1 引 言
射頻識別(RFID)是利用射頻頻段實現(xiàn)非接觸雙向通信進行識別和交換數(shù)據(jù)的一種自動識別技術(shù),。根據(jù)射頻卡的數(shù)據(jù)調(diào)制方式可分為主動式和被動式2種,。主動式RFID系統(tǒng)由于其信息實時性強,、數(shù)據(jù)容量大,、讀寫速度快,、可遠程讀取等優(yōu)點適用于供應(yīng)鏈管理、軍事物流、實時定位系統(tǒng)等領(lǐng)域,。
過去由于主動式射頻卡體積和功耗較大,、電池壽命有限等因素,，嚴重限制了主動式RFID系統(tǒng)的應(yīng)用和普及,。近年來，得益于微型集成電路技術(shù)和微機械加工制造技術(shù)的進步,，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,、低功耗主動射頻卡創(chuàng)造了條件,。
本文以新型射頻芯片nRF905為例，設(shè)計了一個工作在微波頻段的主動式射頻識別系統(tǒng),，給出了系統(tǒng)中關(guān)鍵的通信模塊設(shè)計方案,。
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(電感線圈或天線等)，此外還應(yīng)有連接上位機的通信接口以便將所獲得的數(shù)據(jù)傳給上位機,。
射頻卡放置在待識別的物體上,，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 主動式可讀寫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)，適用于識別距離遠,，讀寫速率高的場合,。
此外，根據(jù)射頻卡的數(shù)據(jù)調(diào)制方式還可分為主動式和被動式 RFID系統(tǒng),。一般無源系統(tǒng)為被動式,，有源系統(tǒng)采用主動式，即射頻卡用自身的射頻能量主動發(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)，讀寫器的能量必須來回穿過障礙物2次,，因此要求閱讀器有較大的發(fā)射功率,。主動式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。
1 引 言
射頻識別(RFID)是利用射頻頻段實現(xiàn)非接觸雙向通信進行識別和交換數(shù)據(jù)的一種自動識別技術(shù),。根據(jù)射頻卡的數(shù)據(jù)調(diào)制方式可分為主動式和被動式2種,。主動式RFID系統(tǒng)由于其信息實時性強、數(shù)據(jù)容量大,、讀寫速度快,、可遠程讀取等優(yōu)點適用于供應(yīng)鏈管理、軍事物流,、實時定位系統(tǒng)等領(lǐng)域,。
過去由于主動式射頻卡體積和功耗較大、電池壽命有限等因素,，嚴重限制了主動式RFID系統(tǒng)的應(yīng)用和普及,。近年來，得益于微型集成電路技術(shù)和微機械加工制造技術(shù)的進步,，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,、低功耗主動射頻卡創(chuàng)造了條件,。
本文以新型射頻芯片nRF905為例，設(shè)計了一個工作在微波頻段的主動式射頻識別系統(tǒng),，給出了系統(tǒng)中關(guān)鍵的通信模塊設(shè)計方案,。
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(電感線圈或天線等)，此外還應(yīng)有連接上位機的通信接口以便將所獲得的數(shù)據(jù)傳給上位機,。
射頻卡放置在待識別的物體上,，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 主動式可讀寫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),，適用于識別距離遠，讀寫速率高的場合,。
此外,，根據(jù)射頻卡的數(shù)據(jù)調(diào)制方式還可分為主動式和被動式 RFID系統(tǒng)。一般無源系統(tǒng)為被動式,，有源系統(tǒng)采用主動式,，即射頻卡用自身的射頻能量主動發(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),，讀寫器的能量必須來回穿過障礙物2次,，因此要求閱讀器有較大的發(fā)射功率。主動式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,。
3 主動式RFID系統(tǒng)設(shè)計
射頻芯片應(yīng)用于RFID系統(tǒng)設(shè)計可以實現(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,，可擴展性更好，極大地促進了RFID系統(tǒng)(特別是主動式RFID系統(tǒng))的發(fā)展和應(yīng)用,。
下面是以無線射頻芯片nRF905為例的主動式RFID系統(tǒng)設(shè)計,。
3.1 無線收發(fā)芯片nRF905簡介
nRF905是NordicVLSI公司推出的高性能單片無線收發(fā)芯片，工作在ISM(工業(yè),、科學,、醫(yī)療)頻段433MHz/868MHz /915MHz三個頻道。
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,；
采用抗干擾能力強的GFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，傳輸速率達100kb/s,，天線接口為差分形式易于連接低成本的PCB環(huán)形天線或單端天線,；
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)建待機和掉電模式,；
通過SPI(串行外設(shè)接口)與微控制器通信,；
特別適合低成本、低功耗但同時性能和集成度要求高的應(yīng)用場合,。
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三個引腳控制。由于采用先進的 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，中間有很長的空閑時間,，因此能夠節(jié)約存儲器和微控制器資源,，減少編程時間。
