1 引言(yan)

       射頻(pin)識(shi)別(RFID)是利用(yong)射頻(pin)頻(pin)段實現非(fei)接觸雙向通信(xin)進行識(shi)別和交換數據(ju)(ju)的(de)一種自(zi)動識(shi)別技術。根據(ju)(ju)射頻(pin)卡的(de)數據(ju)(ju)調制方式(shi)可分為(wei)主(zhu)動式(shi)和被動式(shi)2種。主(zhu)動式(shi)RFID系(xi)統(tong)由于其信(xin)息(xi)實時(shi)(shi)性(xing)強、數據(ju)(ju)容(rong)量(liang)大、讀寫速度快、可遠程讀取等(deng)優點適用(yong)于供應鏈管理(li)、軍事物流(liu)、實時(shi)(shi)定位系(xi)統(tong)等(deng)領域(yu)。

  ;     過(guo)去(qu)由于主(zhu)動式射(she)頻卡(ka)體(ti)積和功(gong)耗較大、電池壽命有(you)限等因素，嚴重(zhong)限制了主(zhu)動式RFID系統(tong)的(de)應(ying)用和普及(ji)。近年(nian)來，得益于微型(xing)集成電路技術和微機械(xie)加工制造技術的(de)進步，微型(xing)智能射(she)頻卡(ka)得到了發(fa)展，在低功(gong)耗IC技術方(fang)面的(de)突破，為發(fa)展小型(xing)、低功(gong)耗主(zhu)動射(she)頻卡(ka)創造了條件。

       本文以(yi)新型射頻芯(xin)片nRF905為例，設計(ji)了一個(ge)工作(zuo)在微波頻段(duan)的主動式射頻識(shi)別系統，給出了系統中關鍵的通信模塊(kuai)設計(ji)方(fang)案(an)。

       2 RFID系統(tong)概述

       基本的(de)RFID系統包括(kuo)閱(yue)讀(du)器(qi)和射(she)(she)頻卡(應答器(qi))2部分。閱(yue)讀(du)器(qi)可以(yi)是只讀(du)或讀(du)寫裝置，通常包含(han)射(she)(she)頻模塊(發(fa)射(she)(she)和接收)、控制單元(yuan)及與射(she)(she)頻卡耦(ou)合的(de)元(yuan)件(電(dian)感(gan)線圈或天(tian)線等)，此外還應有連接上位機的(de)通信接口以(yi)便將所獲得的(de)數據傳給上位機。

       射(she)頻(pin)卡放置在(zai)待識別的物體上，他(ta)是RFID系統(tong)真正的a數據(ju)載體。射(she)頻(pin)卡通常(chang)由耦(ou)合元件和微(wei)電子芯(xin)片組(zu)成。其(qi)結(jie)構框圖如圖1所示。

圖(tu)1 主動式可讀寫RFID系統(tong)示意圖(tu)

      ; RFID系(xi)(xi)統(tong)根據工作(zuo)頻(pin)率的不同(tong)分為低頻(pin)、中頻(pin)和微(wei)波(bo)系(xi)(xi)統(tong)，微(wei)波(bo)系(xi)(xi)統(tong)工作(zuo)頻(pin)率主(zhu)要有433MHz，869MHz，915MHz，2145GHz 和518GHz等。微(wei)波(bo)RFID系(xi)(xi)統(tong)為電磁耦合系(xi)(xi)統(tong)，適用于識別距離遠，讀(du)寫速率高的場合。

       此外，根據射(she)頻(pin)(pin)(pin)卡(ka)的數(shu)據調(diao)(diao)制方(fang)式還可(ke)分為主動式和被(bei)動式 RFID系統。一般無源系統為被(bei)動式，有(you)源系統采用主動式，即射(she)頻(pin)(pin)(pin)卡(ka)用自(zi)身的射(she)頻(pin)(pin)(pin)能量主動發(fa)送數(shu)據給閱讀器(qi)，調(diao)(diao)制方(fang)式可(ke)為調(diao)(diao)幅、調(diao)(diao)頻(pin)(pin)(pin)或調(diao)(diao)相。

       被動(dong)式系統(tong)中射(she)(she)頻卡(ka)采用調(diao)制反向散射(she)(she)方式發射(she)(she)數據，讀寫器的能(neng)量必須來回穿(chuan)過障礙物(wu)2次(ci)，因(yin)此要求(qiu)閱讀器有較大(da)的發射(she)(she)功率。主(zhu)動(dong)式RFID系統(tong)，射(she)(she)頻卡(ka)采用電池供電，工(gong)作可靠性高(gao)，作用距(ju)離(li)更遠(yuan)。

