UHF頻段無源RFID讀寫器系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

射頻識別技術(shù)

RFID技術(shù)是利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。它可實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動目標(biāo)的快速識別和多目標(biāo)識別，識 別的距離可達(dá)幾十厘米至幾十米；根據(jù)讀寫的方式，可以輸入數(shù)千字節(jié)的自定義信息到電子標(biāo)簽，間接管理附帶有電子標(biāo)簽的產(chǎn)品的信息；RFID技術(shù)具有非接觸 性，識別工作無須人工干預(yù)，具有極高的保密性；RFID電子標(biāo)簽不同于磁卡或IC卡，無暴露的觸點(diǎn)，且不易損壞，使用壽命長，可工作于各種惡劣環(huán)境。

基于以上特點(diǎn)，RFID技術(shù)在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用，主要有商品防偽、交通運(yùn)輸、自動控制、工業(yè)生產(chǎn)、身份識別、倉庫管理、安全管理、醫(yī)療、衛(wèi)生、畜牧業(yè)管理、圖書檔案管理和國防軍事等諸多應(yīng)用領(lǐng)域。

射頻識別系統(tǒng)一般由讀寫器、電子標(biāo)簽、天線和主機(jī)四部分組成，如圖1所示。

圖1 無源RFID系統(tǒng)框圖

射頻識別系統(tǒng)的工作流程并不復(fù)雜：主機(jī)通過與讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸通道發(fā)送用戶命令；讀寫器接收命令，對信號進(jìn)行編碼和調(diào)制后，通過發(fā)射天線在一定的區(qū)域內(nèi)發(fā) 送出去；標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收到讀寫器發(fā)出的射頻信號，感應(yīng)電流獲得能量，完成數(shù)據(jù)的存儲、發(fā)送或其他操作：讀寫器通過接收天線接收到電子標(biāo)簽返回的數(shù) 據(jù)，進(jìn)行解碼和解調(diào)，必要時將處理后的數(shù)據(jù)送至主機(jī)；主機(jī)接收到讀寫器送回的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)的處理。

總體設(shè)計(jì)方案

為設(shè)計(jì)出能穩(wěn)定工作在UHF頻段的無源RFID讀寫器，并盡可能提高其讀寫距離，使該無源RFID讀寫模塊能夠跟建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)很好地融合，實(shí)現(xiàn)對建筑設(shè)備內(nèi)的人員檢測、定位，給建筑用電設(shè)備節(jié)能提供人員信息。方案對射頻識別系統(tǒng)的開發(fā)流程進(jìn)行了細(xì)化。

該方案按照模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，方便開發(fā)、管理、系統(tǒng)升級和維護(hù)?？傮w來說，無源RFID讀寫器主要由三大部分構(gòu)成：射頻收發(fā)模塊、MCU主控模塊和外圍電路。射頻收發(fā)模塊處理讀寫器與電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)通信。該模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)出一款通用的應(yīng)用于915MHz的射頻收發(fā)模塊，與控制部分通過自定義的I／O接口和函數(shù)聯(lián)系。外圍電路中，根據(jù)設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用的需要，又細(xì)分為：MCU控制模塊、無源RFID射頻模塊、復(fù)位電路模塊、電源管理模塊、RS232接口、擴(kuò)展I／O口等。

UHF頻段無源RFID讀寫器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖2 UFH頻段無源RFID讀寫器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在整個讀寫器系統(tǒng)中，RFID射頻收發(fā)模塊的功能是接收上位機(jī)的命令，根據(jù)命令對信息進(jìn)行編碼和調(diào)制，通過天線發(fā)送出去以控制電子標(biāo)簽進(jìn)行相關(guān)的讀寫操 作，并接收來自電子標(biāo)簽的信號，對該信號進(jìn)行解調(diào)和解碼，確定是佩戴該電子標(biāo)簽的人員信息。在選擇射頻芯片時，主要參考以下指標(biāo)：

