基于MSC1211單片機(jī)的RFID接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了滿足現(xiàn)有和新興RFID標(biāo)準(zhǔn)的要求，設(shè)計(jì)了一種以MSC1211單片機(jī)為控制核心的高頻RFID接收系統(tǒng)。介紹了MSC1211單片機(jī)的特點(diǎn)與性能，闡述了RFID接收系統(tǒng)基帶電路的工作原理，敘述了接收器的程序設(shè)計(jì)方法并給出了程序流程圖。
關(guān)鍵詞：RFID;  MSC1211;  濾波;  放大器

1引言

    射頻識(shí)別技術(shù)RFID（Radio Frequency Identification，）是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用射頻信號(hào)及其空間耦合和傳輸特性進(jìn)行的非接觸雙向通信，數(shù)據(jù)交換不是通過(guò)電流的觸點(diǎn)接通而是通過(guò)電場(chǎng)與磁場(chǎng)，即通過(guò)無(wú)線的方式通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止或移動(dòng)物體的自動(dòng)識(shí)別。目前我國(guó)對(duì)于RFID技術(shù)的研究仍然停留在低頻RFID領(lǐng)域的初級(jí)階段，其低頻RFID接收器存在識(shí)別距離近、精度低、功耗大以及抗干擾差等缺點(diǎn)。為了適用于要求識(shí)別距離長(zhǎng)、讀寫(xiě)數(shù)據(jù)率高、抗干擾性強(qiáng)的各種場(chǎng)合，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種高性能的超高頻率射頻識(shí)別接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)可直接轉(zhuǎn)換解調(diào)800MHzZH至1.5GHz的頻率范圍，完全覆蓋了RFID閱讀器所使用的UHF頻段，并在射頻接收電路中采用了4片功耗低、高精度、強(qiáng)抗干擾性的凌特芯片，達(dá)到了簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路的目的，提高了接收系統(tǒng)的可靠性。

2接收系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

    射頻識(shí)別接收系統(tǒng)主要功能是接收和解碼電子標(biāo)簽的代碼信息并加以處理，因此接收系統(tǒng)主要由信號(hào)接收電路、放大電路、低通濾波電路與信息處理單元MSC1211四部分組成，其中信號(hào)接收電路、放大電路、低通濾波電路構(gòu)成了射頻接收系統(tǒng)的基帶電路。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  接收系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

    由圖1可知，發(fā)送器與接收器所共用的天線負(fù)責(zé)檢測(cè)RF載波并通過(guò)一個(gè)帶通濾波器將信號(hào)傳送至解調(diào)器的RF輸入，解調(diào)器將信號(hào)解調(diào)后送入運(yùn)算放大器放大輸出，再用于驅(qū)動(dòng)低通濾波器的單端輸入，低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行基帶濾波處理后送入MSC1211單片機(jī)的A/D引腳進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.1 MSC1211單片機(jī)

    MSC1211單片機(jī)是美國(guó)德州儀器公司最新推出的集成數(shù)字/模擬混合信號(hào)的高性能芯片，具有很高的計(jì)算速度，時(shí)鐘頻率達(dá)到33MHZ，降低了系統(tǒng)噪聲和電源功耗，提高了對(duì)接收的信號(hào)射頻數(shù)據(jù)處理能力；MSC1211內(nèi)部集成了一個(gè)24位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使A/D轉(zhuǎn)換精度達(dá)到24位，提高了轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的精確度。MSC1211芯片是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，其主要功能是負(fù)責(zé)對(duì)來(lái)自多個(gè)標(biāo)簽的接收信號(hào)進(jìn)行分析處理，并提供附加的濾波處理。

2.2 解調(diào)器與運(yùn)算放大器

    RF解調(diào)器采用了凌特公司的LT5516芯片，該芯片直接轉(zhuǎn)換解調(diào)器800MHzZH至1.5GHz的頻率范圍。LT5516超群的線性提供了對(duì)低電平信號(hào)的高靈敏度，即使在很大的干擾信號(hào)下也不會(huì)受到影響。運(yùn)算放大器采用了凌特公司的LT6231芯片，該芯片起一個(gè)差分至單端放大器的作用，用于驅(qū)動(dòng)低通濾波器的單端輸入。LT5516的差分I或Q輸出轉(zhuǎn)換為一個(gè)單端輸出的LT6231差分放大器。電路如圖2所示。

圖2  基帶接口電路

    由圖2可知，在60Ω電阻器的兩端增設(shè)270pF外部電容可將解調(diào)器的輸出限制為10MHz，以防止任何高頻干擾傳送至LT6231放大器。由于幅移鍵控RFID信號(hào)無(wú)需DC偶合，因此對(duì)基帶放大器采用了AC偶合。其中 AC偶合電容器和放大器輸入電阻器提供的高通極點(diǎn)被設(shè)定為8kHz，差分放大器的輸入電阻其電阻值被設(shè)定為140Ω，可以最大限度地降低與輸入相關(guān)的噪聲。

