STM32的RFID手持終端硬件設計＊

陳博，劉開華

（天津大學 電子信息工程學院，天津 300072）

引 言

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術是近年來興起的一種自動識別技術。該技術可利用射頻信號識別對象，利用電磁耦合原理交換信息。與傳統的識別技術相比，RFID技術具有讀卡器和射頻標簽無接觸的特點。由于RFID技術所具有的優點，它目前被廣泛應用于身份識別、電子商務、工業自動化以及交通運輸等領域。但是，現有的RFID讀卡器在大規模的移動應用中仍存在著一些不足，例如處理速度較慢、人機交互不夠友好、成本較高、不能方便與上位機進行通信等。本文設計的RFID手持終端采用STM32F103VET6嵌入式處理器作為主控芯片，CLRC632作為射頻讀卡芯片，可以讀寫工作在13.56MHz的多種射頻標簽，并且可以存儲大量標簽數據，與上位機進行有線或無線方式的通信。

1 RFID手持終端的整體結構

RFID手持終端系統由微控制器、射頻讀卡、數據存儲、TFTLCD顯示、鍵盤輸入、通信模塊等部分組成，RFID手持終端的結構框圖如圖1所示。由于RFID手持終端屬于移動設備，對功耗有較嚴格的要求。另外，手持終端系統需要微控制器與外部模塊通過多種總線進行實時通信，因此采用了ST公司的STM32系列的微控制器作為主控端，該系列芯片基于ARM Cortex－M3內核，具有豐富的外部接口、功能強大。同時，該系列芯片功耗極低，其功耗相當于0.5mA／MHz。CLRC632是NXP公司生產的應用于13.56MHz的非接觸式射頻讀卡芯片，該芯片通過SPI總線與微控制器連接。數據存儲模塊使用了Atmel公司生產的EEPROM芯片AT24C64存儲手持終端工作狀態，使用大容量SD卡存儲讀取的標簽數據以及用于顯示的GBK字庫、圖標等數據。本手持終端采用了2.8寸的TFTLCD屏作為顯示輸出，支持觸摸屏和鍵盤兩種輸入方式。與上位機的通信可以采用USB總線進行有線通信，也可以通過無線通信模塊進行無線通信。

圖1 RFID手持終端的結構框圖

2 RFID手持終端的硬件設計

2.1 主控芯片及其外圍接口的設計

主控芯片采用了ST公司生產的基于ARM Cortex－M3內核的嵌入式處理器STM32F103VET6。該處理器的工作頻率為72MHz，支持多種通信總線，其中包括2個I2C總線接口、5個USART串行接口、3個SPI總線接口、CAN總線和USB總線。同時，該處理器還具有80個通用I／O接口、16位定時器、A／D轉換器、實時時鐘等功能［1－2］。該處理器可以完全滿足本RFID手持終端的設計需求。

為了滿足RFID手持終端移動使用的需求，采用了7.4V的鋰電池進行供電。采用了AMS1117－5.0芯片提供5V 電 壓，AMS1117－3.3 芯 片 提 供 3.3V 電 壓。AMS1117系列芯片可以輸出1A的電流，輸入電壓調節率小于0.2%，負載調節率小于0.4%，輸出電壓穩定。為了抗干擾，STM32F103VET6上的每個電源引腳都并聯了去耦合的0.1μF電容，這些電容應該盡可能地靠近電源／地引腳。

STM32F103VET6需要兩個外部時鐘源，高速外部時鐘源（HSE）和低速外部時鐘源（LSE）。HSE晶振的頻率是8MHz，作用是產生精確的主時鐘，用于驅動系統時鐘。LSE晶振的頻率是32.768 kHz，作用是為片內實時時鐘提供一個低功耗且高精度的時鐘源，用于時鐘或日歷等需要計時的場合。晶振和負載電容需要盡可能地靠近芯片的引腳，以減小輸出失真和啟動穩定時間。負載電容值必須根據選定的晶振進行調節。當選擇負載電容值時，PCB板和芯片引腳的電容值也必須被計算進去。這里采用了20pF的電容作為HSE的負載

電容，10pF的電容作為LSE的負載電容。在設計PCB時，振蕩電路旁邊要避免有高頻信號經過，走線長度越短越好。

STM32F103VET6采用4線SPI總線方式與讀卡芯片CLRC632和SD卡進行通信，并與觸摸屏控制器連接，完成觸摸屏的壓力感應；采用I2C總線方式與外部EEPROM AT24C64進行通信；采用16位的I／O接口與TFTLCD模塊連接，實現系統顯示輸出；采用16位的I／O接口與鍵盤連接，最多可支持64個按鍵輸入；采用USART串行接口實現程序的燒寫和調試，并與無線通信模塊連接，實現與上位機的無線通信；采用USB總線實現與上位機的高速有線通信。

