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(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

RFID(Radio frequency identification)讀卡器是指能讀取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別設(shè)備，常見(jiàn)于門禁、消費(fèi)機(jī)、停車場(chǎng)、公交和租賃系統(tǒng)[1]等場(chǎng)合，具有讀寫方便、識(shí)別速度快、使用壽命長(zhǎng)以及安全性高等優(yōu)點(diǎn).RFID讀卡器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于天線的設(shè)計(jì)及其阻抗匹配.在合適的天線尺寸基礎(chǔ)上，增大或減小尺寸不會(huì)提高讀卡距離，而匹配阻抗不佳將會(huì)導(dǎo)致無(wú)法讀取卡片數(shù)據(jù)或降低讀卡距離.因此，選擇一款業(yè)界出貨量大的射頻讀卡芯片，給出確定電路元件值和匹配天線阻抗的方法，對(duì)門禁等非接觸式讀卡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義.

設(shè)計(jì)了一種符合ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)的RFID讀卡器，采用恩智浦(NXP)公司的MFRC522射頻讀寫芯片.研究讀卡器射頻信號(hào)濾波、PCB(Printed circuit board)天線設(shè)計(jì)和天線阻抗匹配的方法，設(shè)計(jì)的讀卡器讀卡距離最高可達(dá)60 mm，高于芯片資料給出的50 mm.

1 讀卡器電路設(shè)計(jì)

讀卡器電路包括微控制器電路、射頻電路和PCB天線三部分，圖1為讀卡器的硬件結(jié)構(gòu)框圖.微控制器STM8S003F3和MFRC522之間的通信接口為SPI方式.PCB天線和電子標(biāo)簽內(nèi)的線圈以非接觸的方式耦合，實(shí)現(xiàn)能量和數(shù)據(jù)的傳輸.

圖1 讀卡器硬件結(jié)構(gòu)框圖

微控制器采用意法半導(dǎo)體(ST)公司的STM8S003F3單片機(jī)，最高工作頻率16 MHz，擁有先進(jìn)的STM8內(nèi)核、哈佛結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器和三級(jí)流水線功能，內(nèi)置8 kB的Flash、1 kB的RAM和128字節(jié)的EEPROM[2].MFRC522是一款高集成度的非接觸式射頻讀寫卡芯片，工作頻率為13.56 MHz，支持ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)，提供SPI、UART和I2C三種主機(jī)接口方式，讀寫模式下的最大讀卡距離為50mm[3].測(cè)試的電子標(biāo)簽類型為Mifare One S50射頻卡片[4].

1.1 STM8S003F3電路設(shè)計(jì)

控制器STM8S003F3的硬件電路如圖2所示.RST引腳提供MFRC522芯片的復(fù)位信號(hào)；IRQ是MFRC522向單片機(jī)提供的中斷信號(hào)；TXD和RXD引腳為單片機(jī)的串行接口，向上位機(jī)發(fā)送讀卡數(shù)據(jù)或接收讀卡指令；SWIM和NRST引腳是單片機(jī)的程序下載口；LED引腳控制發(fā)光二極管D1的點(diǎn)亮和熄滅，以灌電流的方式驅(qū)動(dòng)；BEEP引腳控制蜂鳴器S1的鳴叫，以NPN三極管開(kāi)關(guān)方式驅(qū)動(dòng)；I2C和EA引腳可以配置MFRC522與單片機(jī)的通信接口方式，配置方法參考MFRC522數(shù)據(jù)手冊(cè)[3]；NSS、SCK、MOSI、MISO分別為SPI接口的片選、時(shí)鐘、主出從入和主入從出引腳.

1.2 MFRC522射頻電路設(shè)計(jì)

MFRC522射頻電路是整個(gè)讀卡器設(shè)計(jì)的核心，完成對(duì)電子標(biāo)簽的尋找、防碰撞[5]、密鑰驗(yàn)證和塊讀寫等操作.要實(shí)現(xiàn)這些功能，必須計(jì)算電路中每個(gè)元件值的大小.只有合適的天線尺寸和匹配的阻抗電路才能令天線調(diào)諧，使發(fā)射的信號(hào)幅度和讀卡距離最大.MFRC522電路如圖3所示，包括EMC濾波、PCB天線、阻抗匹配和接收電路4個(gè)部分.

在射頻電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮電容元件的封裝尺寸和材料.不同封裝大小的電容具有不同的電壓承受、功率承受和頻率特性.