       3 主動式RFID系統設計

  &nb[FS:PAGE]sp;    射頻芯片應用(yong)于(yu)RFID系(xi)(xi)統(tong)設計可以(yi)實現RFID產品的(de)小型化(hua)、模塊(kuai)化(hua)和智(zhi)能化(hua)。使得RFID系(xi)(xi)統(tong)成本更低(di)，作用(yong)距離更遠，可擴展性更好(hao)，極大地促(cu)進了RFID系(xi)(xi)統(tong)(特別是(shi)主動式RFID系(xi)(xi)統(tong))的(de)發(fa)展和應用(yong)。

   ;    下面是以無線射頻芯片nRF905為例的主動式RFID系統設計(ji)。

  ;     3.1 無線(xian)收發芯片nRF905簡(jian)介

       nRF905是NordicVLSI公司(si)推出的高(gao)性能單片(pian)無(wu)線收(shou)發芯片(pian)，工作在ISM(工業、科學、醫(yi)療)頻段(duan)433MHz/868MHz /915MHz三(san)個頻道(dao)。

       119～316V低(di)工作電壓，集成了(le)頻率合成、射(she)頻發射(she)接收(shou)、調制解調、多頻道切換(huan)等功能；

       采用抗干擾能力強的GFSK調(diao)制解調(diao)技術，傳輸速率達100kb/s，天(tian)線接口為(wei)差分形式易于連接低成本的PCB環(huan)形天(tian)線或單端天(tian)線；

       nRF905采(cai)用32腳QFN 裝(5×5mm)體(ti)積小巧，外圍元(yuan)件少(shao)；

       工作頻率穩定可靠，功耗極低；

       曼(man)徹斯特(te)編解碼由片內硬(ying)件完(wan)成；

       內(nei)建待(dai)機和掉電模式；

       通過(guo)SPI(串行外設接(jie)口)與微控制器通信；

       特別(bie)適合(he)低(di)(di)成本、低(di)(di)功(gong)耗(hao)但同時性能和集成度要求高的應用場(chang)合(he)。

       如表1所示，nRF905有2種(zhong)工作模(mo)式和2種(zhong)節能模(mo)式，由(you)PWRUP，TRXCE，TXEN三個引腳控制(zhi)(zhi)。由(you)于采用先進的 ShockBurst技術，使得數據能夠(gou)在(zai)微(wei)控制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)中(zhong)低速處理，在(zai)nRF905中(zhong)高速發送，中(zhong)間有很(hen)長的空(kong)閑(xian)時(shi)間，因此(ci)能夠(gou)節約存儲器(qi)(qi)和微(wei)控制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)資源，減少編程時(shi)間。

       nRF905通過SPI接(jie)口進行配(pei)置(zhi)，共有(you)5個(ge)內部配(pei)置(zhi)寄(ji)(ji)存器。其(qi)中(zhong)，狀態寄(ji)(ji)存器包(bao)(bao)(bao)含(han)數(shu)(shu)(shu)據就緒(xu)(DR引腳)和地(di)址(zhi)匹配(pei)(AM引腳)信(xin)(xin)(xin)息(xi)，射頻(pin)配(pei)置(zhi)寄(ji)(ji)存器包(bao)(bao)(bao)含(han)工(gong)作(zuo)(zuo)頻(pin)率(lv)(lv)和輸出功(gong)率(lv)(lv)等信(xin)(xin)(xin)息(xi)，發(fa)送(song)地(di)址(zhi)寄(ji)(ji)存器包(bao)(bao)(bao)含(han)發(fa)送(song)目標地(di)址(zhi)和數(shu)(shu)(shu)據字(zi)節長度信(xin)(xin)(xin)息(xi)，有(you)效(xiao)發(fa)送(song)數(shu)(shu)(shu)據寄(ji)(ji)存器包(bao)(bao)(bao)含(han)待發(fa)送(song)的有(you)效(xiao)ShockBurst數(shu)(shu)(shu)據包(bao)(bao)(bao)信(xin)(xin)(xin)息(xi)，有(you)效(xiao)接(jie)收數(shu)(shu)(shu)據寄(ji)(ji)存器包(bao)(bao)(bao)含(han)接(jie)收到的有(you)效(xiao)ShockBurst數(shu)(shu)(shu)據包(bao)(bao)(bao)信(xin)(xin)(xin)息(xi)。掉電(dian)模(mo)式下nRF905的工(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)流僅為(wei)215μA且寄(ji)(ji)存器內容不(bu)變。

       值得(de)注(zhu)意的(de)是，只有在待機或掉電(dian)模式才(cai)能激活(huo)nRF9[FS:PAGE]05的(de)SPI接口與MCU通信，這點在設計通信協(xie)議時應(ying)充分考(kao)慮到。

