微波頻段的主動式射頻識別系統(tǒng)的通信模塊設計方案 - 全文

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)設計

射頻芯片應用于RFID系統(tǒng)設計可以實現(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)展和應用。下面是以無線射頻芯片nRF905為例的主動式RFID系統(tǒng)設計。

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，這點在設計通信協(xié)議時應充分考慮到。

3.2　主動式RFID系統(tǒng)硬件設計

以往的射頻識別系統(tǒng)硬件設計通常基于分立元件，設計工作量大、硬件集成度低、成本高、開發(fā)周期長。而現(xiàn)有的基于復雜可編程邏輯器件（CPLD） 或數(shù)字信號處理（DSP）芯片的設計通常需要完成復雜的通信模塊軟件設計，成本也相對較高［5］。而本文應用nRF905設計的主動式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)議設計簡潔等優(yōu)點;大大降低了設計成本，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)的硬件設計框圖如圖2所示。

圖2　采用nRF905的主動式RFID系統(tǒng)硬件設計框圖

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而簡化了電路設計降低了系統(tǒng)功耗。本設計采用為MAX6821作為監(jiān)控電路對MCU進行上電復位，比傳統(tǒng)阻容復位更加可靠，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個工廠預設的門限可供使用。當電源電壓下降到復位門限以下時，復位輸出產(chǎn)生并保持至少 140ms。

4　通信協(xié)議設計

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)議設計是系統(tǒng)設計的一個至關(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;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，可以廣泛應用于對數(shù)據(jù)實時性要求高及數(shù)據(jù)需反復讀寫的場合。