圖2 控制器STM8S003F3電路

圖3 MFRC522射頻電路

在同阻抗下，頻率越高，電容容量可以越??；負(fù)載電流越大，容量就應(yīng)該越大.與915 MHz和2.4 G等高頻段相比，13.56 MHz屬于中低頻；而發(fā)射天線上的信號(hào)幅度越大，則天線上電流、讀卡距離越大，效果越好.因此，射頻電路中的電容采用0805封裝的貼片電容.另一個(gè)不可忽視的因素就是電容的材質(zhì).電容的電氣特性容易受到頻率變化的影響，特別是在高頻時(shí)，電容會(huì)呈現(xiàn)電感特性，這將極大影響射頻信號(hào)的發(fā)射效果.故電容皆選擇電氣性能最穩(wěn)定的NPO材質(zhì)的貼片電容，封裝為0805.電路中的晶振X1為27.12 MHz的石英振蕩器.

1.2.1 EMC濾波電路設(shè)計(jì)

EMC(Electromagnetic compatibility)濾波電路本質(zhì)是一個(gè)低通濾波器，作用是對(duì)MFRC522發(fā)射的射頻信號(hào)中的三次、五次和高次諧波進(jìn)行濾波，抑制載波上的高頻毛刺，提高數(shù)據(jù)傳遞的可靠性.

EMC濾波電路共有4個(gè)元件，包括L1、L2、C4和C5.根據(jù)電路對(duì)稱性，L1與L2的感值相同，需要使用磁屏蔽貼片繞線電感，低通濾波器截止頻率fL取14.3 MHz[6].當(dāng)確定電感值L1,2后，電容值C4,5可以根據(jù)LC濾波器截止頻率的計(jì)算公式得到:

(1)

需要注意的是NPO材質(zhì)電容無(wú)法做到大容量，C4,5的取值應(yīng)小于220 pF.在此選擇電感L1,2的感值為2.2 μH，代入(1)式計(jì)算并取標(biāo)稱值后得到C4,5為56 pF.

1.2.2 PCB天線設(shè)計(jì)

RFID系統(tǒng)需要耦合良好且可靠性高的天線來(lái)精確收發(fā)信號(hào)[7].在讀卡器讀卡過(guò)程中，卡片的能量由PCB天線發(fā)射的高頻信號(hào)提供.因此讀卡的效果直接取決于PCB天線的性能，它受到板厚、線寬、線厚、線距、天線形狀和環(huán)境狀況等因素影響.任一參數(shù)未符合要求都會(huì)極大降低天線發(fā)射信號(hào)幅度，直接表現(xiàn)為讀卡距離的縮短.圖3中的L3和L4為發(fā)射天線.天線為4匝矩形線圈，線寬1.1 mm，線距0.25 mm，板厚0.6 mm，外圈尺寸41 mm×42.5 mm，內(nèi)圈尺寸31.5 mm×33.5 mm.天線中所有90°拐角進(jìn)行了135°折角處理，EMC濾波輸出至阻抗匹配電路之間的走線做了圓弧化處理.天線中心抽頭接到MFRC522的發(fā)射信號(hào)地14腳TVSS上.為了提高天線調(diào)諧成功率，天線做了50 Ω阻抗匹配處理.

1.2.3 阻抗匹配電路設(shè)計(jì)

阻抗匹配電路包括4個(gè)元件，如圖3中的C6、C7、C8和C9.計(jì)算這些容值涉及到天線部分的阻尼電阻Rext1和Rext2.圖4(a)為無(wú)阻尼電阻時(shí)PCB天線的等效電路，其中Ca是等效電容，La是等效電感，Ra是等效電阻；圖4(b)為增加阻尼電阻后PCB天線的等效電路，其中Cpa是等效電容，Lpa是等效電感，Rpa是等效電阻.

圖4 PCB天線等效電路

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀或阻抗分析儀可測(cè)得PCB天線的Ca、La和Ra.阻尼電阻Rext1,2的確定式為

(2)

式中：ω=2πf0，f0=13.56 MHz；Q為最佳品質(zhì)因數(shù)，取值35±35×10%[6].增加阻尼電阻后的天線等效電路參數(shù)Cpa，Lpa，Rpa分別為

Cpa?Ca

(3)

Lpa?La

(4)

(5)

EMC濾波電路和阻抗匹配電路之間的轉(zhuǎn)換阻抗為Ztr=Rtr+jXtr，其中Rtr和Xtr分別為

(6)

(7)

上式中的Rmatch是MFRC522發(fā)射腳TX1和TX2之間的發(fā)射匹配阻抗Zmatch的實(shí)部，阻抗匹配電路的4個(gè)電容元件的天線調(diào)諧作用就是使Zmatch的虛部Xmatch為0，而實(shí)部Rmatch取50 Ω[6].C6,7和C8,9分別為

(8)

(9)

通過(guò)式(2—9)的迭代計(jì)算，取標(biāo)稱值后，選擇阻尼電阻Rext1和Rext2為0805封裝的0 Ω貼片電阻，C6,7的值為15 pF，C8,9的值為180 pF，都是0805封裝NPO材質(zhì)的貼片電容.

