??? 摘 要： 提出一種新型2.4GHz有源RFID標簽結構，并進行了硬件電路設計和軟件編程。利用單片集成無線收發(fā)模塊nRF24L01構成射頻前端" title="射頻前端">射頻前端，使標簽配置簡單，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強。充分利用標簽射頻前端的不同工作模式，結合微控制器" title="微控制器">微控制器，實現(xiàn)有源標簽" title="有源標簽">有源標簽的低功耗設計。與傳統(tǒng)的微波頻段RFID標簽設計方法相比，減小了標簽體積。在識別距離相當?shù)那疤嵯? 功耗得到顯著降低。
??? 關鍵詞： 射頻識別? 標簽? 有源? 低功耗? nRF24L01
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??? 射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術被認為是21 世紀最有發(fā)展前途的信息技術之一[1]。由于具有高速移動物體識別、多目標識別和非接觸識別等特點，RFID 技術顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應用空間。目前，我國已經(jīng)將RFID 技術應用于鐵路車號識別、身份證和票證管理、動物標識、特種設備與危險品管理、公共交通以及生產(chǎn)過程管理等多個領域。
??? 典型的射頻識別系統(tǒng)由標簽、讀寫器" title="讀寫器">讀寫器兩部分組成。其中標簽由RFID電路和天線組成，按供電方式可以分為無源和有源兩種。無源標簽不需要電池供電，具有成本低、可靠性高等優(yōu)點。有源標簽需要電池供電，平時處于低功耗節(jié)能狀態(tài)，當被閱讀器觸發(fā)時，進入通信狀態(tài)。按照工作頻率的不同，RFID 標簽分為低頻（LF，135kHz以下)、高頻(HF，13．56MHz)、超高頻(UHF，860MHz～960MHz)和微波頻段（MW，2.4GHz以上)。目前國際上RFID應用在能量供給方面以無源標簽為主，在工作頻率上以LF和HF標簽產(chǎn)品為主[2]。但是，研究發(fā)現(xiàn)[3]，有源超高頻、微波頻段的標簽具有標簽信號強、定位精確、可被讀取距離遠、通訊速度快、可儲存信息多等優(yōu)點。隨著集成電路尺寸的減小以及成本的進一步降低，更適合未來應用，因此，有源超高頻、微波頻段的標簽是當前電子標簽研究的重點。
??? 近年來，隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，短距離無線通信系統(tǒng)的大部分功能都可以集成到一塊芯片內(nèi)部[4]，一般使用單片數(shù)字信號射頻收發(fā)芯片，加上少量外圍器件構成專用或通用無線通信模塊。通信模塊一般包含簡單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設置完成，依據(jù)命令字進行基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能操作。采用GFSK調(diào)制方式，工作于ISM頻段，例如在微波頻段范圍內(nèi)，2.4GHz是一個全球的ISM頻段，使用時無需申請。本文以NORDIC公司射頻芯片nRF24L01為核心，設計有源RFID標簽。該芯片功耗低，使用1.9V～3.6Ｖ工作電源，可采用電池供電；極少的外圍電路，所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，采用4mm×4mm QFN封裝，體積很?。话l(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設置完成[4]，配置簡單、一致性好、性能穩(wěn)定且不受外界影響，非常適合用于有源標簽應用。
1 有源標簽硬件設計
1.1 硬件電路結構
??? 典型的有源標簽電路包括天線、射頻前端、控制器、存儲器，電池模塊等，如圖1所示。其中射頻前端負責發(fā)送調(diào)制、接收解調(diào)標簽與讀寫器之間的指令信號和反射應答信號。微控制器執(zhí)行讀寫器的指令，完成標簽的正確識別。存儲器存儲標簽識別程序和射頻標簽相關信息。
