摘要 本文分析了射頻芯片nRF9E5的功能特性，并將其用于RFID" target="_blank">RFID系統(tǒng)中,，設(shè)計(jì)了一套有源超高頻(UHF)RFID系統(tǒng),。
射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是一種利用無(wú)線射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù),，與目前廣泛采用的條形碼技術(shù)相比,，RFID具有容量大、識(shí)別距離遠(yuǎn),、穿透能力強(qiáng)、抗污性強(qiáng)等特點(diǎn),。
RFID技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟并獲得了大規(guī)模商用,，但超高頻RFID技術(shù)相對(duì)滯后。本文分析了射頻芯片nRF9E5的功能特性,，并將其用于RFID系統(tǒng)中,，設(shè)計(jì)了一套有源超高頻(UHF)RFID系統(tǒng)。
射頻芯片的選取
目前,，發(fā)展較為成熟的RFID系統(tǒng)主要是125kHz和13.56MHz系統(tǒng),，相應(yīng)的RFID專(zhuān)用芯片也較多，主要有TI公司的S6700系列,，NXP公司的MIFARE系列等,。然而，用于UHF RFID的專(zhuān)用芯片卻很少,，TI公司和NXP公司雖然宣稱(chēng)已經(jīng)量產(chǎn)符合Gen2的RFID芯片,，但由于各種因素，還沒(méi)能真正大量投入使用,。再者,，為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)遠(yuǎn)識(shí)別距離的要求，一般需使用有源UHF RFID系統(tǒng)，而目前有源UHF RFID專(zhuān)用芯片更是難覓其蹤,。所以,，需要尋找一款適合超高頻RFID且易于開(kāi)發(fā)的低成本射頻芯片，來(lái)設(shè)計(jì)有源UHF RFID系統(tǒng),。
隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，8051內(nèi)核已經(jīng)被集成到各種片上系統(tǒng)(SoC" target="_blank">SoC)中，這些SoC具有更多的功能,、更快的速度,、更小的體積和功耗，同時(shí)可以繼續(xù)使用8051 MCU幾十年來(lái)積累的各種應(yīng)用軟件資源,，具有廣闊的發(fā)展空間,。許多國(guó)際知名公司，如TI,、ATMEL,、Chipcon、Nordic等都推出了各種兼容8051內(nèi)核的新一代短距離無(wú)線通信芯片,，Chipcon在2006年初被TI公司所收購(gòu),。通過(guò)分析比較發(fā)現(xiàn)，Chipcon公司的CC1010和Nordic公司的nRF9E5都可用于UHF RFID系統(tǒng),，而nRF9E5體積更小,、成本更低，且具有一些獨(dú)特的功能,。
nRF9E5功能分析
● 結(jié)構(gòu)組成
nRF9E5內(nèi)嵌8051兼容微控制器,、RF收發(fā)器和4通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
圖1 nRF9E5功能結(jié)構(gòu)框圖
nRF9E5的片內(nèi)微控制器與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容,，指令時(shí)序與標(biāo)準(zhǔn)8051稍有區(qū)別。中斷控制器支持5個(gè)擴(kuò)展中斷源：ADC中斷,、SPI中斷,、喚醒中斷和兩個(gè)無(wú)線收發(fā)中斷。此外,，還擴(kuò)展了兩個(gè)數(shù)據(jù)指針,，使得片外RAM存取數(shù)據(jù)更為方便。
nRF9E5內(nèi)置收發(fā)器具有與單片射頻收發(fā)器nRF905相同的功能,，可通過(guò)片內(nèi)MCU的并行口或SPI口與微控制器通信,。收發(fā)器由頻率合成器、功率放大器,、調(diào)制器和接收單元組成,。輸出功率,、頻道和其他射頻參數(shù)可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器RADIO編程進(jìn)行控制。在發(fā)射模式(TX)下,，最小工作電流僅為9mA(輸出功率-10dBm),，接收(RX)模式下的工作電流為12.5mA，掉電模式下的工作電流僅為2.5μA,?？梢?jiàn)，nRF9E5的功耗很低,，比較適宜應(yīng)用到有源RFID系統(tǒng)中,，以延長(zhǎng)電池壽命。
● 載波檢測(cè)
載波檢測(cè)是nRF9E5的一大特色功能,。在ShockBurst接收方式下,，當(dāng)工作信道內(nèi)有射頻載波出現(xiàn)時(shí)，載波檢測(cè)引腳(CD)被置高,。也就是說(shuō),，當(dāng)收發(fā)器準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它首先進(jìn)入接收模式并檢測(cè)所工作的信道是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)(信道是否空閑),，這是一種簡(jiǎn)單的傳輸前監(jiān)聽(tīng)協(xié)議,。載波檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)一般比靈敏度低5dB，比如,，靈敏度為-100dBm,，載波檢測(cè)功能探測(cè)低至-105dBm的載波。這個(gè)特性很好地避免了同一工作頻率下不同發(fā)射器數(shù)據(jù)包之間的碰撞,，對(duì)于解決RFID系統(tǒng)中的碰撞問(wèn)題很有幫助,。
