??? 摘 要：設(shè)計(jì)一種工作于2.4 GHz 頻段的微功耗有源射頻識別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，描述了閱讀器與射頻標(biāo)簽的工作流程,。射頻標(biāo)簽工作模式為休眠喚醒模式,，大大延長了射頻標(biāo)簽的使用壽命,。
??? 關(guān)鍵詞：有源,；射頻識別,；閱讀器；射頻標(biāo)簽
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??? 射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸的自動識別技術(shù),，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對被識別物體的自動識別,。作為快速,、實(shí)時、準(zhǔn)確的高效采集與信息處理技術(shù),，已被公認(rèn)為本世紀(jì)十大重要技術(shù)之一,。根據(jù)供電方式不同，RFID可分為有源和無源2類,。其中有源RFID射頻標(biāo)簽自身具備電池,，可提供全部器件工作的電源。正是因?yàn)槿绱?，有源RFID才具備有低發(fā)射功率,、通信距離長、傳輸數(shù)據(jù)量大,、可靠性高和兼容性好等特點(diǎn),。隨著技術(shù)的愈加成熟，被廣泛地應(yīng)用到公路收費(fèi),、港口貨運(yùn)等管理中[1-4],。
??? 本文提出了一種RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)，與以往的RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比,，這個系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了一種微功耗無線射頻收發(fā)芯片,，且該芯片將MCU和射頻模塊集成在一起，這樣就使系統(tǒng)簡單化,、小型化,、模塊化。
1 有源RFID系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計(jì)
1.1? 系統(tǒng)工作原理
??? 在有源RFID系統(tǒng)中,，標(biāo)簽和讀寫器處于遠(yuǎn)磁場區(qū),，通過電磁耦合方式傳輸信號。由于電子標(biāo)簽自帶電池，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的識別范圍后,，電子標(biāo)簽不需要讀寫器發(fā)出激活信號,，而是主動地將存儲的識別信息(ID)以電磁波的形式傳給讀寫器[3-4]。
1.2? 系統(tǒng)組成
??? 如圖1所示,，有源RFID系統(tǒng)主要由讀寫器,、有源電子標(biāo)簽、計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)組成,。該系統(tǒng)中,，射頻標(biāo)簽存儲著要被識別物品的相關(guān)信息，通常放在被識別物品上,；讀寫器負(fù)責(zé)讀取或?qū)懭霕?biāo)簽信息,；計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)用于對數(shù)據(jù)的管理，完成通信傳輸功能,。
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1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.3.1芯片選擇
??? 目前用于低功耗的無線射頻收發(fā)芯片很多,，考慮到設(shè)計(jì)成本及系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的微功耗有源RFID系統(tǒng)采用Chipcon公司的無線低功耗射頻收發(fā)芯片CC2510,。CC2510為2.4 GHz單芯片系統(tǒng),，用于低功耗及低電壓無線通信?？商峁?種功耗模式,，用于降低電流損耗，適用于需求超低功耗的系統(tǒng),；同時CC2510芯片把MCU和射頻模塊集成在一起,，大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性[5]。
1.3.2 讀寫器的硬件構(gòu)成
