??? 摘 要： 在射頻識別（RFID）領(lǐng)域中,，超高頻（UHF）射頻標簽一直是一項空白,。本文闡述了一種基于MSP430F122單片機和芯片nRF401組成的433MHz射頻標簽的設(shè)計，并給出了系統(tǒng)的硬件原理圖和軟件設(shè)計方案,。從成本和功耗等方面綜合考慮得出一種可投產(chǎn)的實用型標簽,。
??? 關(guān)鍵詞： nRF401,；MSP430F122,；實用型標簽
?
??? 射頻識別RFID技術(shù)是直接繼承了雷達的原理，并由此發(fā)展起來的一種新的自動識別技術(shù),。與傳統(tǒng)的識別技術(shù)相比,，RFID有很多優(yōu)點，如非接觸,、目標同時識別,、對外界環(huán)境幾乎無要求、識別距離遠,、響應速度快,、壽命長等，因而應用十分廣泛,。但對于當今的RFID領(lǐng)域,，在低頻、中頻段,，都有相對應的射頻標簽,，如125kHz范圍內(nèi)有T5557卡、E5550卡,，13.56MHz有Mifire 1卡等,，但在高頻領(lǐng)域或者甚高頻領(lǐng)域一般標簽都要自己設(shè)計，本課題就是由此引出的,。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
??? 在系統(tǒng)中,，無線通信電路由無線射頻收發(fā)一體化芯片nRF401組建。系統(tǒng)的硬件設(shè)計中充分考慮了性價比,，用最少的器件設(shè)計出滿足要求的硬件電路,。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以MSP430F122單片機為核心，由存儲電路和射頻電路組成,，具體電路原理圖如圖1所示,。
1.1 單片機電路
??? 射頻標簽發(fā)行量巨大且由電池供電,，所以成本和功耗是首先要考慮的問題。綜合考慮這兩個因素本設(shè)計選擇了MSP430F122,。MSP430系列單片機是TI公司生產(chǎn)的16位系列單片機,，在電池供電的低功耗應用中具有獨特的優(yōu)勢。其工作電壓為1.8V～3.6V,，有四種低功耗模式,，正常工作時電流為300μA左右，在休眠條件下工作的電流僅為0.8μA,，具有16位的RISC結(jié)構(gòu),，數(shù)字控制振蕩器提供從任何低功耗模式到激活模式小于6?滋s的快速喚醒時間，具有JTAG調(diào)試電路和在線燒錄程序接口,。
??? JTAG電路：TDO,、TDI、TMS,、TCK,、RST組成JTAG調(diào)試電路，該部分在調(diào)試階段必須具備,，當調(diào)試通過后,，在量產(chǎn)階段可以去掉。在此對JTAG接口做個簡要介紹,，JTAG接口是1985年制定的檢測PCB和IC芯片的一個標準,，1990年被修改后成為IEEE的一個標準即IEEE1149.1。通過這個標準,，可對具有JTAG口芯片的硬件電路進行邊界掃描和故障檢測,。具有JTAG口的芯片都有如下JTAG引腳定義。
??? TCK(Test Clock Input)：測試時鐘輸入,，TCK為TAP操作提供了一個獨立的,、基本的時鐘信號，TAP的所有操作都是通過這個時鐘信號來驅(qū)動的,；
??? TDI(Test Data Input)：測試數(shù)據(jù)輸入,，數(shù)據(jù)通過TDI輸入JTAG口；
?? ?TDO(Test Data Output)：測試數(shù)據(jù)輸出,，數(shù)據(jù)通過TDO從JTAG口輸出,；
??? TMS(Test Mode Selection Input)：測試模式選擇，TMS用來設(shè)置JTAG口處于某種特定的測試模式,，TMS信號在TCK的上升沿有效,。
?? ?這四個信號在IEEE 1149.1標準里是強制要求的。
?? ?TRST(Test Reset Input)：測試復位，輸入引腳,，低電平有效,，TRST信號在IEEE 1149.1標準里不是強制要求的。
?? ?BSL（bootstrap loader）電路：MSP430的bootstrap loader(BSL)使用戶可以使用一個UART串行接口對Flash存儲器或RAM進行編程,，方便系統(tǒng)進行升級,。MSP430F122的BSL電路由P1.1(BSLTX)、P2.2(BSLRX),、TCK,、RST四個引腳組成。