● ShockBurst工作模式
nRF9E5采用Nordic公司的ShockBurst技術(shù)(自動(dòng)處理前綴、地址和CRC),，實(shí)現(xiàn)低速數(shù)據(jù)輸入，高速數(shù)據(jù)輸出,，從而降低了系統(tǒng)的平均功耗,。在ShockBurst接收模式下，當(dāng)收到一個(gè)有效地址的射頻數(shù)據(jù)包時(shí),，地址匹配寄存器(AM)和數(shù)據(jù)就緒寄存器(DR)通知片內(nèi)MCU把數(shù)據(jù)讀出,。在ShockBurst發(fā)送模式下，nRF905自動(dòng)給要發(fā)送的數(shù)據(jù)加上前綴和CRC校驗(yàn)碼,。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完后,，數(shù)據(jù)就緒寄存器(DR)會(huì)通知MCU數(shù)據(jù)已經(jīng)處理完畢。當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)送和接收任務(wù)時(shí),，將進(jìn)入空閑方式,。ShockBurst技術(shù)降低了MCU存儲(chǔ)器需求,，同時(shí)也縮短了軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。
有源UHF RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)
● 硬件設(shè)計(jì)
電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器是RFID系統(tǒng)中最重要的硬件組成部分,，將nRF9E5芯片應(yīng)用于有源UHF RFID系統(tǒng)(工作頻率為433MHz)中,，設(shè)計(jì)有源電子標(biāo)簽電路和讀寫(xiě)器框圖。
有源RFID系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽是自帶電池的,，可以主動(dòng)發(fā)送信號(hào),，而不像無(wú)源標(biāo)簽需要讀寫(xiě)器發(fā)出的無(wú)線電波能量激活才能工作。nRF9E5具有小體積,、低功耗,、優(yōu)越的電源管理方式和極少的外圍器件等特點(diǎn)，非常適用于有源電子標(biāo)簽中,。
圖2 有源標(biāo)簽基本框圖
圖2是有源標(biāo)簽的基本框圖,，其中電池可采用普通的3V紐扣電池，圖3是射頻收發(fā)電路的原理圖,，ANT1和ANT2為天線連接引腳,，采用PCB環(huán)形差分天線，可以進(jìn)一步減小標(biāo)簽的體積,。25320為EEPROM,，在nRF9E5上電后，系統(tǒng)根據(jù)引導(dǎo)程序,，把25320中的程序代碼拷貝到nRF9E5的4KB RAM中,。晶振工作頻率為16MHz，為了得到精確的內(nèi)部偏置電壓,，通常在引腳IREF和地之間接一個(gè)阻值為22kΩ,，誤差為1%的電阻。
圖3 射頻收發(fā)電路圖
RFID讀寫(xiě)器的任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號(hào),，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答,，對(duì)標(biāo)簽的對(duì)象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，將對(duì)象標(biāo)識(shí)信息連帶標(biāo)簽上其他相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理,。讀寫(xiě)器基本結(jié)構(gòu)如圖4所示,，可以將讀寫(xiě)器簡(jiǎn)化為控制系統(tǒng)和由射頻收發(fā)器組成的射頻模塊兩個(gè)基本的功能塊。
圖4 讀寫(xiě)器基本結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)通常采用ASIC組件和微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn),，主要功能有：與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信,，并執(zhí)行從應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來(lái)的動(dòng)作指令；控制與標(biāo)簽的通信過(guò)程,；信號(hào)的編碼與解碼,；執(zhí)行防碰撞算法；對(duì)讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密,；進(jìn)行讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的身份驗(yàn)證,。射頻模塊的主要功能是：產(chǎn)生高頻發(fā)射能量,；對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳輸給標(biāo)簽,；接收并解調(diào)來(lái)自標(biāo)簽的射頻信號(hào),。
在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，讀寫(xiě)器中的射頻模塊與有源標(biāo)簽中的射頻模塊電路類(lèi)似,，只是為了更有效地傳輸射頻信號(hào),，采用單端連接的50Ω阻抗天線，需要在芯片天線連接引腳和天線之間加一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò),，如圖5所示,。