2.2 射頻讀卡芯片及天線網絡的設計

本RFID手持終端使用NXP公司生產的CLRC632作為射頻讀卡芯片。該芯片是一種應用于13.56MHz的非接觸式射頻標簽的芯片，支持符合ISO／IEC14443和ISO／IEC15693標準的射頻標簽［3］。該芯片支持10cm的最大操作距離，與NXP公司的其他射頻讀卡芯片MFRC500、MFRC530、MFRC531、SLRC400引腳兼容。該芯片可以用8位并行接口或SPI總線方式與微控制器進行通信。CLRC632電路原理圖如圖2所示。

本文中的CLRC632使用SPI方式與主控芯片STM32F103VET6進行通信。CLRC632提供了與SPI總線標準兼容的接口，在SPI通信過程中作為從設備。SPI總線時鐘信號SCK由微控制器產生，主控芯片使用MOSI數據線向CLRC632發送控制信息，CLRC632使用MISO數據線向主控芯片發送數據。

對于CLRC632，可以使用兩種方法將天線連接到讀卡器：直接匹配天線和50Ω匹配天線。本文中采用直接匹配的方式將CLRC632與天線連接，包括了EMC低通濾波器、天線匹配電路與接收電路［4］。CLRC632的工作頻率是13.56MHz，產生該頻率的晶振同時也產生高次諧波。為了符合國際EMC規定，采用EMC低通濾波器抑制高次諧波。天線匹配電路與天線進行阻抗匹配，以獲得最大的功率傳輸，增大讀卡距離，同時避免阻抗失配可能對電路造成的損害。本文中的RFID手持終端采用PCB環形天線，其電感量由如下公式進行估算：

圖2 CLRC632電路原理圖

式中長度單位為cm，電感值單位為nH。l1為一圈導線的長度，取值20cm；D1為導線的直徑，取值0.1cm；K為天線形狀常數，本文中的天線是矩形天線，取值K＝1.47；N為導線的圈數，取值4。代入公式，計算得L1＝1857nH。代入芯片廠家提供的表格進行計算［5］，得到與天線并聯的電容容值為132.3pF，與天線串聯的電容容值為17.5 pF。在實際電路設計中，與天線并聯的電容采用100pF與22pF電容并聯得到，與天線串聯的電容采用18pF。接收電路使用了CLRC632內部產生的VMID引腳作為輸入電壓。在VMID和地線之間連接了一個0.1μF電容，起到了減少干擾的作用。天線及其匹配電路原理圖如圖3所示（L1、L2是天線的等效電感）。

圖3 天線及其匹配電路原理圖

2.3 人機接口部分的設計

在RFID手持終端的使用過程中，需要向射頻標簽發送數據以及實現數據存儲、與上位機的數據通信等功能，這就要求輸入數據和控制信息，并且將數據和控制信息直觀地顯示出來。RFID手持終端采用了TFTLCD進行顯示輸出，支持觸摸屏和鍵盤兩種方式的輸入，其中觸摸屏主要用于輸入控制信息，鍵盤主要用于輸入數據。

TFTLCD部分采用了26萬色的TFTLCD屏幕，分辨率為320×240，可以實現友好的人機接口界面顯示。TFTLCD控制器采用了Ilitek公司生產的ILI9320，可以通過多種并行通信方式與微控制器通信。為了加快傳輸速率以顯示彩色界面，這里采用了16位的并行總線與STM32F103VET6相連接。為了降低系統功耗，通過BL＿VDD引腳控制屏幕背光，如果一段時間內沒有對觸摸屏或鍵盤進行操作，屏幕背光將熄滅。

TFTLCD屏幕自帶電阻式觸摸屏，利用壓力感應進行控制。電阻式觸摸屏成本低、精度高、不怕灰塵、水汽和油污，在惡劣的移動使用環境下不易損壞，更適用于本RFID手持終端。采用了TI公司生產的ADS7846作為觸摸屏控制芯片。ADS7846內部集成了12位逐次逼近型A／D轉換器，轉換速率為125kHz。使用時，ADS7846通過兩次A／D轉換得到觸點位置的X、Y坐標，通過SPI總線與STM32F103VET6通信，完成對控制信息的輸入。ADS7846電路原理圖如圖4所示。