       3.2 主動式RFID系(xi)統硬件設計

       以往的(de)射頻(pin)識別系統硬件設計通常基(ji)于(yu)(yu)分(fen)立(li)元件，設計工作(zuo)量大、硬件集成(cheng)度低(di)、成(cheng)本高、開發周期長。而現有的(de)基(ji)于(yu)(yu)復雜(za)可(ke)編程邏輯器(qi)件(CPLD) 或數(shu)字信號處理(DSP)芯片的(de)設計通常需要完成(cheng)復雜(za)的(de)通信模(mo)塊軟件設計，成(cheng)本也相對較(jiao)高。

       而(er)本文應用nRF905設(she)計(ji)的主動式RFID系(xi)統，充分發(fa)揮了射(she)頻芯片(pian)高集成度、低(di)功(gong)耗(hao)、工作頻率穩定、無需曼徹斯特編解碼及(ji)通信協議設(she)計(ji)簡潔等優(you)點;大大降(jiang)低(di)了設(she)計(ji)成本，縮短了開發(fa)周期，并且(qie)硬件更(geng)加易于調試可擴展性好。RFID系(xi)統的硬件設(she)計(ji)框(kuang)圖(tu)如圖(tu)2所示。

圖2 采用nRF905的(de)主(zhu)動式RFID系統硬件(jian)設計框(kuang)圖

       系統(tong)電路(lu)(lu)硬件(jian)(jian)主要(yao)分為射(she)(she)頻接口和控制系統(tong)2大部分。本(ben)設(she)計中射(she)(she)頻接口即為nRF905射(she)(she)頻模塊(kuai)(包含(han)外圍元(yuan)件(jian)(jian)及(ji)PCB環形天線)，控制電路(lu)(lu)基于51系列微控制器(qi)搭建。

       微(wei)控(kong)(kong)制器(qi)(qi)通(tong)過SPI接口控(kong)(kong)制nRF905，其(qi)中微(wei)控(kong)(kong)制器(qi)(qi)(MCU)采用Atmel公司生(sheng)產的(de)低電壓、高性能COMS8位(wei)單(dan)片機(ji)AT89C2051，該微(wei)控(kong)(kong)制器(qi)(qi)兼容(rong)標(biao)準(zhun)MCS51指(zhi)令系統，內含128B的(de)隨(sui)機(ji)存(cun)(cun)取數據存(cun)(cun)儲器(qi)(qi)RAM和2kB的(de)可(ke)反復擦寫(xie)FLASH只(zhi)讀程序存(cun)(cun)儲器(qi)(qi)，可(ke)以將驅動及控(kong)(kong)制nRF905的(de)程序寫(xie)入(ru)該閃存(cun)(cun)，無需外接EPROM而(er)簡化了(le)電路(lu)設計降(jiang)低了(le)系統功耗。

       本設計采用為(wei)MAX6821作為(wei)監控電路對MCU進行上電復(fu)位(wei)，比傳統阻容復(fu)位(wei)更加可(ke)靠，該芯片還集成了看門(men)狗定時(shi)器，可(ke)有效避(bi)免程序跑飛(fei)。

圖3 系統的部分(fen)核心(xin)電路原理圖

       圖3給(gei)出了核心部分(fen)的(de)電(dian)(dian)路原理(li)圖，給(gei)出了AT89C2051與nRF905的(de)電(dian)(dian)路連接及外圍元件和PCB環形天線(xian)。圖中D1是(shi)(shi)MAX232電(dian)(dian)平轉換芯片，U1是(shi)(shi)MaximIntegratedProducts公司生產(chan)的(de)MAX6821，低(di)電(dian)(dian)壓、SOT23 裝、微處理(li)器(qi)監視器(qi)，帶有(you)手動復位及看門狗定時(shi)器(qi)，能監控(kong)從+118～+510V的(de)系統電(dian)(dian)壓，有(you)9個工廠(chang)預(yu)設的(de)門限可供(gong)使(shi)用。當(dang)電(dian)(dian)源電(dian)(dian)壓下(xia)降到(dao)復位門限以(yi)下(xia)時(shi)，復位輸出產(chan)生并保持至少140ms。

       4 通(tong)信協(xie)議設計

       數(shu)(shu)據通信(xin)的(de)雙(shuang)方必須(xu)遵守相(xiang)互(hu)約定的(de)通信(xin)協議才能實現安全、可靠(kao)、有效(xiao)的(de)數(shu)(shu)據通信(xin)。

