1 引 言
射頻識(shí)別(RFID" title="RFID">RFID)是利用射頻頻段實(shí)現(xiàn)非接觸雙向通信進(jìn)行識(shí)別和交換數(shù)據(jù)的一種自動(dòng)識(shí)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(dòng)式" title="主動(dòng)式">主動(dòng)式和被動(dòng)式2種,。主動(dòng)式RFID系統(tǒng)由于其信息實(shí)時(shí)性強(qiáng),、數(shù)據(jù)容量大,、讀寫速度快、可遠(yuǎn)程讀取等優(yōu)點(diǎn)適用于供應(yīng)鏈管理,、軍事物流,、實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)等領(lǐng)域,。
過去由于主動(dòng)式射頻卡體積和功耗較大、電池壽命有限等因素,，嚴(yán)重限制了主動(dòng)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(jī)械加工制造技術(shù)的進(jìn)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(dòng)射頻卡創(chuàng)造了條件。
本文以新型射頻芯片nRF905" title="nRF905">nRF905為例,，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在微波頻段的主動(dòng)式射頻識(shí)別系統(tǒng),，給出了系統(tǒng)中關(guān)鍵的通信模塊設(shè)計(jì)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(jī)的通信接口以便將所獲得的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī),。
射頻卡放置在待識(shí)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(dòng)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(shí)別距離遠(yuǎn),，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(dòng)式和被動(dòng)式 RFID系統(tǒng),。一般無源系統(tǒng)為被動(dòng)式，有源系統(tǒng)采用主動(dòng)式,，即射頻卡用自身的射頻能量主動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(yuǎn),。
3 主動(dòng)式RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)
射頻芯片應(yīng)用于RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以實(shí)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(yuǎn),，可擴(kuò)展性更好，極大地促進(jìn)了RFID系統(tǒng)(特別是主動(dòng)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(dòng)式RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì),。
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(xué),、醫(yī)療)頻段433MHz/868MHz /915MHz三個(gè)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(qiáng)的GFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，傳輸速率達(dá)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(jī)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(shí)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(gè)引腳控制,。由于采用先進(jìn)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(shí)間,，因此能夠節(jié)約存儲(chǔ)器和微控制器資源,，減少編程時(shí)間。
nRF905通過SPI接口進(jìn)行配置,，共有5個(gè)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(biāo)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(jī)或掉電模式才能激活nRF905的SPI接口與MCU通信，這點(diǎn)在設(shè)計(jì)通信協(xié)議時(shí)應(yīng)充分考慮到,。
3.2 主動(dòng)式RFID系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
以往的射頻識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)通?；诜至⒃O(shè)計(jì)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(hào)處理(DSP)芯片的設(shè)計(jì)通常需要完成復(fù)雜的通信模塊軟件設(shè)計(jì),，成本也相對(duì)較高。
而本文應(yīng)用nRF905設(shè)計(jì)的主動(dòng)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(jì)簡潔等優(yōu)點(diǎn);大大降低了設(shè)計(jì)成本,，縮短了開發(fā)周期，并且硬件更加易于調(diào)試可擴(kuò)展性好,。RFID系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示,。
圖2 采用nRF905的主動(dòng)式RFID系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(jì)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(jī) AT89C2051,，該微控制器兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng),，內(nèi)含128B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和2kB的可反復(fù)擦寫FLASH只讀程序存儲(chǔ)器，可以將驅(qū)動(dòng)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(jì)降低了系統(tǒng)功耗,。
本設(shè)計(jì)采用為MAX6821作為監(jiān)控電路對(duì)MCU進(jìn)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(shí)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(dòng)復(fù)位及看門狗定時(shí)器,，能監(jiān)控從+118～+510V的系統(tǒng)電壓，有9個(gè)工廠預(yù)設(shè)的門限可供使用,。當(dāng)電源電壓下降到復(fù)位門限以下時(shí),，復(fù)位輸出產(chǎn)生并保持至少 140ms。
4 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
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(shí)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(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)至關(guān)重要的部分,。閱讀器與上位機(jī)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(gè)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(jì)了以nRF905作為射頻接口的主動(dòng)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(dòng)收費(fèi)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(huì)導(dǎo)致通信效率低。
本文設(shè)計(jì)了表2所示的數(shù)據(jù)幀格式,，其中前導(dǎo)碼為nRF905自動(dòng)產(chǎn)生,，用來進(jìn)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(yàn)字為8位的CRC校驗(yàn),，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(shí)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(dāng)載波存在且發(fā)送地址正確(高電平)時(shí),，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(shí)現(xiàn)簡單有效的防碰撞,。
此外還可以根據(jù)需要對(duì)MCU編程實(shí)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(jī)狀態(tài)，通過SPI 接口接收到控制系統(tǒng)的命令后選擇進(jìn)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(jìn)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(jī)模式,。此時(shí)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(jì)了一種工作在微波頻段的新型主動(dòng)式射頻識(shí)別系統(tǒng),，并給出了其通信模塊實(shí)現(xiàn)方案。
這種新型的基于射頻芯片的主動(dòng)式RFID系統(tǒng)信息實(shí)時(shí)性好,、數(shù)據(jù)容量大,、作用距離遠(yuǎn)，并具有集成度高,、易于調(diào)試,、低功耗,、低成本和易擴(kuò)展等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求高及數(shù)據(jù)需反復(fù)讀寫的場合,。