主動(dòng)式微波RFID系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

　　1　引　言

　　射頻識(shí)別(RFID)是利用射頻頻段實(shí)現(xiàn)非接觸雙向通信進(jìn)行識(shí)別和交換數(shù)據(jù)的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。根據(jù)射頻卡的數(shù)據(jù)調(diào)制方式可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式2種。主動(dòng)式RFID系統(tǒng)由于其信息實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)容量大、讀寫(xiě)速度快、可遠(yuǎn)程讀取等優(yōu)點(diǎn)適用于供應(yīng)鏈管理、軍事物流、實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)等領(lǐng)域。過(guò)去由于主動(dòng)式射頻卡體積和功耗較大、電池壽命有限等因素，嚴(yán)重限制了主動(dòng)式RFID系統(tǒng)的應(yīng)用和普及;近年來(lái)，得益于微型集成電路技術(shù)和微機(jī)械加工制造技術(shù)的進(jìn)步，微型智能射頻卡得到了發(fā)展，在低功耗IC技術(shù)方面的突破，為發(fā)展小型、低功耗主動(dòng)射頻卡創(chuàng)造了條件。

　　本文以新型射頻芯片nRF905為例，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在微波頻段的主動(dòng)式射頻識(shí)別系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)中關(guān)鍵的通信模塊設(shè)計(jì)方案。

　　2　RFID系統(tǒng)概述

　　基本的RFID系統(tǒng)包括閱讀器和射頻卡(應(yīng)答器)2部分。閱讀器可以是只讀或讀寫(xiě)裝置，通常包含射頻模塊(發(fā)射和接收)、控制單元及與射頻卡耦合的元件(電感線(xiàn)圈或天線(xiàn)等)，此外還應(yīng)有連接上位機(jī)的通信接口以便將所獲得的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。射頻卡放置在待識(shí)別的物體上，他是RFID系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。射頻卡通常由耦合元件和微電子芯片組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　主動(dòng)式可讀寫(xiě)RFID系統(tǒng)示意圖

　　RFID系統(tǒng)根據(jù)工作頻率的不同分為低頻、中頻和微波系統(tǒng)，微波系統(tǒng)工作頻率主要有433MHz，869MHz，915MHz，2145GHz 和518GHz等。微波RFID系統(tǒng)為電磁耦合系統(tǒng)，適用于識(shí)別距離遠(yuǎn)，讀寫(xiě)速率高的場(chǎng)合。此外，根據(jù)射頻卡的數(shù)據(jù)調(diào)制方式還可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式 RFID系統(tǒng)。一般無(wú)源系統(tǒng)為被動(dòng)式，有源系統(tǒng)采用主動(dòng)式，即射頻卡用自身的射頻能量主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給閱讀器，調(diào)制方式可為調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相。被動(dòng)式系統(tǒng)中射頻卡采用調(diào)制反向散射方式發(fā)射數(shù)據(jù)，讀寫(xiě)器的能量必須來(lái)回穿過(guò)障礙物2次，因此要求閱讀器有較大的發(fā)射功率。主動(dòng)式RFID系統(tǒng)，射頻卡采用電池供電，工作可靠性高，作用距離更遠(yuǎn)。

　　3　主動(dòng)式RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　射頻芯片應(yīng)用于RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)RFID產(chǎn)品的小型化、模塊化和智能化;使得RFID系統(tǒng)成本更低，作用距離更遠(yuǎn)，可擴(kuò)展性更好，極大地促進(jìn)了RFID系統(tǒng)(特別是主動(dòng)式RFID系統(tǒng))的發(fā)展和應(yīng)用。下面是以無(wú)線(xiàn)射頻芯片nRF905為例的主動(dòng)式RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　3.1　無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF905簡(jiǎn)介

　　nRF905是NordicVLSI公司推出的高性能單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，工作在ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段433MHz/868MHz /915MHz三個(gè)頻道，119～316V低工作電壓，集成了頻率合成、射頻發(fā)射接收、調(diào)制解調(diào)、多頻道切換等功能，采用抗干擾能力強(qiáng)的GFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，傳輸速率達(dá)100kb/s，天線(xiàn)接口為差分形式易于連接低成本的PCB環(huán)形天線(xiàn)或單端天線(xiàn)。