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??? 傳統(tǒng)的射頻前端接收部分包括帶通濾波器、低噪聲放大器、本振、檢波整形、放大器等，發(fā)射部分包括調(diào)制器、功率放大器、帶通濾波器等。而單片數(shù)字信號射頻收發(fā)芯片集成了無線通訊系統(tǒng)的大部分功能，外加少量外圍器件即可構成專用或通用無線通信模塊，簡化了射頻前端的設計。Nordic 公司的超低功耗單片無線收發(fā)器nRF24L01，工作于2.4GHz～2.5GHz ISM頻段，該器件有125個頻點，能夠實現(xiàn)點對點、點對多點的無線通信，同時可采用改頻和跳頻來避免干擾。最大傳輸速率可達2Mb/s，是理想的標簽射頻前端芯片；天線的設計對整個標簽系統(tǒng)的性能有較大影響[5]。由于波長短，可通過設計阻抗匹配電路使輸出匹配50、1/4波長偶極子微帶印制板天線以獲得較大的輸出功率和較高的接收靈敏度。射頻標簽前端電路圖如圖2所示。
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??? MCU選擇通用低功耗微處理器89LV51；存儲器可以選擇串行E2PROM 25AA320，這使得閱讀器不僅可以讀出標簽數(shù)據(jù)，還可以將相關信息寫入標簽。相關原理圖如圖3所示。
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??? 在印制板設計方面，由于均采用表貼器件，整版尺寸可以控制在20mm×15mm內(nèi)，滿足有源標簽小型化的需求。
1.2 標簽低功耗設計
?? ?由于有源電子標簽采用電池供電，而電池的容量和使用時間有限，所以必須對標簽進行低功耗設計，從而盡可能延長電池使用時間。而在整個標簽結構中，射頻前端芯片的選取直接影響標簽的功耗，因為標簽消耗能量的近2/3用于無線收發(fā)[6]。nRF24L01芯片功耗低，使用1.9V～3.6Ｖ工作電源，可采用電池供電，在相同工作模式下，比同類公司芯片節(jié)省近1/3的能量。芯片在不同模式下的工作電流如表1所示。
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??? nRF24L01具有突發(fā)傳遞（ShockBurst）的收發(fā)工作模式[3]。該模式允許用戶使用較低速經(jīng)微控制器把數(shù)據(jù)傳入nRF24L01芯片，芯片內(nèi)部開辟有FIFO緩存區(qū)，在緩沖區(qū)內(nèi)將數(shù)據(jù)組幀，以高速將數(shù)據(jù)發(fā)射出去。這樣縮短了發(fā)射模塊的發(fā)射時間，減少了發(fā)射模塊的切換次數(shù)，降低了發(fā)射電流損耗，使射頻芯片間歇工作，降低功耗。同時突發(fā)模式使得像89LV51這種低成本和速度相對較慢的微控制器可處理2Mb/s的無線傳輸。在增強型突發(fā)傳遞（Enhanced ShockBurst）模式中，鏈路層以固件形式集成在芯片中，可以在接收到數(shù)據(jù)包后自動回傳應答信號ACK，如果發(fā)送端沒有收到應答信號，說明檢測到有數(shù)據(jù)丟失，則自動重傳丟失的數(shù)據(jù)包。nRF24L01用增強型突發(fā)傳遞模式處理了所有鏈路層的高速操作，使雙向鏈路的通信更易于控制和實現(xiàn)，由于系統(tǒng)微控制器不需要具備硬件SPI接口，使系統(tǒng)成本進一步降低。微控制器無需參與整個雙向鏈路的通信，降低了微控制器的功耗。
??? 芯片提供掉電模式（Power Down mode），在此工作模式下，器件的所有功能除SPI接口外全部關閉，使得芯片的消耗電流最低。寄存器的值全部保留，可以在芯片處于掉電模式下與微處理器通信。
??? 芯片還提供待機模式" title="待機模式">待機模式（Standby mode）。為減小電流損耗，部分內(nèi)部振蕩器停振，RF收發(fā)單元停止工作，系統(tǒng)進入待機模式I。待機模式II在待機模式I的基礎上激活了部分必須的時鐘緩存器。這兩種模式都是為了減小功耗而設計的，具有最小化平均消耗電流以及較短的喚醒時間。
2 標簽軟件設計
2.1 寄存器設置和數(shù)據(jù)包格式
