??? 摘 要： 提出一種新型2.4GHz有源RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程。利用單片集成無(wú)線收發(fā)模塊nRF24L01構(gòu)成射頻前端" title="射頻前端">射頻前端，使標(biāo)簽配置簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。充分利用標(biāo)簽射頻前端的不同工作模式，結(jié)合微控制器" title="微控制器">微控制器，實(shí)現(xiàn)有源標(biāo)簽" title="有源標(biāo)簽">有源標(biāo)簽的低功耗設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的微波頻段RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)方法相比，減小了標(biāo)簽體積。在識(shí)別距離相當(dāng)?shù)那疤嵯? 功耗得到顯著降低。
??? 關(guān)鍵詞： 射頻識(shí)別? 標(biāo)簽? 有源? 低功耗? nRF24L01
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??? 射頻識(shí)別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)被認(rèn)為是21 世紀(jì)最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一[1]。由于具有高速移動(dòng)物體識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別和非接觸識(shí)別等特點(diǎn)，RFID 技術(shù)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用空間。目前，我國(guó)已經(jīng)將RFID 技術(shù)應(yīng)用于鐵路車號(hào)識(shí)別、身份證和票證管理、動(dòng)物標(biāo)識(shí)、特種設(shè)備與危險(xiǎn)品管理、公共交通以及生產(chǎn)過程管理等多個(gè)領(lǐng)域。
??? 典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)由標(biāo)簽、讀寫器" title="讀寫器">讀寫器兩部分組成。其中標(biāo)簽由RFID電路和天線組成，按供電方式可以分為無(wú)源和有源兩種。無(wú)源標(biāo)簽不需要電池供電，具有成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。有源標(biāo)簽需要電池供電，平時(shí)處于低功耗節(jié)能狀態(tài)，當(dāng)被閱讀器觸發(fā)時(shí)，進(jìn)入通信狀態(tài)。按照工作頻率的不同，RFID 標(biāo)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(guó)際上RFID應(yīng)用在能量供給方面以無(wú)源標(biāo)簽為主，在工作頻率上以LF和HF標(biāo)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(biāo)簽具有標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)、定位精確、可被讀取距離遠(yuǎn)、通訊速度快、可儲(chǔ)存信息多等優(yōu)點(diǎn)。隨著集成電路尺寸的減小以及成本的進(jìn)一步降低，更適合未來應(yīng)用，因此，有源超高頻、微波頻段的標(biāo)簽是當(dāng)前電子標(biāo)簽研究的重點(diǎn)。
??? 近年來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，短距離無(wú)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(hào)射頻收發(fā)芯片，加上少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無(wú)線通信模塊。通信模塊一般包含簡(jiǎn)單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡(jiǎn)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(shè)置完成，依據(jù)命令字進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)無(wú)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(gè)全球的ISM頻段，使用時(shí)無(wú)需申請(qǐng)。本文以NORDIC公司射頻芯片nRF24L01為核心，設(shè)計(jì)有源RFID標(biāo)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，體積很小；發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設(shè)置完成[4]，配置簡(jiǎn)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(biāo)簽應(yīng)用。
1 有源標(biāo)簽硬件設(shè)計(jì)
1.1 硬件電路結(jié)構(gòu)
??? 典型的有源標(biāo)簽電路包括天線、射頻前端、控制器、存儲(chǔ)器，電池模塊等，如圖1所示。其中射頻前端負(fù)責(zé)發(fā)送調(diào)制、接收解調(diào)標(biāo)簽與讀寫器之間的指令信號(hào)和反射應(yīng)答信號(hào)。微控制器執(zhí)行讀寫器的指令，完成標(biāo)簽的正確識(shí)別。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)標(biāo)簽識(shí)別程序和射頻標(biāo)簽相關(guān)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(hào)射頻收發(fā)芯片集成了無(wú)線通訊系統(tǒng)的大部分功能，外加少量外圍器件即可構(gòu)成專用或通用無(wú)線通信模塊，簡(jiǎn)化了射頻前端的設(shè)計(jì)。Nordic 公司的超低功耗單片無(wú)線收發(fā)器nRF24L01，工作于2.4GHz～2.5GHz ISM頻段，該器件有125個(gè)頻點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線通信，同時(shí)可采用改頻和跳頻來避免干擾。最大傳輸速率可達(dá)2Mb/s，是理想的標(biāo)簽射頻前端芯片；天線的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)標(biāo)簽系統(tǒng)的性能有較大影響[5]。由于波長(zhǎng)短，可通過設(shè)計(jì)阻抗匹配電路使輸出匹配50、1/4波長(zhǎng)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(biāo)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(chǔ)器可以選擇串行E2PROM 25AA320，這使得閱讀器不僅可以讀出標(biāo)簽數(shù)據(jù)，還可以將相關(guān)信息寫入標(biāo)簽。相關(guān)原理圖如圖3所示。
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??? 在印制板設(shè)計(jì)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(biāo)簽小型化的需求。
