STM32的RFID手持終端硬件設(shè)計(jì)

摘要：為滿足對(duì)移動(dòng)手持終端高性能、低功耗、低成本的需求，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的RFID手持終端。介紹了以STM32F103VET6為核心，CL RC632作為讀卡芯片的RFID手持終端設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)了直接耦合天線、人機(jī)接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)通信等電路。實(shí)驗(yàn)證明，該手持終端可以讀寫符合ISO／IEC 14443和ISO／IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)的射頻標(biāo)簽，讀卡距離滿足使用需求。
關(guān)鍵詞：RFID；手持終端；STM32；CLRC632；TFTLCD

引言
    射頻識(shí)別(Radlo Frequency Identification，RFID)技術(shù)是近年來興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)可利用射頻信號(hào)識(shí)別對(duì)象，利用電磁耦合原理交換信息。與傳統(tǒng)的識(shí)別技術(shù)相比，RFID技術(shù)具有讀卡器和射頻標(biāo)簽無接觸的特點(diǎn)。由于RFID技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)，它目前被廣泛應(yīng)用于身份識(shí)別、電子商務(wù)、工業(yè)自動(dòng)化以及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。但是，現(xiàn)有的RFID讀卡器在大規(guī)模的移動(dòng)應(yīng)用中仍存在著一些不足，例如處理速度較慢、人機(jī)交互不夠友好、成本較高、不能方便與上位機(jī)進(jìn)行通信等。本文設(shè)計(jì)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13．56 MHz的多種射頻標(biāo)簽，并且可以存儲(chǔ)大量標(biāo)簽數(shù)據(jù)，與上位機(jī)進(jìn)行有線或無線方式的通信。

1 RFID手持終端的整體結(jié)構(gòu)
    RFID手持終端系統(tǒng)由微控制器、射頻讀卡、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、TFTLCD顯示、鍵盤輸入、通信模塊等部分組成，RFID手持終端的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由丁RFID手持終端屬于移動(dòng)沒備，對(duì)功耗有較嚴(yán)格的要求。另外，手持終端系統(tǒng)需要微控制器與外部模塊通過多種總線進(jìn)行實(shí)時(shí)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 Cortcx-M3內(nèi)核，具有豐富的外部接口、功能強(qiáng)大。同時(shí)，該系列芯片功耗極低，其功耗相當(dāng)于0．5 mA／MHz。CLRC632是NXP公司生產(chǎn)的應(yīng)用于1 3．56 MHz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(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊使用了Atmel公司生產(chǎn)的EEPROM芯片AT24C64存儲(chǔ)手持終端工作狀態(tài)，使用大容量SD卡存儲(chǔ)讀取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)以及用于顯示的GBK字庫、圖標(biāo)等數(shù)據(jù)。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(jī)的通信可以采用USB總線進(jìn)行有線通信，也可以通過無線通信模塊進(jìn)行無線通信。