　　nRF905采用32腳QFN封裝(5×5mm)體積小巧，外圍元件少，工作頻率穩(wěn)定可靠，功耗極低，曼徹斯特編解碼由片內(nèi)硬件完成，內(nèi)建待機(jī)和掉電模式，通過(guò)SPI(串行外設(shè)接口)與微控制器通信，特別適合低成本、低功耗但同時(shí)性能和集成度要求高的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　如表1所示，nRF905有2種工作模式和2種節(jié)能模式，由PWRUP，TRXCE，TXEN三個(gè)引腳控制。由于采用先進(jìn)的 ShockBurst技術(shù)，使得數(shù)據(jù)能夠在微控制器中低速處理，在nRF905中高速發(fā)送，中間有很長(zhǎng)的空閑時(shí)間，因此能夠節(jié)約存儲(chǔ)器和微控制器資源，減少編程時(shí)間。

　　nRF905通過(guò)SPI接口進(jìn)行配置，共有5個(gè)內(nèi)部配置寄存器。其中，狀態(tài)寄存器包含數(shù)據(jù)就緒(DR引腳)和地址匹配(AM引腳)信息，射頻配置寄存器包含工作頻率和輸出功率等信息，發(fā)送地址寄存器包含發(fā)送目標(biāo)地址和數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度信息，有效發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器包含待發(fā)送的有效ShockBurst數(shù)據(jù)包信息，有效接收數(shù)據(jù)寄存器包含接收到的有效ShockBurst數(shù)據(jù)包信息。掉電模式下nRF905的工作電流僅為215μA且寄存器內(nèi)容不變。值得注意的是，只有在待機(jī)或掉電模式才能激活nRF905的SPI接口與MCU通信，這點(diǎn)在設(shè)計(jì)通信協(xié)議時(shí)應(yīng)充分考慮到。

　　3.2　主動(dòng)式RFID系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　以往的射頻識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)通?；诜至⒃?，設(shè)計(jì)工作量大、硬件集成度低、成本高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。而現(xiàn)有的基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD) 或數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片的設(shè)計(jì)通常需要完成復(fù)雜的通信模塊軟件設(shè)計(jì)，成本也相對(duì)較高[5]。而本文應(yīng)用nRF905設(shè)計(jì)的主動(dòng)式RFID系統(tǒng)，充分發(fā)揮了射頻芯片高集成度、低功耗、工作頻率穩(wěn)定、無(wú)需曼徹斯特編解碼及通信協(xié)議設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn);大大降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期，并且硬件更加易于調(diào)試可擴(kuò)展性好。RFID系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2　采用nRF905的主動(dòng)式RFID系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

　　系統(tǒng)電路硬件主要分為射頻接口和控制系統(tǒng)2大部分。本設(shè)計(jì)中射頻接口即為nRF905射頻模塊(包含外圍元件及PCB環(huán)形天線(xiàn));控制電路基于 51系列微控制器搭建。微控制器通過(guò)SPI接口控制nRF905，其中微控制器(MCU)采用Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能COMS8位單片機(jī) AT89C2051，該微控制器兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，內(nèi)含128B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和2kB的可反復(fù)擦寫(xiě)FLASH只讀程序存儲(chǔ)器，可以將驅(qū)動(dòng)及控制nRF905的程序?qū)懭朐撻W存，無(wú)需外接EPROM而簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)降低了系統(tǒng)功耗。本設(shè)計(jì)采用為MAX6821作為監(jiān)控電路對(duì)MCU進(jìn)行上電復(fù)位，比傳統(tǒng)阻容復(fù)位更加可靠，該芯片還集成了看門(mén)狗定時(shí)器，可有效避免程序跑飛。

　　圖3給出了核心部分的電路原理圖，給出了AT89C2051與nRF905的電路連接及外圍元件和PCB環(huán)形天線(xiàn)。圖中D1是MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，U1是MaximIntegratedProducts公司生產(chǎn)的MAX6821，低電壓、SOT23封裝、微處理器監(jiān)視器，帶有手動(dòng)復(fù)位及看門(mén)狗定時(shí)器，能監(jiān)控從+118～+510V的系統(tǒng)電壓，有9個(gè)工廠(chǎng)預(yù)設(shè)的門(mén)限可供使用。當(dāng)電源電壓下降到復(fù)位門(mén)限以下時(shí)，復(fù)位輸出產(chǎn)生并保持至少 140ms。