圖5 射頻匹配網(wǎng)絡(luò)
控制系統(tǒng)中的微控制器可采用高性能的單片機(jī)或ARM處理器，數(shù)字處理單元可以采用DSP或FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì),，而RS-232串口,、以太網(wǎng)口是為和PC提供更多的接口選擇，這些內(nèi)容很多文獻(xiàn)已做了大量研究,，這里不再詳述,。在本系統(tǒng)中，采用三星的ARM9 S3C2440A作為微控制器,，將Xilinx Spartan-3E系列FPGA XC3S500E用作數(shù)字處理單元,。
● 通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)
由于讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間的通信可能會(huì)受到其他數(shù)據(jù)終端或外界環(huán)境的干擾而發(fā)生錯(cuò)誤，因此,，需要通信協(xié)議來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。nRF9E5的協(xié)議格式參見(jiàn)表1，其中,，前綴就是數(shù)據(jù)頭,，設(shè)備地址包括讀寫(xiě)器地址和標(biāo)簽地址，CRC校驗(yàn)碼可選為8位或16位,。
目前生產(chǎn)RFID產(chǎn)品的很多公司都采用自己的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),，國(guó)際上還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。就發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,，對(duì)于超高頻(UHF)RFID系統(tǒng),，ISO/IEC 18000-7(針對(duì)433MHz有源RFID系統(tǒng))和EPCglobal Class1 Gen2(針對(duì)860MHz～960MHz無(wú)源RFID系統(tǒng))協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，有望成為統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),。本文所設(shè)計(jì)的RFID系統(tǒng)通信協(xié)議依據(jù)ISO/IEC 18000-7協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。讀寫(xiě)器到標(biāo)簽的通信數(shù)據(jù)格式參見(jiàn)表2,，其中用戶(hù)ID,、標(biāo)簽ID和參數(shù)為可選項(xiàng)，由命令類(lèi)型決定是否選用,。標(biāo)簽到讀寫(xiě)器廣播式響應(yīng)的通信數(shù)據(jù)格式參見(jiàn)表3,。
● 軟件配置
在整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中,，無(wú)線射頻數(shù)據(jù)的傳輸是最主要的部分。首先要對(duì)nRF9E5進(jìn)行初始化配置,，這可以通過(guò)設(shè)置RF配置寄存器來(lái)完成,，配置內(nèi)容包括工作頻率、輸出功率,、自動(dòng)重發(fā)功能,、校驗(yàn)碼長(zhǎng)度等。部分代碼如下,。
#define HFREQ_PLL 0 // 0=433MHz, 1=868/915MHz
#define PA_PWR 3 // 0=最小功率,，...，3 =最大功率
#define CRC_MODE 1 // 0=8位校驗(yàn)碼,，1=16位校驗(yàn)碼
......
無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的流程分別如圖6和圖7所示,。圖中TRX_CE為發(fā)送和接收使能寄存器位，DR為數(shù)據(jù)就緒寄存器位,，AM為地址匹配寄存器位,，AUTO_RETRAN為自動(dòng)重發(fā)寄存器位。ShockBurst工作模式在前文已有介紹,。
圖6 nRF9E5發(fā)送數(shù)據(jù)流程
圖7 nRF9E5接受數(shù)據(jù)流程
本系統(tǒng)防碰撞問(wèn)題尚未完全解決,，在實(shí)際應(yīng)用中，需要重點(diǎn)考慮,。除前文提到nRF9E5的載波檢測(cè)功能外,，還需要有專(zhuān)門(mén)的防碰撞算法。目前,，用的較多的方法是ALOHA法和二進(jìn)制樹(shù)搜索算法,，以及由它們改進(jìn)發(fā)展得到的一系列算法，見(jiàn)參考文獻(xiàn)5～7,。
結(jié)束語(yǔ)
nRF9E5是目前外接元件需求最少的單片RF收發(fā)芯片之一,，覆蓋了國(guó)際上通用的ISM頻段，具有很多優(yōu)良的特性,，適于構(gòu)建各種無(wú)線數(shù)傳通信平臺(tái),，文中將其應(yīng)用于RFID系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一套有源UHF RFID系統(tǒng),，實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示,，最大通信距離近100米，有效識(shí)別距離超過(guò)20米,。這只是初步嘗試,，更多工作需要深入研究，系統(tǒng)實(shí)用性有待于進(jìn)一步驗(yàn)證,。
文章作者：解放軍電子工程學(xué)院 焦傳海