2 RFID手持終端的硬件設(shè)計(jì)
2．1 主控芯片及其外圍接口的設(shè)計(jì)
    主控芯片采用了ST公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3內(nèi)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(gè)I2C總線接口、5個(gè)USART串行接口、3個(gè)SPI總線接口、CAN總線和USB總線。同時(shí)，該處理器還具有80個(gè)通用I／O接口、16位定時(shí)器、A／D轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等功能。該處理器可以完全滿足本RFID手持終端的設(shè)計(jì)需求。
    為了滿足RFID手持終端移動(dòng)使用的需求，采用了7．4 V的鋰電池進(jìn)行供電。采用了AMSIII7-5．0芯片提供5 V電壓，AMSIII7-3．3芯片提供3．3 V電壓。AMSIII7系列芯片可以輸出1A的電流，輸入電壓調(diào)節(jié)率小于0．2％，負(fù)載調(diào)節(jié)率小于0．4％，輸出電壓穩(wěn)定。為了抗干擾，STM32F103VET6上的每個(gè)電源引腳都并聯(lián)了去耦合的0．1μF電容，這些電容應(yīng)該盡可能地靠近電源／地引腳。
    STM32F103VET6需要兩個(gè)外部時(shí)鐘源，高速外部時(shí)鐘源(HSE)和低速外部時(shí)鐘源(LSE)。HSE晶振的頻率是8 MHz，作用是產(chǎn)生精確的主時(shí)鐘，用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘。LSE晶振的頻率是32．768kHz，作用是為片內(nèi)實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供一個(gè)低功耗且高精度的時(shí)鐘源，用于時(shí)鐘或日歷等需要計(jì)時(shí)的場合。晶振和負(fù)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(dòng)穩(wěn)定時(shí)間。負(fù)載電容值必須根據(jù)選定的品振進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)選擇負(fù)載電容值時(shí)，PCB板和芯片引腳的電容值也必須被計(jì)算進(jìn)去。這里采用了20pF的電容作為HSE的負(fù)載電容，10 pF的電容作為LSE的負(fù)載電容。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，振蕩電路旁邊要避免有高頻信號(hào)經(jīng)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(jìn)行通信，并與觸摸屏控制器連接，完成觸摸屏的壓力感應(yīng)；采用I2C總線方式與外部EEPROM AT24C64進(jìn)行通信；采用16位的I／O接口與TFTLCD模塊連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(gè)按鍵輸入；采用USART串行接口實(shí)現(xiàn)程序的燒寫和淵試，并與無線通信模塊連接，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的無線通信；采用USB總線實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的高速有線通信。
2．2 射頻讀卡芯片及天線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)
    本RFID手持終端使用NXP公司生產(chǎn)的CLRC632作為射頻讀卡芯片。該芯片是一種應(yīng)用于13．56 MHz的非接觸式射頻標(biāo)簽的芯片，支持符合ISO／IEC14443和ISO／IEC15693標(biāo)準(zhǔn)的射頻標(biāo)簽。該芯片支持10 cm的最大操作距離，與NXP公司的其他射頻讀卡芯片MFRC500、MFRC530、MF RC531、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(jìn)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(jìn)行通信。CLRC632提供了與SPI總線標(biāo)準(zhǔn)兼容的接口，在SPI通信過程中作為從設(shè)備。SPI總線時(shí)鐘信號(hào)SCK由微控制器產(chǎn)生，主控芯片使用MOSI數(shù)據(jù)線向CLRC632發(fā)送控制信息，CLRC632使用MISO數(shù)據(jù)線向主控芯片發(fā)送數(shù)據(jù)。
    對(duì)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50 Ω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。CLRC632的工作頻率是13．56 MHz，產(chǎn)生該頻率的晶振同時(shí)也產(chǎn)生高次諧波。為了符合國際EMC規(guī)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(jìn)行阻抗匹配，以獲得最大的功率傳輸，增大讀卡距離，同時(shí)避免阻抗失配可能對(duì)電路造成的損害。本文中的RFID手持終端采用PCB環(huán)形天線，其電感量由如下公式進(jìn)行估算：
   
    式中長度單位為cm，電感值單位為nH。l1為一圈導(dǎo)線的長度，取值20 cm；D1為導(dǎo)線的直徑，取值0．1 cm；K為天線形狀常數(shù)，本文中的天線是矩形天線，取值K=1．47；N為導(dǎo)線的圈數(shù)，取值4。代入公式，計(jì)算得L1=1857 nH。代入芯片廠家提供的表格進(jìn)行計(jì)算，得到與天線并聯(lián)的電容容值為132．3 pF，與天線串聯(lián)的電容容值為17．5pF。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，與天線并聯(lián)的電容采用100 pF與22 pF電容并聯(lián)得到，與天線串聯(lián)的電容采用18 pF。接收電路使用了CLRC632內(nèi)部產(chǎn)牛的VMID引腳作為輸入電壓。在VMID和地線之間連接了一個(gè)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)。

2．3 人機(jī)接口部分的設(shè)計(jì)
    在RFID手持終端的使用過程中，需要向射頻標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)牧據(jù)存儲(chǔ)、與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信等功能，這就要求輸入數(shù)據(jù)和控制信息，并且將數(shù)據(jù)和控制信息直觀地顯示出來。RFID手持終端采用了TFTLCD進(jìn)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(shù)據(jù)。
    TFTLCD部分采用了26萬色的TFTLCD屏幕，分辨率為320×240，可以實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)接口界面顯示。TFTLCD控制器采用了Ilitek公司生產(chǎn)的IL19320，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(tǒng)功耗，通過BL_VDD引腳控制屏幕背光，如果一段時(shí)間內(nèi)沒有對(duì)觸摸屏或鍵盤進(jìn)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(yīng)進(jìn)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(dòng)使用環(huán)境下不易損壞，吏適用于本RFID手持終端。采用了TI公司生產(chǎn)的ADS7846作為觸摸屏控制芯片。ADS7846內(nèi)部集成了12位逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率為125 kHz。使用時(shí)，ADS7846通過兩次A／D轉(zhuǎn)換得到觸點(diǎn)位置的X、Y坐標(biāo)，通過SPI總線與STM32F103VET6通信，完成對(duì)控制信息的輸入。ADS7846電路原理圖如圖4所示。