??? P3.6,、P3.7為I2C總線接口電路,，由于MSP430F122無I2C硬件接口，本系統(tǒng)用I/O口來模擬I2C接口電路,。P3.4,、P3.5為串行通訊電路，P3.4為串口的TXD發(fā)送端,，P3.5為串口的RXD接收端,，分別與nRF401的Din和Dout腳連接,。P3.0接nRF401的CS頻道選擇端,，CS=0為433.92MHz，CS=1為434.33MHz,。P3.1連接nRF401的節(jié)電控制端PWR_UP,，PWR_UP=0 時nRF401處于待機模式，PWR_UP=1為活動模式,。P3.2接nRF401的發(fā)射接收控制端TXEN,，TXEN=1為發(fā)射模式，TXEN=0為接收模式,。
1.2 模擬射頻電路
??? 在本系統(tǒng)設(shè)計中模擬射頻電路采用nRF401芯片為主控芯片,，該芯片采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，最高工作速率可達到20Kb/s,，發(fā)射功率可以調(diào)整,，最大發(fā)射功率是+10dBm。
??? nRF401的天線接口設(shè)計為差分天線,，以便于使用低成本的PCB天線,。它所需要的外圍元件少，無需聲表濾波器,、變?nèi)莨艿劝嘿F元件,，只需要便宜且易于獲得的4MHz晶體，收發(fā)天線合一，無需進行初始化和配置,，不需要對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼,，有兩個工作頻寬（433.92/434.33MHz），工作電壓為2.7V~5V,，還具有待機模式,，可以更省電和高效。因此非常適合便攜式產(chǎn)品設(shè)計,。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。
?
??? nRF401有3種工作模式：收模式(RX)、發(fā)模式(TX)和等待模式（Stand.by）,，其具體工作模式可由3個引腳設(shè)定,，分別是TXEN、CS和PWR_UP,。因此可以通過單片機控制nRF401的工作模式,，使其處于接收、發(fā)射,、等待中的任一種狀態(tài),，實現(xiàn)半雙工通信。若PWR=0,，TXEN和CS任意,，則系統(tǒng)為待機狀態(tài)；若TXEN=1,，則為發(fā)送狀態(tài),；TXEN=0，為接收狀態(tài),。CS為信道選通端,，CS=0選通信道為433.92MHz；CS=1選通信道為434.33MHz,。RF_PWR為發(fā)射功率設(shè)置,，調(diào)節(jié)電阻R3值可以調(diào)節(jié)輸出發(fā)射功率，最大發(fā)射功率可以調(diào)節(jié)到+10dBm,。其主要特性如下：
??? (1)工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段,；
?? ?(2)工作速率最高可達20Kb/s；
?? ?(3)FSK調(diào)制,，抗干擾能力強,；
?? ?(4)采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好,；
?? ?(5)靈敏度高達-105dBm,；
?? ?(6)功耗小,，接收狀態(tài)250μA，待機狀態(tài)僅為8μA,；
?? ?(7)最大發(fā)射功率達+10dBm,；
?? ?(8)低工作電壓(2.7V)，可滿足低功耗設(shè)備的要求,；
?? ?(9)具有多個頻道,，可方便地切換工作頻率；
?? ?(10)因采用了低發(fā)射功率,、高接收靈敏度的設(shè)計,，使用無需申請許可證，開闊地的使用距離最遠可達1000m,。
?? ?nRF401接收機使用頻移鍵控(FSK)調(diào)制方式,，改善了噪聲環(huán)境的系統(tǒng)性能。nRF401另一個非重要的特性是接收機的頻帶外阻抗很高,，這意味著它不需要外部聲面波(SAW)濾波器,。
??? 本系統(tǒng)的無線通訊模塊發(fā)送部分是通過單片機串行口發(fā)送到nRF401的Din腳進行發(fā)送，而接收部分是由模塊接收到數(shù)據(jù)以后,，由Dout輸入到單片機的串行口的,，連接示意圖如圖3所示。
?
