基于nRF2401的有源RFID手持式讀寫器的設(shè)計(jì)

引言

本文設(shè)計(jì)了一款有源RFID便攜式讀寫器。本讀寫器工作在2.4GHz～2.5GHz的頻率范圍內(nèi)，其特點(diǎn)是讀寫距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸量大、存儲能力強(qiáng)，主要應(yīng)用于大型的貨物儲倉中，能快速準(zhǔn)確地對成千上萬的貨物進(jìn)行清算，或應(yīng)用于大型車庫中，對繁忙的車輛出入進(jìn)行快速有效地記錄與管理。

基于nRF2401的讀寫器設(shè)計(jì)

RFID系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

RFID系統(tǒng)主要包括射頻讀寫器和射頻識別標(biāo)簽(應(yīng)答器)兩部分。射頻識別標(biāo)簽是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體。通常，射頻識別標(biāo)簽由耦合元件和微電子器件構(gòu)成，可分為有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽兩種類型。讀寫器可以發(fā)送射頻信號到電子標(biāo)簽，并接收電子標(biāo)簽返回的射頻信號，從而獲取標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息。不論是讀寫器還是應(yīng)答器，它們都有一個重要的構(gòu)成部分，即微型天線。微型天線可使讀寫器和應(yīng)答器之間進(jìn)行有效的信號和能量傳輸。 如圖1所示，射頻應(yīng)答器和射頻讀寫器的組成均包括微型天線、射頻信號收發(fā)器、數(shù)據(jù)處理器和存儲器。除此之外，讀寫器還包括存儲器的讀寫控制、與計(jì)算機(jī)的通信、顯示器控制等。

 

本讀寫器采用nRF2401作為射頻信號的收發(fā)器，W77E58作為總控制器，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，選用非易失性的K9F5608作為存儲器。同時選用了時鐘芯片DS1302、串行口顯示器FYD12864和RS-232驅(qū)動／接收器MAX233。

系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)中各元件與單片機(jī)之間的連接如圖2所示。

 

本系統(tǒng)的主控芯片W77E58指令執(zhí)行速度快、讀寫速度快、功能龐大且設(shè)計(jì)方便。首先，根據(jù)鍵盤鍵人的指令，通過W77E58的控制，nRF2401向?qū)?yīng)編號的電子標(biāo)簽進(jìn)行查詢，再將查詢結(jié)果存入K9F5608中，同時將DS1302即時產(chǎn)生的時刻信息，也就是查詢時刻信息存入K9F5608中，由FYD12864顯示整個查詢過程。系統(tǒng)可通過MAX233與計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與下載。

nRF2401功能強(qiáng)大且使用簡便，只需利用SPI接口的3條信號線：DATA、CLK1、CS便可對其進(jìn)行配置。4種不同工作模式的控制也只需使用PWR_UP、CE、CS三個引腳。其工作模式為：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)斷模式。 為了降低功耗，系統(tǒng)平時處于空閑模式，通過W77E58外部中斷0來監(jiān)測鍵盤的中斷信號，一旦檢測到有鍵盤鍵入，W77E58便進(jìn)入正常工作模式，并接收與判別來自鍵盤的指令數(shù)據(jù)，若判別出數(shù)據(jù)為電子標(biāo)簽搜索指令，W77E58便通過輸出高電平到nRF2401的PWR_UP引腳激活nRF2401，通過設(shè)置CE與CS來選擇nRF2401的工作模式。

W77E58通過其增強(qiáng)型全雙工串口SCON1的RXD1、TXD1將數(shù)據(jù)傳輸給nRF2401。nRF2401對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制并向外發(fā)送后，立即進(jìn)入接收模式，若在指定時間內(nèi)無響應(yīng)，則重復(fù)發(fā)送再轉(zhuǎn)入接收模式，若指定發(fā)送次數(shù)內(nèi)仍無響應(yīng)，則判定搜索范圍內(nèi)無有效標(biāo)簽。DS1302提供搜索時刻信息，它和搜索結(jié)果一起存入K9F5608,，

若nRF2401接收到來自電子標(biāo)簽的應(yīng)答信號，便自動進(jìn)行接收與檢測，然后將數(shù)據(jù)解調(diào)后傳輸給W77E58。同理，W77E58將數(shù)據(jù)和搜索時刻信息存儲到外存儲器中。

另外，通過W77E58的另一組串口SCON的RXD、TXD，以及MAX233可進(jìn)行本系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

K9F5608提供了32MB的數(shù)據(jù)存儲空間，其存儲量大、讀寫速度快、性能穩(wěn)定。K9F5608有一組功能強(qiáng)大的復(fù)用8位I／O口，既可作為指令的輸入口使用，也可作為數(shù)據(jù)和地址的輸入／輸出口使用，因此，只需占用W77E58的一組8位I／O口。K91F5608的使用非常方便，其片上寫控制系統(tǒng)可使所有的編程和擦除功能自動完成。

系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。系統(tǒng)開啟后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括對W77E58各內(nèi)部資源的初始化，如：定時／計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行口、存儲器等；以及nRF2401初始狀態(tài)的配置等。然后，系統(tǒng)進(jìn)入空閑模式，等待鍵盤按鍵產(chǎn)生的外部中斷輸入信號，由鍵盤的中斷信號激勵系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)；隨后將鍵盤鍵人的RFID編號作為請求信號發(fā)送出去，并檢測是否有應(yīng)答信號，同時將結(jié)果顯示在LCD顯示器上。系統(tǒng)可將接收到的數(shù)據(jù)和時間保存到K9F5608記錄存儲器中，或通過串行口傳到PC。

 

結(jié)語

本文主要簡述了基于nRF2401射頻收發(fā)芯片的便攜式RFID讀寫器的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)具有體積小、傳輸速度快、性能穩(wěn)定、功耗低等特點(diǎn)。