2.3低通濾波電路

    模擬基帶濾波處理采用凌特公司LT1568芯片來(lái)完成，它是一個(gè)低噪聲、精準(zhǔn)RC濾波器單元式部件，并且它還提供了100kHz~10MHz截止頻率的低通和帶通濾波器的簡(jiǎn)單解決方案，對(duì)于UHF RFID系統(tǒng)中常用的250kHz~4MHz信號(hào)頻譜，這些截止頻率完全可以滿足RFID通信的需要。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了兩個(gè)LT1568芯片連接成雙通道、四階濾波電路。其中LT1568濾波器的單端輸入至差分輸出轉(zhuǎn)換增益為6dB，阻帶衰減為34dB。I和Q濾波器匹配由LT1568的A和B側(cè)的固有匹配進(jìn)行保證，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)橢圓低通濾波函數(shù)功能。電路如圖3所示。

圖3 雙通道、四階濾波電路

2.4 LCD顯示與USB接口電路

    LCD顯示采用字符型LCD顯示模塊DMC24138芯片，該芯片把點(diǎn)陣液晶顯示器FRD7168、點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)器HD44100與控制器HD44780等芯片集成在同一塊雙面印刷電路板上。HD44780是日立公司生產(chǎn)的LCD顯示器的專用控制芯片，通過(guò)該芯片的內(nèi)部I/O緩沖器接收MSC1211單片機(jī)利用讀寫(xiě)、RS等引腳上送來(lái)的控制命令，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與HD44780之間指令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的傳送。我們選擇了無(wú)需外部元件的UART轉(zhuǎn)USB芯片CP2101芯片。該芯片具有低功耗、高速度的特性，符合USB2.0規(guī)范，滿足了MSC1211單片機(jī)與PC主機(jī)高速通信的需求。

3軟件設(shè)計(jì)

    射頻識(shí)別接收系統(tǒng)的主要任務(wù)是：當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器有效距離范圍內(nèi)時(shí)，從標(biāo)簽中解讀出信息。所讀取的信息在LCD上顯示，也可通過(guò)USB接口傳送到PC主機(jī)作進(jìn)一步的處理。程序的主要流程如圖4所示。

圖4   主程序流程圖

3.1  初始化程序

    將程序用到的I/O口與寄存器進(jìn)行分配和初始化，避免發(fā)生沖突。

3.2  采樣及處理程序

    先判斷是否進(jìn)入睡眠時(shí)間范圍。如果進(jìn)入了，就開(kāi)始檢測(cè)是否有高電平到來(lái)；如果高電平到來(lái)就準(zhǔn)備采樣。采樣點(diǎn)必須大致位于每一位的中間，因此要適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)一段時(shí)間，一共要檢測(cè)完電子標(biāo)簽的有效ID位。為了提高RIFD的可靠性與安全性，對(duì)于同一標(biāo)簽必須連續(xù)采樣5次。如果每次采樣所得到的有效ID位均相同，則采樣成功。

3.3  LCD顯示程序

    對(duì)LCD液晶屏要使用到的I/O口進(jìn)行分配與初始化，根據(jù)處理結(jié)果將相應(yīng)的電子標(biāo)簽信息進(jìn)行顯示。

3.4  USB與主機(jī)通信程序

    當(dāng)PC機(jī)向閱讀器發(fā)送一個(gè)讀取電子標(biāo)簽ID的控制命令后，閱讀器開(kāi)始采樣，并將讀取到的數(shù)據(jù)送入緩沖器中，然后通過(guò)USB接口電路將數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)后再作進(jìn)一步處理。

3.5數(shù)據(jù)校驗(yàn)

    使用RF技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)很容易受外界的干擾，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)生改變導(dǎo)致錯(cuò)誤。校驗(yàn)是用以識(shí)別并以一定的措施進(jìn)行數(shù)據(jù)校正的方法。在電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的校驗(yàn)方法有循環(huán)冗余校驗(yàn)法(CRC)、海明碼、奇偶校驗(yàn)碼等，我們的設(shè)計(jì)中采用了最為簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)碼——奇偶校驗(yàn)碼。奇偶校驗(yàn)是一種簡(jiǎn)單的廣泛使用的校驗(yàn)方法。這種方法是把個(gè)奇偶校驗(yàn)位組合到每一字節(jié)中，并被傳輸，即每字節(jié)發(fā)送九位，在數(shù)據(jù)傳輸前必須確定是用偶數(shù)校驗(yàn)還是用奇數(shù)校驗(yàn)，以保證發(fā)射器和接收器二者都用同樣的方法進(jìn)行校驗(yàn)。本設(shè)計(jì)采用偶數(shù)校驗(yàn)。

4總結(jié)

    本系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)在于設(shè)計(jì)了一種直接轉(zhuǎn)換RF射頻識(shí)別信號(hào)的UHF射頻接收系統(tǒng)，無(wú)需中頻下變頻轉(zhuǎn)換電路，簡(jiǎn)化了接收系統(tǒng)電路，達(dá)到了提高RF接收器可靠性的目的,并且該接收系統(tǒng)可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)系統(tǒng)的基帶電路進(jìn)行適應(yīng)調(diào)整與優(yōu)化，滿足了現(xiàn)有和新興RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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