1.3 存儲電路
??? 存儲電路使用的芯片為AT24C01,，是128B的EEPROM,。該芯片是用來存儲標簽密鑰，在發(fā)行射頻標簽時通過讀寫器的射頻芯片發(fā)射傳播一串密鑰,。例如,，12B的數(shù)據(jù)通過射頻標簽的nRF401芯片接收后送到單片機的串行口，再經(jīng)過單片機的處理后寫入到I2C存儲器AT24C01中,，以后每次對卡片進行讀寫操作時，首先要進行密鑰判斷,，如果密鑰正確才能進行相應的讀寫操作,，從而有效防止該射頻標簽被誤讀，只有發(fā)行該卡片的讀寫器才能對其進行讀寫,。
1.4 電池工作壽命的計算與工作循環(huán)的關(guān)系
??? (1)一個CR2032型鋰電池（標稱容量>210mAh）,，要讓該電池工作半年以上(4380h)。
??? (2)為滿足該連續(xù)工作時間,，理論上要求平均工作電流為：
??? I=210mA.h/4380h=47.9μA
??? (3)在工作模式轉(zhuǎn)換中,，從待機到接收穩(wěn)定最多需要5ms的時間，另外加上10ms時間來搜索前置碼,，所以設(shè)計工作時間為15ms,，待機時間為3.45s，此時理論平均工作電流為：
??? I=11mA×（15ms/3.45s）=47.8μA
??? nRF401接收電流為11mA，這也意味著為了喚醒標簽,，讀卡器每次發(fā)送數(shù)據(jù)時必須先發(fā)送至少3.45s的前置碼,，以保證能夠可靠喚醒標簽。對于標簽來說,，每工作15ms若搜索不到前置碼,，即進入待機模式3.45s。利用在待機模式和接收模式之間的切換來減小功耗,。當加大電池容量后,，就可以延長電池的使用時間和縮短待機時間。
1.5 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境
??? (1)編譯器使用MSP430的IAR C編譯器,。
?? ?(2)仿真器使用杭州利爾達公司LSD-FET430P120,。
?? ?(3)編程器使用杭州利爾達公司的LSD-430PRGS-IIIA。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
??? 系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設(shè)計,，用C語言編寫,。主要由四部分組成，包括：主程序模塊,、通信程序模塊,、I2C通訊模塊、存儲程序模塊,。主程序流程圖如圖4所示,。
?
2.1 主程序模塊
?? ?主程序模塊主要完成各種參數(shù)的設(shè)置，時鐘源選擇,，定時器參數(shù)設(shè)置等,。由于51單片機的廣泛應用，大家都比較熟悉,，基于此,，在此主要對MSP430相對51單片機在編程上的一些不同做簡單說明：
??? (1)時鐘源選擇
?? ?MSP430單片機有多個時鐘源，在程序的開始,，必須編寫時鐘選擇程序,，選擇相應的時鐘，如選擇外部時鐘源并等待時鐘穩(wěn)定的程序：
void WaitXT2Oscillate(void)
{
??? uint i,；
??? FLL_CTL1 &=～XT2OFF,；/*打開XT2振蕩器*/
??? do
{
?? ?? IFG1 &=～OFIFG；/*清除振蕩器失效標志*/
????? for (i=0xFF,；i>0,；i--)；/*延時,，等待XT2起振*/
??? }
??? while ((IFG1 & OFIFG) !=0),；/*判斷XT2是否起振*/
??? FLL_CTL1 |=SELM1,；/*選擇XT2為MCLK的時鐘源*/
}
?? ?(2)中斷函數(shù)的應用
?? ?每個中斷函數(shù)都有相應的入口地址，在IAR編譯環(huán)境下,，必須用以下格式對中斷函數(shù)進行描述,。
?? ?定時器中斷函數(shù)：
#pragma vector=TIMERA0_VECTOR
/*表示定時器T0的中斷入口地址*/
__interrupt void TimerA0(void)/*__interrupt中斷函數(shù)關(guān)鍵字*/
{?}???/*函數(shù)體*/
??? 串口中斷函數(shù)：
#pragma vector=UART1RX_VECTOR
/*表示串口1的中斷入口地址*/
__interrupt void UARTReceiveProcess(void)
{?}