　　4　通信協(xié)議設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)通信的雙方必須遵守相互約定的通信協(xié)議才能實(shí)現(xiàn)安全、可靠、有效的數(shù)據(jù)通信。本RFID系統(tǒng)中，通信協(xié)議設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)至關(guān)重要的部分。閱讀器與上位機(jī)采用RS232串口通信，工作在異步方式，傳輸速率9600b/s。射頻卡與閱讀器的非接觸數(shù)據(jù)交換構(gòu)成一個(gè)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通過(guò)nRF905在閱讀器和射頻卡之間無(wú)線(xiàn)傳輸，本文設(shè)計(jì)了以nRF905作為射頻接口的主動(dòng)式RFID系統(tǒng)的通信協(xié)議，可以將基本控制，通信等功能函數(shù)編程寫(xiě)入控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)用函數(shù)功能模塊以完成特定的功能，如物流跟蹤、自動(dòng)收費(fèi)等。

　　4.1　數(shù)據(jù)幀格式
為減少無(wú)線(xiàn)通信中的相互干擾，提高通信效率，待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須先打包成數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度必須合適，太長(zhǎng)則易被干擾，太短會(huì)導(dǎo)致通信效率低。本文設(shè)計(jì)了表2所示的數(shù)據(jù)幀格式，其中前導(dǎo)碼為nRF905自動(dòng)產(chǎn)生，用來(lái)進(jìn)行接收和發(fā)射數(shù)據(jù)同步;地址(2B)是發(fā)送的目的地址，要求在本RFID系統(tǒng)內(nèi)無(wú)重復(fù);數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(1B)用來(lái)指明有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度;有效數(shù)據(jù)(4B);校驗(yàn)字為8位的CRC校驗(yàn)，由nRF905中硬件電路產(chǎn)生。

　　4.2　數(shù)據(jù)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(fā)射和接收模式間切換需要等待550μs的穩(wěn)定時(shí)間。RFID系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)通信的軟件流程如圖4所示。

圖4　閱讀器與射頻卡通信流程

　　數(shù)據(jù)通信采用傳輸前偵聽(tīng)的“載波檢測(cè)協(xié)議”，即接收數(shù)據(jù)前先檢測(cè)載波信息(nRF905的CD引腳)和地址匹配信息(AM引腳)只有當(dāng)載波存在且發(fā)送地址正確(高電平)時(shí)才接收數(shù)據(jù)包;發(fā)送數(shù)據(jù)前也要先轉(zhuǎn)到接收模式偵聽(tīng)CD引腳為低電平(要傳輸?shù)念l率通道未被占用)方轉(zhuǎn)入發(fā)射模式發(fā)送數(shù)據(jù);使用此協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單有效的防碰撞。此外還可以根據(jù)需要對(duì)MCU編程實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的防碰撞或加密解密算法。nRF905開(kāi)始總是工作在待機(jī)狀態(tài)，通過(guò)SPI 接口接收到控制系統(tǒng)的命令后選擇進(jìn)入發(fā)射或接收數(shù)據(jù)的模式，在閱讀器與射頻卡之間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，接收或發(fā)射完有效的數(shù)據(jù)包后數(shù)據(jù)就緒引腳DR被置高，MCU檢測(cè)到DR為高，即將nRF905轉(zhuǎn)入低功耗的待機(jī)模式。此時(shí)MCU還可通過(guò)SPI口讀出nRF905接收到的有效數(shù)據(jù)。

　　5　結(jié)　語(yǔ)

　　本文以nRF905芯片作為射頻接口，設(shè)計(jì)了一種工作在微波頻段的新型主動(dòng)式射頻識(shí)別系統(tǒng)，并給出了其通信模塊實(shí)現(xiàn)方案。這種新型的基于射頻芯片的主動(dòng)式RFID系統(tǒng)信息實(shí)時(shí)性好、數(shù)據(jù)容量大、作用距離遠(yuǎn)，并具有集成度高、易于調(diào)試、低功耗、低成本和易擴(kuò)展等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求高及數(shù)據(jù)需反復(fù)讀寫(xiě)的場(chǎng)合。