基于nRF2401的牲畜信息讀寫器的研究
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2 讀寫器的基本組成
RFID讀寫器一般由控制單元、射頻單元、通信接口、人機界面、存儲器及電源電路等部分組成。其中控制單元、射頻單元和通信接口是讀寫器的基本組成部分，下面分別介紹它們。
2．1 單片機ATmega128
控制單元是讀寫器的重要組成部分，它負責協(xié)調該系統(tǒng)各個單元模塊的工作以及提供一些通信接口。這里選用Atmel公司的ATmega128作為讀寫器的控制單元，ATmega128是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS的8位單片機。它具有豐富的外圍接口，128 KB的FLASH程序儲存器，4 KB的E2PROM，4 KB的SRAM，53個可編程的I／O口線，內外中斷源，可編程的USART，可編程的看門狗定時器，SPI口等。它具備的USART，SPI，IIC口以及較高的工作頻率很好地滿足了本設計的需求，另外它豐富的引腳為系統(tǒng)的擴展提供了條件。
2．2 射頻模塊
2．2．1 射頻芯片接口
射頻模塊是讀寫器的核心組成部分，它的工作頻率以及編碼、通信協(xié)議等決定了它的性能。為了設計出一種讀寫距離遠并保證通信可靠的讀寫器，選用工作頻率較高的nRF2401芯片。它是挪威Nordic公司生產的單片射頻收發(fā)芯片，工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，并且它的輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。
該射頻芯片主要用來通過天線與電子標簽進行信息交互，單片機主要通過控制它的CS，CE，DR1，PWR_UP，CLK1，DATA等幾個引腳來操作它。芯片的外圍元件及引腳連接方式電路原理如圖3所示。
2．2．2 射頻芯片編程
使用nRF2401收發(fā)數據要先配置它，本設計中將芯片配置成ShockBurstTM收發(fā)模式，在這種模式下系統(tǒng)的程序編寫會更加簡單，且系統(tǒng)穩(wěn)定性也會更高。配置過程如下：設置CS為高電平，CE為低電平使芯片進入配置模式，延時5μs以上，單片機將配置數據通過I／O引腳寫進nRF2401，再置CS引腳為低電平即可完成nRF2401的配置。配置芯片為TX模式時，將nRF2401的CE引腳置為高電平，延時5μs以上后，將要發(fā)送的數據寫入nRF2401的發(fā)送數據緩存中，再將nRF2401的CE引腳置為低電平就可以將要發(fā)送的數據通過天線發(fā)射出去。
接收數據的過程與發(fā)送數據的過程類似，配置nRF2401為RX模式。然后置CE引腳為高電平經過200μs延時后芯片進入接收狀態(tài)，當檢測到DR1引腳變?yōu)楦唠娖綍r，表明nRF2401的FIFO緩沖區(qū)已收到數據，單片機執(zhí)行讀數據子程序將nRF2401中的數據全部讀出，當全部數據讀完后DR1引腳變?yōu)榈碗娖?，此時可利用DR1引腳的狀態(tài)變換跳轉去執(zhí)行其他處理程序。
2．3 通信接口設計
2．3．1 串口電路設計
在本設計中，讀寫器與PC機的通信通過RS 232串行接口，但單片機I／O管腳的電平是TTL電平與PC機不能直接進行通信，需要通過芯片進行電平轉換才能通信，本設計中選用MAX232E來完成電平轉換，T1IN和R1OUT與單片機串行發(fā)送口和串行接收口相連，T1OUT和R1IN通過DB9連接器連到PC機COM口的RXD和TXD端口，電路連接方式如電路原理圖3所示。
2．3．2 串口編程
單片機與PC機通過握手信號連通后，在PC機發(fā)送的控制狀態(tài)信號的作用下，單片機通過USART發(fā)送、接收數據與PC機的串口通信。本設計中USART工作在異步收發(fā)模式下，操作過程如下，首先初始化USART，然后將要發(fā)送的數據放在數據寄存器中，配置控制寄存器相關位使數據通過引腳能夠發(fā)送出去；接收數據的情況類似，初始化控制寄存器后，使能接收控制寄存器的相應控制位，然后去數據寄存器中讀取數據。
2．4 系統(tǒng)基本組成原理圖
系統(tǒng)基本組成原理圖如圖3所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/155863.htm
3 讀寫器系統(tǒng)的擴展
以上介紹的是讀寫器的基本組成，為了設計一個方便完整的讀寫器還要加上人機界面，存儲器，電源電路等。人機界面提供讀／寫過程中需要人干預的接口，可選用獨立式鍵盤和LCD12864來實現；存儲電路用于暫存讀寫器讀到的數據或者將要寫到電子標簽中的數據暫存到讀寫器中，再由讀寫器發(fā)給電子標簽，可選用AT24C08芯片來實現，它是一種I2C接口的器件。電源電路為整個讀寫器的各個芯片提供電源，可以選用各種穩(wěn)壓模塊通過變換來獲得所需電源。
4 結語
實現設計的過程中，電磁干擾問題很突出。將讀寫器的PCB設計成雙層板，底層作為地層不放置元件，頂層的空地方敷上銅，并將敷銅通過過孔與底層的地相連，可大大降低電磁干擾。整個系統(tǒng)做了抗電磁干擾處理后，工作在微波頻段的本讀寫器能夠在遠距離、動物快速移動的狀態(tài)下具備非常高的可靠性。
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