一種微波頻段有源RFID系統(tǒng)設(shè)計

1.引言

RFID(RadioFrequeneyIdentification)射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。射頻識別系統(tǒng)主要由閱讀器和電子標(biāo)簽兩部分組成，數(shù)據(jù)存儲在電子標(biāo)簽中，當(dāng)電子標(biāo)簽進入閱讀器有效作用距離內(nèi)，雙方即可按照一定的協(xié)議進行通信。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標(biāo)簽， 操作快捷方便。 短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可在這樣的環(huán)境中替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識別距離可達幾十米，如自動收費或識別車輛身份等[6]。另外，由于該技術(shù)很難被仿冒、侵入，使電子標(biāo)簽具備了極高的安全防護能力。RFID的應(yīng)用非常廣泛，目前典型應(yīng)用有動物晶片、汽車晶片防盜器、門禁管制、停車場管制、生產(chǎn)線自動化、物料管理。各國及相關(guān)國際組織都在積極推進RFID 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。目前，還未形成完善的關(guān)于RFID的國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前主要的RFID 相關(guān)規(guī)范有歐美的EPC 規(guī)范、日本的UID(UbiquitousID)規(guī)范和ISO 18000系列標(biāo)準(zhǔn)。

RFID電子標(biāo)簽種類很多，分類方式多樣。按照供電方式可分為有源和無源的電子標(biāo)簽;按照載波頻率可分為低頻(134.2kHz)、高頻(13.56MHz)、超高頻(433MHz和915MHz)，以及微波電子標(biāo)簽(2.45GHz以上)[6];RFID電子標(biāo)簽的單項技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但不管在物流業(yè)還是制造業(yè)的實際應(yīng)用中還存在大量的技術(shù)難題。如：經(jīng)濟性、信號干擾、識別率的提高、信息安全和隱私保護、標(biāo)準(zhǔn)化等問題。

基本 RFID 系統(tǒng)由 RFID 標(biāo)簽(Tag)、RFID 閱讀器(Reader)及應(yīng)用支撐軟件等幾部分組成。CC2430芯片以強大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持，得到嵌入式機構(gòu)很高的認可。同時也適用2.4 GHz頻率的設(shè)備。CC2430芯片采用O.18μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。采用7 mm×7mm QLP封裝，共有48個引腳。全部引腳可分為I/O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類[5]。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。特別適合應(yīng)用于RFID系統(tǒng)的設(shè)計。本文以TI公司的CC2430為核心，設(shè)計有源RFID標(biāo)簽。使用3。3-4。5V?？墒褂眉~扣電池供電，該芯片功耗低。所需外圍電路少，高頻元件全部集成于芯片內(nèi)其工作性能穩(wěn)定不受外界影響。非常適合于對低功耗，高性能要求的應(yīng)用環(huán)境。

2．標(biāo)簽的硬件設(shè)計

2．1 硬件電路結(jié)構(gòu)

典型的有源RFID標(biāo)簽由天線，射頻模塊，控制模塊，存儲器，喚醒電路，電池模塊等組成如圖1所示。其中射頻模塊完成調(diào)制和解調(diào)標(biāo)簽和讀寫器之間的控制信號和應(yīng)答信號?？刂破鲌?zhí)行讀寫器的指令。存儲器存儲標(biāo)簽的相關(guān)信息和單片機的控制程序。控制器對存儲器進行讀寫操作。射頻模塊包括發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分主要有調(diào)制器，功放，帶通濾波器，混頻器和本振等組成。接收部分由低噪放，帶通濾波器，解調(diào)器，檢波整形等組成。TI公司的CC2430芯片集成了所有的無線通信系統(tǒng)部分只需添加少數(shù)的外圍電路即可使之構(gòu)成無線通信模塊，這樣降低了系統(tǒng)成本和簡化了標(biāo)簽的設(shè)計。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25 mA。采用7 mm×7mm QLP封裝，共有48個腳。全部引腳可分為I／O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。特別適合應(yīng)用于RFID系統(tǒng)的設(shè)計。本標(biāo)簽設(shè)計匹配電路使輸出匹配50歐的微帶貼片天線。PCB設(shè)計中全采用表貼元件，這樣簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度和標(biāo)簽的尺寸大小。整個PCB控制在10CM*5CM內(nèi)，滿足了標(biāo)簽小型化的設(shè)計。標(biāo)簽的電路圖如圖2所示。

2．2 標(biāo)簽的低功耗設(shè)計

對于有源標(biāo)簽，由于其使用電池供電，所以標(biāo)簽的工作壽命有限這就要求標(biāo)簽要節(jié)能并且其功耗要低。從而節(jié)省電池的能量達到延長標(biāo)簽的工作壽命。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25 mA。在標(biāo)簽的設(shè)計過程中加入一定的控制程序可使得標(biāo)簽僅在讀寫器的工作范圍內(nèi)才進入工作狀態(tài)響應(yīng)讀寫器的查詢請求。從而最大程度的節(jié)省了能量。

2．3 讀寫器的設(shè)計

讀寫器要與計算機應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)連接。我們采用串行通信方式。其最大傳輸距離30米．通信速率一般低于20kbps[7]。由于大多數(shù)MCU計算機上的串行口都是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的９芯接口．而MCU的引腳一般輸入／輸出使用TTL電平，距離短傳輸質(zhì)量差．所以我們要轉(zhuǎn)換這兩種不同的電平才能正確的實現(xiàn)讀寫器與計算機的通信連接．讀寫器的電路圖如圖3所示。

3．標(biāo)簽的軟件設(shè)計

3．1 寄存器的設(shè)置

芯片射頻部分的重要參數(shù)，如：接收地址，收發(fā)頻率，無線傳輸速率，收發(fā)模式等均要在其相應(yīng)的寄存器配置字里面設(shè)置。正確的設(shè)置這些參數(shù)可以提高標(biāo)簽的工作效率和可靠性。

3．2 標(biāo)簽工作流程

標(biāo)簽在平時處于斷電狀態(tài)，當(dāng)標(biāo)簽進入讀寫器的工作區(qū)域內(nèi)。喚醒信號的能量使功率比較器輸出高電平激活觸發(fā)器使之控制電源芯片為主電路供電。這樣標(biāo)簽控制器按照防碰撞算法程序在適當(dāng)時機從存儲器讀出標(biāo)簽的信息，然后將其通過射頻模塊調(diào)制，放大通過天線發(fā)射出去。當(dāng)讀寫器正確識別標(biāo)簽后將發(fā)送該標(biāo)簽的關(guān)閉信號。標(biāo)簽收到后進行判斷，如果為本標(biāo)簽的關(guān)閉信號，則標(biāo)簽不再向讀寫器發(fā)送信息。當(dāng)標(biāo)簽離開了讀寫器的工作范圍時。觸發(fā)器控制電源開關(guān)芯片使標(biāo)簽主工作電路斷電。從而達到節(jié)能的目的。標(biāo)簽的工作流程圖如圖4所示。

3．3 計算機端軟件設(shè)計

計算機端設(shè)計的軟件界面如圖所示，它由串口設(shè)置區(qū)，通信狀態(tài)區(qū)，接收和發(fā)送區(qū)，ID 信息顯示區(qū)組成。當(dāng)標(biāo)簽收到讀寫器的請求后，發(fā)送自身的信息給讀寫器，通過天線接收讀寫器對信息進行處理相應(yīng)，然后通過串口發(fā)送給計算機。計算機在數(shù)據(jù)庫中查詢相應(yīng)的信息進行處理后。將其對應(yīng)的信息顯示在軟件界面上如圖5 所示。