??? 射頻收發(fā)器的接收地址、收發(fā)頻率、發(fā)射功率、無線傳輸速率、無線收發(fā)模式以及CRC校驗的長度和有效數(shù)據(jù)的長度等信息都在射頻收發(fā)芯片的寄存器配置字中設置。完整的射頻數(shù)據(jù)包由五部分組成，由高到低分別為前同步碼、地址、數(shù)據(jù)包標號、有效數(shù)據(jù)和CRC校驗。其中，前同步碼在發(fā)送時由硬件添加，接收時由硬件自動剝離。地址寬度為24～40位，數(shù)據(jù)包標號可以防止微控制器連續(xù)接收同一個數(shù)據(jù)包，有效數(shù)據(jù)寬為1～32B，CRC是CRC校驗和，它可由內(nèi)置CRC糾檢錯硬件電路自動加上，可設為0～2B。設置較短的地址和校驗和可以增加有效數(shù)據(jù)長度，提高傳輸效率，但會使可靠性降低。
2.2 標簽指令接收子程序
??? 接收子程序流程如圖4所示，標簽上電后，首先進行初始化，使標簽完成與接收模式相關的配置寄存器的設置，完成后進入掉電模式。當標簽進入閱讀器范圍，經(jīng)外部觸發(fā)后，將CE 設為高，經(jīng)過130μs后，標簽從掉電模式進入接收模式，開始監(jiān)聽空中的數(shù)據(jù)包。
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????當接收到有效數(shù)據(jù)包后(地址匹配，CRC正確)，數(shù)據(jù)被放入RX_FIFO中。狀態(tài)寄存器中的RX_DR位置高，IRQ有效。狀態(tài)寄存器中的RX_P_NO指明數(shù)據(jù)被收進哪個DATA PIPE。若自動確認有效，則ACK消息被發(fā)回。MCU設置CE為低，進入Standby-Ⅰ低電流模式，并以合適的速率，通過SPI接口讀出指令數(shù)據(jù)。微控制器執(zhí)行讀寫器指令，讀取存儲器中射頻標簽的相關信息，并通過SPI接口返回給nRF24L01，程序設置標簽進入發(fā)送模式。
2.3 標簽信息發(fā)送子程序
????發(fā)送子程序流程如圖5所示，執(zhí)行完閱讀器指令，標簽收發(fā)模塊開啟成發(fā)射狀態(tài)，閱讀器返回標簽存儲的數(shù)據(jù)信息。
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????在發(fā)送模式下，SPI接口有效。MCU把有效數(shù)據(jù)TX_PLD和目的地址TX_ADDR送入nRF24L01。數(shù)據(jù)通道0設置為接收應答信號ACK。當CE置高脈沖時，開始發(fā)送。數(shù)據(jù)以1Mb/s或2Mb/s（由MCU設定）的速率發(fā)送。若自動應答（Auto Acknowledgement）有效，則立即進入接收模式接收ACK消息。若收到ACK，表明傳送成功，數(shù)據(jù)從TX FIFO中刪除；若未收到ACK，則數(shù)據(jù)重傳（自動重傳有效）。若自動重傳計數(shù)器ARC_CNT超出了寄存器SETUP_RETR_ARC中設置的最大限制，則狀態(tài)寄存器中的MAX_RT位置高，此時，IRQ有效，產(chǎn)生MAX_RT中斷，同時包丟失計數(shù)器PLOS_CNT加1。TX_FIFO中的數(shù)據(jù)不被刪除，在沒有消除MAX_RT中斷前，無法進行進一步傳送。TX_FIFO中的有效數(shù)據(jù)繼續(xù)被發(fā)送，若FIFO為空，而CE仍保持為高，則器件進入待機模式（Standby-Ⅱ）；若FIFO不為空，則器件發(fā)送完當前數(shù)據(jù)后進入待機模式（Standby-Ⅰ）。讀寫器在接收標簽信息后，發(fā)送指令，置PWR_UP=0，使標簽進入掉電模式。
??? 本文介紹了一種以低功耗射頻收發(fā)芯片nRF24L01為核心，可工作于2.4GHz的國際通用ISM頻段的RFID有源射頻標簽設計。由于采用了單片集成射頻前端，使應用系統(tǒng)更為簡化，增強了無線系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時也使得開發(fā)變得簡單，降低了成本，室內(nèi)實際工作距離約10m(通過良好匹配的天線設計可適度增加)。如果在本設計中加入防沖撞算法和安全加密算法，也可用于RFID讀寫器的設計。整個系統(tǒng)體積小、功耗低、重建方便、易于擴展、可靠性高，適用于對體積和功耗要求較高的RFID應用場合。
參考文獻
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