馬文琦

(西安全路通號(hào)器材研究有限公司，西安 710043)

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EMZ3118 ZigBee在RFID射頻識(shí)別閱讀器中的應(yīng)用

馬文琦

(西安全路通號(hào)器材研究有限公司，西安 710043)

摘要:針對(duì)目前應(yīng)用廣泛的有線傳輸射頻識(shí)別閱讀器，提出了一種以EMZ3118 ZigBee為無(wú)線收發(fā)器，在傳統(tǒng)的RFID射頻識(shí)別閱讀器上進(jìn)行無(wú)線功能拓展的無(wú)線傳輸射頻識(shí)別系統(tǒng)。無(wú)線傳輸射頻識(shí)別系統(tǒng)主要包括與上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信的功能模塊和RFID射頻識(shí)別閱讀器模塊，重點(diǎn)對(duì)EMZ3118 ZigBee模塊的工作原理、使用配置、RFID射頻讀寫電路的設(shè)計(jì)及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹。測(cè)試結(jié)果顯示，該設(shè)計(jì)具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:EMZ3118 ZigBee；無(wú)線傳輸；射頻識(shí)別

引言

射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于動(dòng)物識(shí)別、鐵路車皮識(shí)別、自動(dòng)高速公路收費(fèi)、航空行李處理、資產(chǎn)跟蹤、公共交通等。該系統(tǒng)主要包括電子標(biāo)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(yuǎn)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(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碇鳈C(jī)中，供工作人員記錄讀取。

實(shí)際應(yīng)用中，閱讀器和主機(jī)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(shí)別系統(tǒng)布線繁瑣、成本高、工程量大。一旦系統(tǒng)安裝完成后，就不能隨意變動(dòng)位置，降低了系統(tǒng)的重復(fù)利用率。

為了使射頻識(shí)別系統(tǒng)能夠突破位置限制、節(jié)省空間、降低成本及減小工程量，對(duì)傳統(tǒng)的閱讀器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了閱讀器和主機(jī)之間無(wú)線方式的信息交互傳輸。

1整體設(shè)計(jì)方案

無(wú)線傳輸射頻識(shí)別閱讀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括ZigBee模塊、主控模塊、RFID射頻讀寫模塊、天線模塊、USB轉(zhuǎn)串通信模塊和電源模塊。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

使用了一對(duì)ZigBee模塊，一個(gè)設(shè)計(jì)在閱讀器內(nèi)，另一個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)成帶USB接口的信息收發(fā)器，安裝在上位機(jī)上。主控模塊是以STM32F107VCT6為核心的微控制系統(tǒng)模塊，RFID射頻讀寫模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和信號(hào)的處理工作，以及對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作。核心芯片是EM4094(USB轉(zhuǎn)串通信模塊),主要作為備用上位機(jī)讀寫通道設(shè)計(jì)，當(dāng)無(wú)線通信距離超出有效范圍或者無(wú)線通信發(fā)生故障時(shí)，可以使用串口通信連接上位機(jī)及閱讀器。天線模塊采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，這里不做重點(diǎn)介紹。

此外，還設(shè)計(jì)了音頻報(bào)警和信號(hào)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(shè)計(jì)

2.1ZigBee模塊

EMZ3118模塊是基于STM32W108的一款完整的嵌入式ZigBee應(yīng)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/IEEE802.15.4兼容的無(wú)線解決方案，可滿足低成本、遠(yuǎn)距離的無(wú)線傳感網(wǎng)應(yīng)用需求[1]。

EMZ3118采用先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)芯片STM32W108，擁有穩(wěn)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(kuò)頻信道。EMZ3118引腳基本上都對(duì)應(yīng)到STM32W108的引腳上。

設(shè)計(jì)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(jù)他們的功能定義做出相應(yīng)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(shè)置為0，外部功放電源打開(kāi)；設(shè)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(shè)置為0，外部功放不工作；設(shè)置為1，外部功放工作。