       本RFID系[FS:PAGE]統中(zhong)，通(tong)信(xin)協議設計是系統設計的一個至關重要的部分(fen)。閱(yue)讀器與上位機采用RS232串口通(tong)信(xin)，工作(zuo)在異步方式(shi)，傳(chuan)輸速率9600b/s。

       射頻(pin)(pin)卡與(yu)閱(yue)讀器(qi)的非(fei)接觸數據交換構成一個(ge)無(wu)(wu)線(xian)數據通信系統，數據通過nRF905在閱(yue)讀器(qi)和射頻(pin)(pin)卡之間無(wu)(wu)線(xian)傳輸。

       本文設計了以nRF905作(zuo)為射(she)頻接口的主動式RFID系統的通信協議(yi)，可以將基本控(kong)制，通信等功能(neng)(neng)(neng)函(han)數編程(cheng)寫入控(kong)制系統，通過調用函(han)數功能(neng)(neng)(neng)模塊以完(wan)成特(te)定(ding)的功能(neng)(neng)(neng)，如物(wu)流跟蹤、自動收費(fei)等。

       4.1 數據幀格式

       為減少無線通信中(zhong)的(de)(de)相互干擾(rao)，提高通信效率，待(dai)傳輸的(de)(de)數據必須(xu)(xu)先打包成數據幀。數據幀的(de)(de)長(chang)度必須(xu)(xu)合適，太長(chang)則易被干擾(rao)，太短會導致通信效率低(di)。

       本文設計了表2所示的(de)數據幀(zhen)格式，其(qi)中(zhong)前導碼(ma)為nRF905自動產生，用來進行接(jie)收(shou)和發射(she)數據同步；地(di)址(2B)是(shi)發送的(de)目的(de)地(di)址，要(yao)求在(zai)本RFID系(xi)統內(nei)無重(zhong)復；數據長度(1B)用來指明有(you)效數據的(de)長度，有(you)效數據(4B)；校驗字(zi)為8位的(de)CRC校驗，由nRF905中(zhong)硬件電路產生。

       4.2 數據通信流程

       nRF905作為閱讀器與射頻卡的通信接口，采用半雙工方式通信，在發射和接收模式間切換需要等待550μs的穩定時間。RFID系統中無線通信的軟件流程如圖4所示。

圖4 閱讀器與射頻卡通信(xin)流程

       數(shu)據通(tong)信采(cai)用(yong)傳輸前偵聽(ting)的(de)“載波檢測協議(yi)”，即接收數(shu)據前先檢測載波信息(xi)(nRF905的(de)CD引腳(jiao)(jiao))和地址匹配信息(xi)(AM引腳(jiao)(jiao))。只(zhi)有當(dang)載波存在且發送地址正確(高電(dian)平)時，才接收數(shu)據包；發送數(shu)據前，也(ye)要先轉到(dao)接收模(mo)式偵聽(ting)CD引腳(jiao)(jiao)為低電(dian)平(要傳輸的(de)頻率通(tong)道未被(bei)占用(yong))，方轉入發射模(mo)式發送數(shu)據；使(shi)用(yong)此協議(yi)可以實現簡單有效的(de)防(fang)碰(peng)撞。

       此外還可以根據(ju)需(xu)要對(dui)MCU編程實現更為復(fu)雜的(de)防碰撞或(huo)加密解(jie)密算(suan)法。nRF905開始總是工作在待機狀態，通(tong)過(guo)SPI 接口接收(shou)到(dao)控制系(xi)統(tong)的(de)命令后選(xuan)擇進入發射或(huo)接收(shou)數據(ju)的(de)模(mo)式(shi)(shi)，在閱讀(du)器與射頻卡之間進行無線(xian)通(tong)信，接收(shou)或(huo)發射完有(you)效的(de)數據(ju)包后數據(ju)就緒引腳(jiao)DR被置高，MCU檢測到(dao)DR為高，即將(jiang)nRF905轉入低(di)功耗的(de)待機模(mo)式(shi)(shi)。此時MCU還可通(tong)過(guo)SPI口讀(du)出nRF905接收(shou)到(dao)的(de)有(you)效數據(ju)。

       5 結語

 &nbs[FS:PAGE]p;     本文以nRF905芯片作為射(she)頻(pin)接口，設計了一種工(gong)作在微(wei)波頻(pin)段的新型主動式射(she)頻(pin)識別系統，并給(gei)出了其通信模塊(kuai)實現方案。

       這種新型的基于射頻芯片的主動式RFID系統信息實時性好、數據容量大、作用距離遠，并具有集成度高、易于調試、低功耗、低成本和易擴展等特點，可以廣泛應用于對數據實時性要求高及數據需反復讀寫的場合。