1.2.4 接收電路設(shè)計(jì)

接收電路包括4個(gè)元件，即C2、C3、R3和R4.按照以下步驟可以確定這4個(gè)元件的值.

1) 接收電路元件初始值[6]

C2初始值為100 nF，C3初始值為1 nF，R3初始值為1 kΩ.

2) 測(cè)試RX腳和C4兩端信號(hào)

使用50 Ω阻抗、電容小于2 pF的示波器探頭測(cè)試RX腳對(duì)地信號(hào)，記錄信號(hào)峰峰值URX，用相同的方法測(cè)試C4兩端信號(hào)，記錄信號(hào)峰峰值UC4.

3) 計(jì)算R4

R4值的計(jì)算式為

(10)

經(jīng)過(guò)測(cè)量并計(jì)算R4，取標(biāo)稱值后為20 kΩ，選用0805封裝的貼片電阻，精度為1%.

圖5 程序流程圖

2 軟件設(shè)計(jì)

讀卡器程序流程圖如圖5所示，系統(tǒng)首先進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO口、串口和MFRC522等初始化配置.完成后，讀卡器進(jìn)入正常工作狀態(tài)，等待接收上位機(jī)的尋卡指令.一旦接收到正確的尋卡指令，讀卡器立即驅(qū)動(dòng)天線發(fā)射經(jīng)過(guò)調(diào)制的射頻信號(hào)搜索出現(xiàn)在天線范圍內(nèi)的卡片，若未搜索到，則串口返回未尋到卡信息；若搜索到卡片，則依次進(jìn)行防碰撞、選卡和密鑰驗(yàn)證過(guò)程.若密鑰驗(yàn)證錯(cuò)誤，則串口返回驗(yàn)證錯(cuò)誤信息；若驗(yàn)證正確，則進(jìn)行讀塊數(shù)據(jù)操作，此時(shí)LED閃爍一次，蜂鳴器鳴叫一聲.然后將讀到的卡片數(shù)據(jù)、卡號(hào)等信息打包成一幀數(shù)據(jù)通過(guò)串口反饋給上位機(jī)，讀卡器再次進(jìn)入等待尋卡狀態(tài).

3 實(shí)驗(yàn)與分析

對(duì)讀卡器進(jìn)行測(cè)試，利用固緯公司生產(chǎn)的GDS-1022型示波器測(cè)試PCB天線上的射頻信號(hào).圖6(a)為讀卡器向卡片發(fā)射信號(hào)的波形圖，圖6(b)為讀卡器接收卡片反饋信號(hào)的波形圖.根據(jù)ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)，讀卡器到卡片信號(hào)采用100%的幅度調(diào)制，發(fā)送Miller編碼信息，脈沖長(zhǎng)度為3 μs.卡片到讀卡器的信號(hào)采用曼徹斯特編碼并使用副載波負(fù)載調(diào)制，副載波頻率為846.5 kHz.兩種通信方式的每個(gè)位幀長(zhǎng)度都是9.44 μs，傳輸速率為105.9 kHz[8].經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，示波器顯示讀卡器到卡和卡到讀卡器的位幀長(zhǎng)度都為9.4 μs，誤差0.42%；傳輸速率都為106.4 kHz，誤差0.47%.考慮示波器測(cè)量和操作誤差，設(shè)計(jì)的讀卡器發(fā)射和接收波形都是符合ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)的.

讀卡器天線周邊的環(huán)境對(duì)讀卡距離有較大的影響，特別是周圍有金屬物存在時(shí)，一般讀卡距離會(huì)減小.在天線周圍無(wú)金屬物的情況下，測(cè)試讀卡器讀卡最大距離為60 mm；在天線正下方10 mm處放置長(zhǎng)寬為305 mm×29 mm的條形金屬物時(shí)，測(cè)量讀卡最大距離為55 mm.

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種基于MFRC522的RFID讀卡器，包括微控制器電路、射頻電路和PCB天線.讀卡器可讀取射頻卡片的卡號(hào)和塊內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)串行口接收上位機(jī)命令或向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，讀卡器狀態(tài)和讀卡過(guò)程用LED和蜂鳴器指示.測(cè)量了周圍無(wú)金屬物時(shí)的最大讀卡距離為60 mm，高于MFRC522數(shù)據(jù)手冊(cè)中給定的最大典型操作距離50 mm，達(dá)到設(shè)計(jì)要求.讀卡器的電路原理圖、天線的阻抗匹配方法以及天線的尺寸等參數(shù)對(duì)于非接觸式讀卡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有非常重大的指導(dǎo)意義.

圖6 PCB天線波形測(cè)試

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