圖4 ADS7846電路原理圖

由于手持終端的便攜性需求，TFTLCD屏幕不可能太大。這樣，若通過TFTLCD屏幕顯示的虛擬鍵盤輸入數據，每個按鍵的空間很小，會給輸入帶來困難。因此，在STM32F103VET6的通用I／O口上連接了矩陣鍵盤，通過鍵盤掃描完成數據的輸入。使用了STM32F103VET6的PD0～PD15共16個通用I／O口連接鍵盤，最多可連接64個按鍵，有效減少了處理器I／O資源的占用。使用時，可以根據實際需要，連接相應數量的按鍵。

2.4 數據存儲部分的設計

STM32F103VET6內部的存儲資源包括64KB的SRAM和512KB的Flash。為了完成對RFID手持終端工作狀態、用于顯示的資源以及大量射頻標簽數據的存儲，需要對數據存儲部分加以擴展。手持終端采用了Atmel公司生產的EEPROM芯片AT24C64存儲手持終端工作狀態。該芯片可以存儲64Kb的數據，相當于8 192字節。該芯片通過I2C總線與STM32F103VET6進行通信，包括數據線SDA和時鐘線SCL。由于I2C總線接口采用開漏輸出，必須通過外部上拉電阻將信號線拉至高電平。綜合考慮端口驅動能力和信號傳輸速率，選用4.7kΩ的上拉電阻。使用時，AT24C64中存儲了手持終端的ID信息，在與上位機通信時進行安全認證。AT24C64中也存儲了觸摸屏的校準數據，實現觸摸屏和TFTLCD之間的坐標轉換。SD卡體積小、容量大、傳輸速率快，廣泛應用于移動設備。本手持終端采用了SD卡存儲漢字字庫、界面圖片和射頻卡中讀取的數據。SD卡通過SPI總線與STM32F103VET6進行通信，經實驗證明每秒可以傳輸2MB以上的數據，可以滿足手持終端對數據傳輸速率的要求。另外，由于SD卡可以很方便地從手持終端中取出，也可以使用上位機的通用讀卡器對SD卡進行讀寫，實現手持終端和上位機的數據交換。

2.5 數據通信部分的設計

RFID手持終端使用STM32F103VET6芯片內部集成的USB總線與上位機完成有線通信。USB總線支持即插即用和熱插拔，使用方便。同時，USB 2.0全速總線支持480Mbps的傳輸速率，可以快速將手持終端中的信息傳輸到上位機。為了滿足手持終端的移動使用需求，采用了Simcom公司生產的GPRS模塊SIM300，它的工作頻率為GSM／GPRS 900／1800MHz，可以在低功耗的條件下，完成手持終端數據的無線傳輸。在使用時，通過STM32F103VET6的USART串口與SIM300模塊連接，通過AT指令實現網絡連接、數據發送等功能。

3 系統測試

設計了RFID手持終端的PCB板，其主板大小約為16cm×9cm，可以滿足手持終端的便攜需求。使用STM32F103VET6自帶的ISP下載工具通過USART串口將程序下載后，使用本RFID手持終端對符合ISO／IEC 14443和ISO／IEC 15693標準的射頻標簽進行讀寫，操作距離均不小于8cm，讀卡及顯示速度均滿足使用需求。將讀卡得到的數據存儲到SD卡中，通過USB總線或GPRS模塊發送到上位機，上位機可以接收到卡號、扇區、數據等信息以便進行進一步的數據處理。

結 語

本文詳細介紹了基于STM32F103VET6的13.56MHz RFID手持終端的硬件設計方法。該讀卡器具有處理速度快、功耗低、人機交互友好、與上位機通信方便等特點，適用于多種需要移動應用的場合，尤其適用于物流行業，具有廣闊的應用前景。

［1］劉軍.例說STM32［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011：11－18.

［2］STMicroelectronics.High－density performance line ARM－based 32－bit MCU with 256to 512KB Flash，USB，CAN，11timers，3ADCs，13communication interfaces［EB／OL］.［2011－11－25］.http：／／www.st.com／internet／mcu／product／164491.jsp.

［3］NXP Semiconductors.Multiple protocol contactless reader IC（MIFARE／I－CODE1）（v.3.5）［EB／OL］.［2011－11－25］.http：／／www.nxp.com／documents／data＿sheet／CLRC632.pdf.

［4］Philips Semiconductors.AN Micore Reader IC Family；Directly Matched Antenna Design（v.2.05）［EB／OL］.［2011－11－25］.http：／／www.nxp.com／documents／application ＿note／AN077925.pdf.

［5］NXP Semiconductors.Directly matched Antenna Excel calculation （v 1.0）［EB／OL］.［2011－11－25］.http：／／www.nxp.com／documents／application＿note／149110.zip.

［6］李新春，于永鑫.移動式13.56MHz RFID讀卡器的設計［J］.計算機系統應用，2011，20（8）：229－232.