芯片發(fā)射功率發(fā)射功率決定了射頻芯片的信號覆蓋范圍，發(fā)射功率越高，信號覆蓋范圍也越廣，因此，在同等條件下為保證有效通信，應(yīng)該選擇發(fā)射功率較高、功率調(diào)節(jié)范圍更大的產(chǎn)品。芯片抗干擾能力無線通信易受干擾，因此，為保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，應(yīng)該選擇抗干擾能力強(qiáng)的芯片。芯片功耗在保證數(shù)據(jù)有效通信的前提下，應(yīng)該選用芯片功耗較小的產(chǎn)品。芯片外圍元器件數(shù)目芯片外圍元器件數(shù)目一方面影響產(chǎn)品成本，一方面對元器件的焊接和調(diào)試有影響，因此應(yīng)該選用外圍元器件較少的芯片。

使用方便性應(yīng)該選用使用和編程都方便的芯片，降低產(chǎn)品開發(fā)的難度和周期。

根據(jù)以上指標(biāo)原則，同時根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，如價格、性能參數(shù)等多方面的考慮，nRF905在擴(kuò)展功能、外圍元器件和使用方便性等方面有較好的優(yōu)勢，因此，方案采用nRF905作為本設(shè)計(jì)射頻收發(fā)模塊采用的主芯片。

nRF905單片無線收發(fā)器工作在433／868／915 MHz的ISM頻段，由一個完全集成的頻率調(diào)制器、一個帶解調(diào)器的接收器、一個功率放大器、一個晶體振蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成；可由片內(nèi)硬件自動完成曼徹斯 特編碼／解碼，不用用戶編寫編碼／解碼程序；具有SPI接口，可以很容易通過該接口與具有SPI接口的微控制器通訊，編程配置非常方便；電流消耗很低。

該設(shè)計(jì)采用宏晶科技的STC12C5A60S2單片機(jī)，STC12C5A60S2單片機(jī)具有以下幾個特點(diǎn)：STC12C5A60S2單片機(jī)與MCS-51 系列的單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容；片內(nèi)有8k字節(jié)在線可重復(fù)編程快擦寫程序存儲器；全靜態(tài)工作,工作范圍:0Hz～24MHz；三級程序存儲器加 密；512字節(jié)內(nèi)部RAM；32位雙向輸入輸出線；兩個十六位定時器/計(jì)數(shù)器；五個中斷源,兩級中斷優(yōu)先級；一個全雙工的異步串行口；間歇和掉電兩種工作 方式。采用該款單片機(jī)足以滿足本設(shè)計(jì)方案的需要。

射頻收發(fā)模塊NRF905通過TRX_CE、PWR_UP、CD、AM、DR、MISO、MOSI、SCK、CSN、TX_EN等控制引腳以及數(shù)據(jù)和始終 引腳分別與單片機(jī)的P1.0～P1.7以及P2.0、P2.1等一腳相連，實(shí)現(xiàn)對NRF905的控制。硬件電路如圖4所示。

控制部分模塊給出了STC12C5A60S2單片機(jī)的外圍電路，如圖5所示。T擴(kuò)展部分引出了部分I/O以便以后擴(kuò)展應(yīng)用以及通過串口和上位機(jī)通信。該部分硬件電路如圖6所示。NRF905工作電源硬件是用來產(chǎn)生一個3.3V電源給NRF905射頻芯片供電。其硬件電路如圖7所示。

該方案針對UHF射頻模塊進(jìn)行了深入的研究和設(shè)計(jì)開發(fā)，主要設(shè)計(jì)了NRF905射頻模塊硬件電路、RFID主控制模塊硬件電路以及其他輔助、擴(kuò)展部分的硬件電路。在設(shè)計(jì)開發(fā)的過程中順利完成了射頻模塊部分的資料收集和設(shè)計(jì)工作，取得了一定的成果。

圖3 NRF905射頻收發(fā)模塊硬件電路

圖4 STC12C5A60S2單片機(jī)的外圍電路

圖5 擴(kuò)展部分硬件電路

圖6 NRF905電源電路