    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(shù)據(jù)，每個(gè)按鍵的空間很小，會(huì)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(shù)據(jù)的輸入。使用了STM32F103VET6的PD0～PD15共16個(gè)通用I／O口連接鍵盤，最多可連接64個(gè)按鍵，有效減少了處理器I／O資源的占用。使用時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際需要，連接相應(yīng)數(shù)量的按鍵。
2．4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的設(shè)計(jì)
    STM432F103VET6內(nèi)部的存儲(chǔ)資源包括64 KB的SRAM和512 KB的Flash。為了完成對(duì)RFID手持終端工作狀態(tài)、用于顯示的資源以及大量射頻標(biāo)簽數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，需要對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分加以擴(kuò)展。手持終端采用了Atmel公司生產(chǎn)的EEPROM芯片AT24C64存儲(chǔ)手持終端工作狀態(tài)。該芯片可以存儲(chǔ)64 Kb的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于8192字節(jié)。該芯片通過I2C總線與STM32F103VET6進(jìn)行通信，包括數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)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(hào)線拉至高電平。綜合考慮端口驅(qū)動(dòng)能力和信號(hào)傳輸速率，選用4．7 kΩ的上拉電阻。使用時(shí)，AT24C64中存儲(chǔ)了手持終端的ID信息，在與上位機(jī)通信時(shí)進(jìn)行安全認(rèn)證。AT24C64中也存儲(chǔ)了觸摸屏的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)觸摸屏和TFTLCD之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。SD卡體積小、容量大、傳輸速率快，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備。本手持終端采用了SD卡存儲(chǔ)漢字字庫、界面圖片和射頻卡中讀取的數(shù)據(jù)。SD卡通過SPI總線與STM32F103VET6進(jìn)行通信，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明每秒可以傳輸2 MB以上的數(shù)據(jù)，可以滿足手持終端對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。另外，由于SD卡可以很方便地從手持終端巾取出，也可以使用上位機(jī)的通用讀卡器對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫，實(shí)現(xiàn)手持終端和上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。
2．5 數(shù)據(jù)通信部分的設(shè)計(jì)
    RFID手持終端使用STM32F103VET6芯片內(nèi)部集成的USB總線與上位機(jī)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(shí)，USB 2．0全速總線支持480 Mbps的傳輸速率，可以快速將手持終端中的信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。為了滿足手持終端的移動(dòng)使用需求，采用了Sim com公司牛產(chǎn)的GPRS模塊SIM300，它的工作頻率為GSM／GPRS 900／1800 MHz，可以在低功耗的條件下，完成手持終端數(shù)據(jù)的無線傳輸。在使用時(shí)，通過STM32F103VET6的USART串口與SIM300模塊連接，通過AT指令實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。

3 系統(tǒng)測試
    設(shè)計(jì)了RFID手持終端的PCB板，其主板大小約為1 6 cm×9 cm，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(duì)符合ISO／IEC14443和ISO／IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)的射頻標(biāo)簽進(jìn)行讀寫，操作距離均不小于8 cm，讀卡及顯示速度均滿足使用需求。
    將讀卡得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中，通過USB總線或GPRS模塊發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)可以接收到卡號(hào)、扇區(qū)、數(shù)據(jù)等信息以便進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

結(jié)語
    本文詳細(xì)介紹了基于STM32F103VET6的13．56MHz RFID手持終端的硬件沒計(jì)方法。該讀卡器具有處理速度快、功耗低、人機(jī)交互友好、與上位機(jī)通信方便等特點(diǎn)，適用于多種需要移動(dòng)應(yīng)用的場合，尤其適用于物流行業(yè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。