nRF905通過SPI接口進行配置,，共有5個內(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)送目標地址和數(shù)據(jù)字節(jié)長度信息，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,，只有在待機或掉電模式才能激活nRF905的SPI接口與MCU通信,，這點在設(shè)計通信協(xié)議時應(yīng)充分考慮到。
3.2 主動式RFID系統(tǒng)硬件設(shè)計
以往的射頻識別系統(tǒng)硬件設(shè)計通?；诜至⒃?，設(shè)計工作量大、硬件集成度低,、成本高,、開發(fā)周期長。而現(xiàn)有的基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD) 或數(shù)字信號處理(DSP)芯片的設(shè)計通常需要完成復(fù)雜的通信模塊軟件設(shè)計,，成本也相對較高,。
而本文應(yīng)用nRF905設(shè)計的主動式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,、無需曼徹斯特編解碼及通信協(xié)議設(shè)計簡潔等優(yōu)點;大大降低了設(shè)計成本，縮短了開發(fā)周期,，并且硬件更加易于調(diào)試可擴展性好,。RFID系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如圖2所示。
圖2 采用nRF905的主動式RFID系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖
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),，控制電路基于 51系列微控制器搭建。
微控制器通過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 AT89C2051，該微控制器兼容標準MCS51指令系統(tǒng),，內(nèi)含128B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器RAM和2kB的可反復(fù)擦寫FLASH只讀程序存儲器,，可以將驅(qū)動及控制nRF905的程序?qū)懭朐撻W存，無需外接EPROM而簡化了電路設(shè)計降低了系統(tǒng)功耗,。
本設(shè)計采用為MAX6821作為監(jiān)控電路對MCU進行上電復(fù)位，比傳統(tǒng)阻容復(fù)位更加可靠,，該芯片還集成了看門狗定時器,，可有效避免程序跑飛。
圖3 系統(tǒng)的部分核心電路原理圖
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,。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,，帶有手動復(fù)位及看門狗定時器,，能監(jiān)控從+118～+510V的系統(tǒng)電壓，有9個工廠預(yù)設(shè)的門限可供使用,。當電源電壓下降到復(fù)位門限以下時,，復(fù)位輸出產(chǎn)生并保持至少 140ms。
4 通信協(xié)議設(shè)計
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)計是系統(tǒng)設(shè)計的一個至關(guān)重要的部分,。閱讀器與上位機采用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)成一個無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),，數(shù)據(jù)通過nRF905在閱讀器和射頻卡之間無線傳輸。
本文設(shè)計了以nRF905作為射頻接口的主動式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)編程寫入控制系統(tǒng)，通過調(diào)用函數(shù)功能模塊以完成特定的功能,，如物流跟蹤,、自動收費等。
4.1 數(shù)據(jù)幀格式
為減少無線通信中的相互干擾,，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)幀的長度必須合適,，太長則易被干擾,，太短會導致通信效率低。
本文設(shè)計了表2所示的數(shù)據(jù)幀格式,，其中前導碼為nRF905自動產(chǎn)生,，用來進行接收和發(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)無重復(fù),；數(shù)據(jù)長度(1B)用來指明有效數(shù)據(jù)的長度，有效數(shù)據(jù)(4B),；校驗字為8位的CRC校驗,，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)定時間。RFID系統(tǒng)中無線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的“載波檢測協(xié)議”,，即接收數(shù)據(jù)前先檢測載波信息(nRF905的CD引腳)和地址匹配信息(AM引腳)。只有當載波存在且發(fā)送地址正確(高電平)時,，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)議可以實現(xiàn)簡單有效的防碰撞。
此外還可以根據(jù)需要對MCU編程實現(xiàn)更為復(fù)雜的防碰撞或加密解密算法,。nRF905開始總是工作在待機狀態(tài),，通過SPI 接口接收到控制系統(tǒng)的命令后選擇進入發(fā)射或接收數(shù)據(jù)的模式,，在閱讀器與射頻卡之間進行無線通信，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檢測到DR為高,，即將nRF905轉(zhuǎn)入低功耗的待機模式。此時MCU還可通過SPI口讀出nRF905接收到的有效數(shù)據(jù),。
5 結(jié) 語
本文以nRF905芯片作為射頻接口,，設(shè)計了一種工作在微波頻段的新型主動式射頻識別系統(tǒng)，并給出了其通信模塊實現(xiàn)方案,。
這種新型的基于射頻芯片的主動式RFID系統(tǒng)信息實時性好,、數(shù)據(jù)容量大、作用距離遠,，并具有集成度高,、易于調(diào)試、低功耗,、低成本和易擴展等特點,，可以廣泛應(yīng)用于對數(shù)據(jù)實時性要求高及數(shù)據(jù)需反復(fù)讀寫的場合。