PA7：輸出控制引腳，用于選擇射頻信號(hào)的輸出天線。設(shè)置為0，射頻信號(hào)從UFL天線接口輸出；設(shè)置為1，射頻信號(hào)從MMCX天線接口輸出。

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

本設(shè)計(jì)中EMZ3118直接使用外置天線,無(wú)需設(shè)計(jì)。

2.2主控芯片

STM32F107VCT6是意法半導(dǎo)體推出的全新STM32互連型(Connectivity)系列微控制器中一款性能較強(qiáng)的產(chǎn)品。該芯片基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有256 KB Flash和64 KB SRAM，工作頻率可達(dá)72 MHz。其集成了多種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)該協(xié)議可降低CPU開(kāi)銷，提高實(shí)時(shí)應(yīng)用和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備同步通信的響應(yīng)速度)。此外，該微控制器還支持以太網(wǎng)、USB OTG和CAN2.0B外設(shè)接口同時(shí)工作，因此只需一塊芯片就能設(shè)計(jì)整合所有這些外設(shè)接口的網(wǎng)關(guān)設(shè)備[2]。

設(shè)計(jì)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　和主控芯片的連接電路

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(shè)備。PA6為主控芯片在主動(dòng)模式下的數(shù)據(jù)輸入端(SDO)；PA7為主控芯片在主動(dòng)模式下的數(shù)據(jù)輸出端(SDI)；PA5為串口時(shí)鐘(SCK)；PA4為從設(shè)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。

2.3RFID射頻讀寫模塊

RFID射頻讀寫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(gòu)成RFID閱讀器的模擬前端讀寫基站模塊。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[3]。

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(nèi)部天線驅(qū)動(dòng)器ANT1、ANT2供電，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器需要獨(dú)立供電。由于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器可能產(chǎn)生較大的電流，為了給天線提供足夠電能，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(duì)電源進(jìn)行濾波和去耦。VDD用于給其他的內(nèi)部邏輯電路供電。在這個(gè)電源線上同樣并聯(lián)一個(gè)1 nF和100 nF的電容對(duì)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)，所有電源線都應(yīng)當(dāng)與模擬地相連[4]。

在OSCOUT和OSCIN兩端外接13.56 MHz的晶振，用來(lái)提供脈沖信號(hào)，該信號(hào)被送至天線驅(qū)動(dòng)器輸出端。為了保證晶振的起振以及穩(wěn)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(dǎo)和晶振參數(shù)決定。

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

引腳ANT1和ANT2是兩個(gè)天線驅(qū)動(dòng)器的輸出端，它們可同相或反相驅(qū)動(dòng)，如果將閱讀器天線與EM4094芯片集成到同一塊PCB板上，便可選用直接天線連接的方法。這種情況下，天線線圈和串聯(lián)的電容形成LC振蕩回路，回路的諧振頻率設(shè)計(jì)為閱讀器的頻率。串聯(lián)一個(gè)電阻可以抑制品質(zhì)因數(shù)，且將天線電流設(shè)計(jì)在EM4094額定電流值以下。當(dāng)工作于其諧振頻率時(shí)，天線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(diào)芯片收發(fā)器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。該引腳上的電壓應(yīng)設(shè)計(jì)在VDD和GND之間，這兩個(gè)輸入設(shè)計(jì)必須具有相同性能及相同靈敏度[5]。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(diào)輸入相位或幅度來(lái)調(diào)制信號(hào)。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(biāo)簽最小的電源級(jí)別上，還能具有較遠(yuǎn)的讀寫距離。

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(jī)進(jìn)行控制。

在SPI串行通信模式下，引腳DIN用于數(shù)據(jù)輸入，引腳DOUT用于數(shù)據(jù)輸出，引腳DCLK用于SPI總線的時(shí)鐘信號(hào)。SPI接口可用來(lái)對(duì)讀寫器芯片內(nèi)部的位寄存器進(jìn)行設(shè)置，并參與不同模塊參數(shù)的設(shè)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)天線驅(qū)動(dòng)器。在DOUT引腳上可直接讀取引腳DIN上的應(yīng)答信息。