1.2 標(biāo)簽低功耗設(shè)計(jì)
?? ?由于有源電子標(biāo)簽采用電池供電，而電池的容量和使用時(shí)間有限，所以必須對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，從而盡可能延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。而在整個(gè)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)中，射頻前端芯片的選取直接影響標(biāo)簽的功耗，因?yàn)闃?biāo)簽消耗能量的近2/3用于無(wú)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(shí)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(shí)突發(fā)模式使得像89LV51這種低成本和速度相對(duì)較慢的微控制器可處理2Mb/s的無(wú)線傳輸。在增強(qiáng)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(dòng)回傳應(yīng)答信號(hào)ACK，如果發(fā)送端沒有收到應(yīng)答信號(hào)，說明檢測(cè)到有數(shù)據(jù)丟失，則自動(dòng)重傳丟失的數(shù)據(jù)包。nRF24L01用增強(qiáng)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(shí)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(jìn)一步降低。微控制器無(wú)需參與整個(gè)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(guān)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(jī)模式" title="待機(jī)模式">待機(jī)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(jìn)入待機(jī)模式I。待機(jī)模式II在待機(jī)模式I的基礎(chǔ)上激活了部分必須的時(shí)鐘緩存器。這兩種模式都是為了減小功耗而設(shè)計(jì)的，具有最小化平均消耗電流以及較短的喚醒時(shí)間。
2 標(biāo)簽軟件設(shè)計(jì)
2.1 寄存器設(shè)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(wú)線傳輸速率、無(wú)線收發(fā)模式以及CRC校驗(yàn)的長(zhǎng)度和有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度等信息都在射頻收發(fā)芯片的寄存器配置字中設(shè)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(biāo)號(hào)、有效數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)。其中，前同步碼在發(fā)送時(shí)由硬件添加，接收時(shí)由硬件自動(dòng)剝離。地址寬度為24～40位，數(shù)據(jù)包標(biāo)號(hào)可以防止微控制器連續(xù)接收同一個(gè)數(shù)據(jù)包，有效數(shù)據(jù)寬為1～32B，CRC是CRC校驗(yàn)和，它可由內(nèi)置CRC糾檢錯(cuò)硬件電路自動(dòng)加上，可設(shè)為0～2B。設(shè)置較短的地址和校驗(yàn)和可以增加有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，提高傳輸效率，但會(huì)使可靠性降低。
2.2 標(biāo)簽指令接收子程序
??? 接收子程序流程如圖4所示，標(biāo)簽上電后，首先進(jìn)行初始化，使標(biāo)簽完成與接收模式相關(guān)的配置寄存器的設(shè)置，完成后進(jìn)入掉電模式。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器范圍，經(jīng)外部觸發(fā)后，將CE 設(shè)為高，經(jīng)過130μs后，標(biāo)簽從掉電模式進(jìn)入接收模式，開始監(jiān)聽空中的數(shù)據(jù)包。
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????當(dāng)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(jìn)哪個(gè)DATA PIPE。若自動(dòng)確認(rèn)有效，則ACK消息被發(fā)回。MCU設(shè)置CE為低，進(jìn)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(chǔ)器中射頻標(biāo)簽的相關(guān)信息，并通過SPI接口返回給nRF24L01，程序設(shè)置標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)送模式。
2.3 標(biāo)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(biāo)簽收發(fā)模塊開啟成發(fā)射狀態(tài)，閱讀器返回標(biāo)簽存儲(chǔ)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(shè)置為接收應(yīng)答信號(hào)ACK。當(dāng)CE置高脈沖時(shí)，開始發(fā)送。數(shù)據(jù)以1Mb/s或2Mb/s（由MCU設(shè)定）的速率發(fā)送。若自動(dòng)應(yīng)答（Auto Acknowledgement）有效，則立即進(jìn)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(dòng)重傳有效）。若自動(dòng)重傳計(jì)數(shù)器ARC_CNT超出了寄存器SETUP_RETR_ARC中設(shè)置的最大限制，則狀態(tài)寄存器中的MAX_RT位置高，此時(shí)，IRQ有效，產(chǎn)生MAX_RT中斷，同時(shí)包丟失計(jì)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(wú)法進(jìn)行進(jìn)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(jìn)入待機(jī)模式（Standby-Ⅱ）；若FIFO不為空，則器件發(fā)送完當(dāng)前數(shù)據(jù)后進(jìn)入待機(jī)模式（Standby-Ⅰ）。讀寫器在接收標(biāo)簽信息后，發(fā)送指令，置PWR_UP=0，使標(biāo)簽進(jìn)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(guó)際通用ISM頻段的RFID有源射頻標(biāo)簽設(shè)計(jì)。由于采用了單片集成射頻前端，使應(yīng)用系統(tǒng)更為簡(jiǎn)化，增強(qiáng)了無(wú)線系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)也使得開發(fā)變得簡(jiǎn)單，降低了成本，室內(nèi)實(shí)際工作距離約10m(通過良好匹配的天線設(shè)計(jì)可適度增加)。如果在本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)體積小、功耗低、重建方便、易于擴(kuò)展、可靠性高，適用于對(duì)體積和功耗要求較高的RFID應(yīng)用場(chǎng)合。
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