?? ?只有這樣定義，當中斷發(fā)生時才能進入相應的中斷函數(shù),。
?? ?(3)進入和退出低功耗模式
{LPM3,；}????????? ?/*進入低功耗模式3*/
{LPM3_EXIT；}????? /*退出低功耗模式3*/
2.2 通信程序模塊
??? 為了省電,，射頻標簽大部分時間處于待機模式,，單片機平時處于低功耗模式3{LPM3；},，此時只有32KHz的晶振工作,，工作電流僅為0.8μA，通過中斷可喚醒單片機,，每隔一定的時間(3.45s,，1.4節(jié)算出的值)，控制PWR_UP腳為1進入工作狀態(tài),，同時控制TXEN的值為0使標簽進入接收狀態(tài)(工作時間為15ms),，對接收到的數(shù)據(jù)進行判斷，看是否符合協(xié)議要求,。若符合協(xié)議格式,，nRF401轉(zhuǎn)入發(fā)射模式，發(fā)送返回的數(shù)據(jù),，發(fā)送完后nRF401又回到待機模式,，同時MSP430進入LPM3低功耗模式狀態(tài)。
??? 每隔一段時間轉(zhuǎn)入接收模式狀態(tài),，當接收到數(shù)據(jù)后,，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)化為發(fā)射狀態(tài)，發(fā)射完后又轉(zhuǎn)入待機模式,。所以在編寫程序時,，要特別注意這兩個狀態(tài)在轉(zhuǎn)換過程中所需要的時間。
?? ?(1)從待機模式到接收模式的轉(zhuǎn)化時間至少為5ms,；
?? ?(2)從接收模式轉(zhuǎn)化為發(fā)射模式時，數(shù)據(jù)輸入腳(Din)必須保持為高至少1ms才能發(fā)送數(shù)據(jù),。
2.3 存儲模塊程序
??? 主要包括I2C總線程序和AT24C01的讀寫操作函數(shù),。AT24C01是串行存儲器，通過I2C總線進行存儲數(shù)據(jù),，在此用單片機的P3.6和P3.7模擬I2C總線傳輸,。AT24C01在3V條件下工作,，I2C的傳輸速率典型值為100kHz，MSP430單片機是單周期指令,，即一個時鐘周期為一個機器周期,。在本系統(tǒng)中晶振頻率為4MHz，每條指令的最小時間為0.25μs,，因此在每條指令后要加相應的延時,。例如SDA模擬輸出程序如下：
#define I2C_SDA_1()?
{P3OUT |=BIT6；Lite_Delay(),；}/*SDA引腳輸出1*/
#define I2C_SDA_0()?
{P3OUT &=~BIT6,；Lite_Delay()；}/*SDA引腳輸出0*/
#define? Lite_Delay()/*執(zhí)行20個空操作,，延時5μs*/
{
_NOP(),；_NOP()；_NOP(),；_NOP(),；_NOP()；
_NOP(),；_NOP(),；_NOP()；_NOP(),；_NOP(),；
_NOP()；_NOP(),；_NOP(),；_NOP()；_NOP(),；
_NOP(),；_NOP()；_NOP(),；_NOP(),；_NOP()；
}
?? ?本文利用nRF401芯片來設(shè)計相應的標簽,，這種標簽可以用由nRF401芯片設(shè)計的讀寫器進行讀寫,；利用無線射頻芯片nRF401，設(shè)計實現(xiàn)了簡單,、低功耗的無線射頻標簽,。兩個工作頻寬（433.92/433.33MHz）可根據(jù)需要進行選擇，適用于需要進行較遠距離讀寫的各種射頻應用場合,；充分考慮芯片選型的成本和價格,，為廠家進行大批量生產(chǎn)提供借鑒,。
參考文獻
[1] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2000.
[2] 胡大可.MSP430系列單片機C語言程序設(shè)計與開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社,，2002.
[3] 畢大園,，楊鈺.基于nRF系列無線收發(fā)芯片的線路智能識別系統(tǒng)設(shè)計[J].紅河學院學報，2002,，4（2）.
[4] 謝敏.基于MSP430的低功耗儀表系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息,，2007，23（8）.