??? 如圖2所示,，讀寫器主要是由數(shù)據(jù)接口,、主控制器(8051 MCU內(nèi)核)、無線收發(fā)模塊,、天線幾部分構(gòu)成,。數(shù)據(jù)接口的主要功能是通過USB接口把讀寫器與PC機(jī)連接起來，實(shí)現(xiàn)高頻模塊與PC的通信,；主控制器采用芯片CC2510內(nèi)部自帶的微處理器8051 MCU,，用于處理無線收發(fā)模塊收到的數(shù)據(jù)；無線收發(fā)模塊由芯片CC2510自身的射頻發(fā)射部分與外圍電路組成,，用于完成與射頻標(biāo)簽的無線數(shù)據(jù)通信,；天線采用PCB天線，與無線收發(fā)模塊相連,，是讀寫器與射頻標(biāo)簽通信的橋梁,。
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1.3.3 射頻標(biāo)簽硬件構(gòu)成
??? 與讀寫器一樣,，射頻標(biāo)簽同樣通過CC2510來實(shí)現(xiàn)無線通信。如圖3所示,，其主要由主控制器(8051 CPU內(nèi)核),、無線收發(fā)模塊、天線,、電源幾部分構(gòu)成,。不同的是，射頻標(biāo)簽的工作電源由電池或者電子提供,，而讀寫器的電源由PC機(jī)提供,。
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2? 系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)
??? 通信協(xié)議設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要的部分，系統(tǒng)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。在此系統(tǒng)中主要設(shè)計(jì)PC與讀寫器之間的通信協(xié)議,，以及讀寫器與射頻標(biāo)簽之間的通信協(xié)議,。
2.1 PC與讀寫器之間的通信協(xié)議
??? 讀寫器與后臺PC機(jī)采用RS485 串口通信，工作在異步方式,，傳輸速率為57 600 b/s。
2.2 讀寫器與射頻標(biāo)簽之間的通信協(xié)議
??? 讀寫器與射頻標(biāo)簽在初始化建立通信過程中以數(shù)據(jù)幀的形式封裝,。一般采用需要4種幀,，即尋卡命令幀、通信成功確認(rèn)幀,、通信失敗確認(rèn)幀以及標(biāo)簽信息幀,。根據(jù)芯片CC2510自身規(guī)定好的通信協(xié)議可以定義其幀結(jié)構(gòu)[5]，如圖4所示,。
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??? 導(dǎo)言字段：導(dǎo)言采用交替序列1010…1010開始,；
??? 同步字段：占用2 B，由芯片自身實(shí)現(xiàn),；
??? 長度字段：表明幀的長度,，用二進(jìn)制數(shù)表示，占用1 B,；
??? 地址字段：在此字段標(biāo)示幀的序號,，即可以表示1～255(除去00000000情況，即全零情況),，占1 B(由讀卡器循環(huán)生成和管理,，并在一次認(rèn)證中保持不變)。目的是在多標(biāo)簽的情況下防止碰撞,。其原理為：讀卡器與射頻標(biāo)簽之間在通信的過程中,，按第一時間收到的幀的序號來排隊(duì)，只有等此幀通信結(jié)束，才去處理下一個幀號,。如此就可以避免碰撞,，實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽識別。
??? 數(shù)據(jù)字段：在尋卡命令幀,、通信成功確認(rèn)幀和通信失敗確認(rèn)幀這3種幀中,，數(shù)據(jù)字段包含對應(yīng)的命令數(shù)據(jù)；在標(biāo)簽信息幀中,，數(shù)據(jù)字段包含的是標(biāo)簽的信息,。
??? 校驗(yàn)字段：采用CRC-16校驗(yàn)。
3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 讀寫器軟件及流程
??? 讀卡器工作過程中,，首先上電復(fù)位初始化,，然后開始發(fā)送尋卡命令，等待標(biāo)簽響應(yīng),。當(dāng)有標(biāo)簽響應(yīng)時,，收到標(biāo)簽發(fā)來的標(biāo)簽信息，首先判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)錯誤,。如果有,，就返回一個確認(rèn)失敗信息給標(biāo)簽，并等待標(biāo)簽重新發(fā)送數(shù)據(jù),；若檢驗(yàn)數(shù)據(jù)無錯,，則開始向主機(jī)發(fā)送標(biāo)簽信息驗(yàn)證請求。未得到PC返回的信息時,，則繼續(xù)向PC發(fā)送標(biāo)簽信息請求驗(yàn)證(如果連續(xù)3次沒有得到驗(yàn)證結(jié)果返回,，就向標(biāo)簽發(fā)送一個驗(yàn)證失敗信息);有驗(yàn)證信息返回時，判斷驗(yàn)證結(jié)果,。成功,，則向標(biāo)簽發(fā)送一個確認(rèn)成功信息；若失敗,，向標(biāo)簽發(fā)送一個確認(rèn)失敗信息,。其流程如圖5所示。