RFID射頻讀寫模塊電路工作原理圖如圖3所示。

圖3　工作原理圖

2.4天線模塊

天線負(fù)責(zé)發(fā)送閱讀器對(duì)電子標(biāo)簽的讀寫指令，同時(shí)接收標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)。在射頻識(shí)別系統(tǒng)中，天線線圈可看作兩個(gè)相互耦合的電感。兩個(gè)電感諧振頻率必須設(shè)計(jì)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線圈的電感值，再搭配適當(dāng)?shù)碾娙葜担鶕?jù)不同的應(yīng)用計(jì)算出天線的品質(zhì)因數(shù)和電感的電阻值[6]。

本設(shè)計(jì)中，參考demo 板的參數(shù)設(shè)計(jì)，在PCB板上印刷天線線圈、矩形形狀。圈數(shù)為4圈，線圈外圈長(zhǎng)6.8 cm、寬5.5 cm、線寬1 mm、線間距0.2 mm、并聯(lián)一個(gè)3.3 kΩ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(zhuǎn)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(dú)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(shè)計(jì)

3.1上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端閱讀器的讀寫操作。上位機(jī)軟件通過(guò)RS485口向EMZ3118發(fā)送帶有閱讀器地址的讀寫指令，EMZ3118將指令無(wú)線傳輸給遠(yuǎn)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(duì)閱讀器進(jìn)行相關(guān)讀寫操作，并監(jiān)測(cè)閱讀器對(duì)指令執(zhí)行的結(jié)果是否正確，同時(shí)將相關(guān)的結(jié)果數(shù)據(jù)原路徑傳輸給上位機(jī)，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(shè)計(jì)中的上位機(jī)采用C#開(kāi)發(fā)。

3.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

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

EMZ3118為ZigBee模塊的Host驅(qū)動(dòng)，完成STM32F107與EMZ3118模塊的SPI通信并提供通用SPI讀寫能力。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_recv_data(resbuf);

Handle response buffer.

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

結(jié)語(yǔ)

參考文獻(xiàn)

[1] 沈建華.STM32W無(wú)線射頻ZigBee單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：332-338.

[2] Mediatek.MT7601_Data_Sheet_v0_06，2012.

[3] Cantatore E, Geuns T C T, Gelinck G H, et al.A 13.56-MHz RFID system based on organic transponders [J].Solid-State Circuits, IEEE Journal of,2007, 42(1):84-92.

[4] Chow H K H, Choy K L, Lee W B, et al.Design of a RFID case-based resource management system for warehouse operations [J].Expert Systems with Applications,2006,30(4):561-576.

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[6] 戴彩艷, 蔡堅(jiān)勇, 陳銀燕,等. 13.56 MHz RFID 讀寫器天線的設(shè)計(jì)與仿真[J].無(wú)線電工程, 2013,43(1):42-45.

馬文琦，主要研究方向?yàn)殍F路監(jiān)控及附屬應(yīng)用設(shè)備。

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Application of EMZ3118 ZigBee in RFID Reader

Ma Wenqi

(Xi'an Railway Communication Equipment Research Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

Abstract：Aiming at the cable transmission RFID reader,the wireless radio frequency identification system expanding the wireless function in the traditional RFID radio frequency identification reader is proposed,which takes EMZ3118 ZigBee as the wireless transceiver.The system includes the function module and the RFID reader module communication with the host computer through wireless.The working principle,the configuration of the EMZ3118 ZigBee module,the design and working principle of the RFID reading and writing circuits are introduced.The test results show that the design has practical application value.

Key words:EMZ3118 ZigBee;wireless transmission;radio frequency identification

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-04-10)

中圖分類號(hào):TN98

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A