主動式微波RFID系統(tǒng)模塊設計

主動式微波RFID系統(tǒng)模塊設計1引言射頻識別(RFID)是利用射頻頻段實現非接觸雙向通信進行識別和交換數據的一種自動識別技術。根據射頻卡的數據調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、數據容量大、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和微機械加工制造技術的進步，微型智能射頻卡得到了發(fā)展，在低功耗IC技術方面的突破，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)中關鍵的通信模塊設計方案。2RFID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據傳給上位機。射頻卡放置在待識別的物體上，他是RFID系統(tǒng)真正的數據載體。射頻卡通常由耦合元件和微電子芯片組成。其結構框圖如圖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，根據射頻卡的數據調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)送數據給閱讀器，調制方式可為調幅、調頻或調相。被動式系統(tǒng)中射頻卡采用調制反向散射方式發(fā)射數據，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RFID產品的小型化、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、調制解調、多頻道切換等功能，采用抗干擾能力強的GFSK調制解調技術，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硬件完成，內建待機和掉電模式，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，使得數據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個內部配置寄存器。其中，狀態(tài)寄存器包含數據就緒(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)送目標地址和數據字節(jié)長度信息，有效發(fā)送數據寄存器包含待發(fā)送的有效ShockBurst數據包信息，有效接收數據寄存器包含接收到的有效ShockBurst數據包信息。掉電模式下nRF905的工作電流僅為215μA且寄存器內容不變。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。而現有的基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)或數字信號處理(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)，內含128B的隨機存取數據存儲器RAM和2kB的可反復擦寫FLASH只讀程序存儲器，可以將驅動及控制nRF905的程序寫入該閃存，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電平轉換芯片，U1是MaximIntegratedProducts公司生產的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，復位輸出產生并保持至少140ms。4通信協(xié)議設計數據通信的雙方必須遵守相互約定的通信協(xié)議才能實現安全、可靠、有效的數據通信。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據交換構成一個無線數據通信系統(tǒng)，數據通過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，通信等功能函數編程寫入控制系統(tǒng)，通過調用函數功能模塊以完成特定的功能，如物流跟蹤、自動收費等。4.1數據幀格式

為減少無線通信中的相互干擾，提高通信效率，待傳輸的數據必須先打包成數據幀。數據幀的長度必須合適，太長則易被干擾，太短會導致通信效率低。本文設計了表2所示的數據幀格式，其中前導碼為nRF905自動產生，用來進行接收和發(fā)射數據同步;地址(2B)是發(fā)送的目的地址，要求在本RFID系統(tǒng)內無重復;數據長度(1B)用來指明有效數據的長度;有效數據(4B);校驗字為8位的CRC校驗，由nRF905中硬件電路產生。4.2數據通信流程

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據通信采用傳輸前偵聽的“載波檢測協(xié)議”，即接收數據前先檢測載波信息(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)時才接收數據包;發(fā)送數據前也要先轉到接收模式偵聽CD引腳為低電平(要傳輸的頻率通道未被占用)方轉入發(fā)射模式發(fā)送數據;使用此協(xié)議可以實現簡單有效的防碰撞。此外還可以根據需要對MCU編程實現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)射或接收數據的模式，在閱讀器與射頻卡之間進行無線通信，接收或發(fā)射完有效的數據包后數據就緒引腳DR被置高，MCU檢測到DR為高，即將nRF905轉入低功耗的待機模式。此時MCU還可通過SPI口讀出