图 3-5 STC89LE516RD+80C51 单片机电路3.4 系统电源电路设计系统电源电路可为读卡器的射频读卡模块和控制模块进行供电。本文中的读 卡器需要作为移动手持终端，为满足移动使用的需求，需要采用可充电的锂电池 进行系统供电。常见的锂电池的标称电压为3.6V或3.7V,读卡器可采用锂电池 组，其电源电压为7.2V或7.4V。读卡器中的各芯片普遍采用了 3.3V或5V的电 源供电。因此，需要将锂电池组的电压转换为芯片的3.3V或5V的供电电压。采用了低压差(Low Dropout,LDO)电压调节器作为稳压器，以输出3.3V或 5V的电压。LDO电压调节器作为线性稳压器，其主要的性能指标包括其自身较 小的电压降，以及较低的静态电流Ml。这样，可以减小线性稳压器自身的能量损 耗，提高供电系统的效率。本文中的读卡器采用了 Advanced Monolithic Systems(AMS)公司生产的AMS1117系列LDO电压调节器，包括AMS1117-3.3和31第三章RFID读卡器射频读卡模块设计AMS1117-5.0两种，分别输出3.3V和5V的电压。该电压调节器自身的电压降 最大为1.3V,在负载电流较小的情况下，其自身的电压降的典型值为IV,其静 态电流为5mA,在效率上可以满足系统电源部分的需求。该电压调节器的最大 输出电流为1A,具有小于0.2%的输入电压调节率和小于0.4%的负载调节率，可以满足系统电源部分在电流和电压稳定性方面的需求。在电压调节器的输入 端，采用一个较大（10）的电解电容对输入进行滤波；采用一个较小（0.1）的电容抵消引线产生的寄生电感，防止电压调节器产生自激。在电压调节器的输 出端，采用一个22的锂电容以提高电压调节器的稳定性PL32第四章RFID读卡器主控部分设计第四章RFID读卡器主控部分设计为实现RFID读卡器的人机接口、数据存储、数据通信等功能，同时满足手 持设备体积小、功耗低、操作界面友好等需求，设计了基于ARM Cortex-M3内 核的STM32微控制器的读卡器主控部分。其硬件电路主要包括STM32微控制器 核心电路、TFT-LCD触摸屏电路、EEPROM、FLASH、SD卡等存储器电路以及 与上位机进行USB通信的总线接口电路。STM32微控制器通过串口与射频读卡 模块连接，传输读卡命令及数据。人机接口部分可以通过触摸屏实现对射频读卡 模块的控制，并把读卡结果等信息在TFT-LCD屏幕上显示出来。数据存储部分 可以实现对标签数据、读卡器工作状态以及用于显示的GBK字库、图标等信息 的存储。数据通信部分将标签信息传输到上位机，以方便数据库进行进一步的处 理。可以通过总线接口电路将STM32的串口转换为USB总线与上位机通信，也 可以通过USB HID的方式使STM32直接通过USB总线与上位机通信。主控部 分及其外设的基本组成结构见图4-1 o图4-1主控部分及其外设的基本结构33第四章RFID读卡器主控部分设计4.1 微控制器电路设计4.1.1 ARM Cortex-M3 内核ARM公司总部位于英国，它并不自己生产芯片，而是向各芯片生产商出售 芯片设计的知识产权（IP许可），各芯片生产商再在ARM设计的基础上增加自 己的功能特色，以使芯片可以在各领域得到应用。ARM内核主要应用于嵌入式 系统，根据应用领域不同可分为两类：其一是应用处理器（Application Processor）,另一是嵌入式控制处理器（Embedded Control Processor）o这两类处理器的应用 领域不同，因此在处理器结构设计上也存在很大区别。应用处理器上运行复杂操 作系统，可以用于多媒体领域的应用，处理器需要具有更高的性能和更灵活的存 储器系统。因此，应用处理器与嵌入式控制处理器相比，其最明显的特征是内部 包括一个内存管理单元（MMU）。通过MMU,可以实现存储器系统的访问权 限控制和物理地址映射，并实现对复杂操作系统内存需求的管理。常见的应用处 理器主要包括基于ARMv4T版本体系结构的ARM920T、ARM922T,基于 ARMv5TE版本体系结构的ARM926EJ,基于ARMv6版本体系结构的 ARM1136J、ARM1176JZ、ARM 11 MPcore,以及基于 ARMv7A 版本体系结构 的 ARM Cortex-A8、ARM Cortex-A9 ARM Cortex-A5 ARM Cortex-A15 等处 理器。嵌入式控制处理器上不运行复杂操作系统，主要用于实时控制，要求系统 可以快速实时响应，对多媒体信号处理性能要求不高。因此，嵌入式控制处理器 上并不包括内存管理单元，而是只包括一个内存保护单元（MPU）,仅对存储 器系统进行访问权限控制，而不进行物理地址映射。常见的嵌入式控制处理器主 要包括基于ARMv4T版本体系结构的ARM7TDML基于ARMv5TE版本体系结 构的ARM968E、ARM946E,基于ARMv6版本体系结构的ARM1156T2,以及 基于 ARMv7M 版本体系结构的 ARMCortex-M3、ARM Cortex-M0 ARM Cortex-MK ARM Cortex-M4等微控制器四。本文的RFID读卡器作为手持设备，考虑到移动使用的功耗需求，不需要运行复杂操作系统，因此采用了基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列嵌入式控制处理器。ARM Cortex-M3是32位的处理器内核，其内部包含了 32位的数据路径、寄存器及存储器接口。ARMCortex-M3内核具有高性能、先进的中断处理、低 功耗等特性。ARMCortex-M3内核采用哈佛结构，指令总线和数据总线相互独 立，可以同时完成取指和取操作数操作，数据访问不占用指令总线，从而提升了 程序执行效率。ARM Cortex-M3内核使用了 Thumb-2指令集。传统的ARM处 理器包括32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集，其中ARM指令集有更 34第四章RFID读卡器主控部分设计好的性能，Thumb指令集有更高的代码密度。应用程序可能会混合使用两种指 令集,造成了状态切换时额外的开销，增加了编译的复杂度。ARM Cortex-M3 内核不支持ARM指令集，其Thumb-2指令集对Thumb指令集进行了改进，使 32位指令和16位指令并存，不需要状态切换，减少了编译的复杂度。ARM Cortex-M3内核具有集成的嵌套向量中断控制器(NVIC),支持多达240条外 部中断输入，并完全基于硬件实现中断优先级和中断嵌套处理机制。ARM Cortex-M3内核需要的逻辑门数较少，降低了微控制器的功耗需求卬心为 同时，内核支持节能模式，内核的各模块也可分别关闭。ARMCortex-M3内核是微控制器的中央处理单元(CPU),基于该内核的 微控制器还需要其他组件，包括存储器、外设、I/O、时钟/复位以及其他功能块,如图4-2所