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3.2? 標(biāo)簽軟件及流程圖
??? 標(biāo)簽工作過程中,，首先是標(biāo)簽冒頭探測有無讀卡器發(fā)送過來的尋卡命令,；若無，則轉(zhuǎn)入休眠,；若有,，則發(fā)送自身信息至讀卡器，然后等待讀卡器返回信息,；若沒有得到讀卡器返回信息,，需要重新發(fā)送標(biāo)簽信息至讀卡器,；若有確認(rèn)信息，要注意是否是讀卡器直接發(fā)現(xiàn)傳輸過程中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)錯誤而給標(biāo)簽的確認(rèn)失敗信息,，其錯誤位標(biāo)識為0,，這時需要重新傳送標(biāo)簽信息至讀卡器；若確認(rèn)信息是讀寫器轉(zhuǎn)發(fā)PC的驗(yàn)證結(jié)果,，要判斷驗(yàn)證結(jié)果,，然后根據(jù)不同的結(jié)果發(fā)送標(biāo)簽不同的確認(rèn)信息。此次通信結(jié)束,，轉(zhuǎn)入休眠,，準(zhǔn)備下次通信。其流程圖如圖6所示,。???
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4? 射頻標(biāo)簽低功耗設(shè)計(jì)
??? 提高有源射頻標(biāo)簽的使用壽命,，必須要盡量減少不必要的功耗，充分利用電池中的能量,，這樣才能實(shí)現(xiàn)較長的使用周期,。
??? 為降低功耗，射頻標(biāo)簽采用休眠工作方式,。休眠時,，芯片CC2510中除MCU 定時器外，所有器件均停止工作,，只消耗極小的電流,。并且在進(jìn)入休眠狀態(tài)前，微控制器將所有I/O 腳置成輸出狀態(tài),，以避免其處于高阻態(tài)時產(chǎn)生開關(guān)電流損耗。
??? 在芯片CC2510中睡眠定時器用來控制芯片從睡眠模式PM0/PM1/PM2中退出,，返回到主動模式(active mode),。可以對睡眠定時器定義一個0事件(Event 0),，當(dāng)0事件發(fā)生時,，芯片從PM0/PM1/PM2返回到激活模式。睡眠定時器不能在PM3模式和激活模式下工作,。2次連續(xù)的0事件之間的時間tEvent0由下面的公式?jīng)Q定[5],。
??? 若使用低功耗RC振蕩器：
??? tEvent0＝750/fref×EVENT0 ×25×WOR_RES
??? 若使用晶振：
??? tEvent0＝1/32768 × EVENT0×25×WOR_RES
??? 使芯片CC2510休眠的參考主函數(shù)程序：
??? void main( )
??? {
???? ? uchar count = 0；
????? ?Initial( ),；
????? ?Init_clocks(0,，0，0,，4),；
????? ?led1 = 0,； //開紅色LED，系統(tǒng)工作指示
????? ?Delay( ),；??? //延時
????? ?Delay( ),；
????? ?Delay( )；
????? ?Delay( ),；
????? ?while(1)
????? ?{
??????????? ??led2 = !led2,；
??????????? ??count++；
????????????? if(count == 20)PowerMode(3),；//10次閃爍后進(jìn)入睡眠狀態(tài)
????????????? Delay( ),；
?????? ?};
??? }
??? 低功耗無線射頻收發(fā)芯片應(yīng)用于RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不但降低了功耗,，實(shí)現(xiàn)RFID 產(chǎn)品的小型化,、模塊化和智能化，同時降低了系統(tǒng)成本,，增大了系統(tǒng)識別距離,，促進(jìn)了RFID技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。希望有源RFID技術(shù)能夠越來越受重視,，使其蓬勃發(fā)展,，為社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出更大的貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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