UHF頻段無源RFID讀寫器系統(tǒng)總體方案設計詳解

RFID技術是利用無線射頻方式進行非接觸雙向通信，自動識別目標對象并獲取相關信息數(shù)據的無線通信技術。它可實現(xiàn)對運動目標的快速識別和多目標識別，識 別的距離可達幾十厘米至幾十米;根據讀寫的方式，可以輸入數(shù)千字節(jié)的自定義信息到電子標簽，間接管理附帶有電子標簽的產品的信息;RFID技術具有非接觸 性，識別工作無須人工干預，具有極高的保密性;RFID電子標簽不同于磁卡或IC卡，無暴露的觸點，且不易損壞，使用壽命長，可工作于各種惡劣環(huán)境。

基于以上特點，RFID技術在世界各地得到了廣泛的應用，主要有商品防偽、交通運輸、自動控制、工業(yè)生產、身份識別、倉庫管理、安全管理、醫(yī)療、衛(wèi)生、畜牧業(yè)管理、圖書檔案管理和國防軍事等諸多應用領域。

射頻識別系統(tǒng)一般由讀寫器、電子標簽、天線和主機四部分組成，如圖1所示。

圖1 無源RFID系統(tǒng)框圖

射頻識別系統(tǒng)的工作流程并不復雜：主機通過與讀寫器的數(shù)據傳輸通道發(fā)送用戶命令;讀寫器接收命令，對信號進行編碼和調制后，通過發(fā)射天線在一定的區(qū)域內發(fā) 送出去;標簽進入磁場后，接收到讀寫器發(fā)出的射頻信號，感應電流獲得能量，完成數(shù)據的存儲、發(fā)送或其他操作：讀寫器通過接收天線接收到電子標簽返回的數(shù) 據，進行解碼和解調，必要時將處理后的數(shù)據送至主機;主機接收到讀寫器送回的數(shù)據，進行相關的處理。

總體設計方案

為設計出能穩(wěn)定工作在UHF頻段的無源RFID讀寫器，并盡可能提高其讀寫距離，使該無源RFID讀寫模塊能夠跟建筑設備物聯(lián)網很好地融合，實現(xiàn)對建筑設備內的人員檢測、定位，給建筑用電設備節(jié)能提供人員信息。方案對射頻識別系統(tǒng)的開發(fā)流程進行了細化。

該方案按照模塊化的思想進行設計，方便開發(fā)、管理、系統(tǒng)升級和維護?？傮w來說，無源RFID讀寫器主要由三大部分構成：射頻收發(fā)模塊、MCU主控模塊和外圍電路。射頻收發(fā)模塊處理讀寫器與電子標簽的數(shù)據通信。該模塊的設計目標是設計出一款通用的應用于915MHz的射頻收發(fā)模塊，與控制部分通過自定義的I/O接口和函數(shù)聯(lián)系。外圍電路中，根據設計和實際應用的需要，又細分為：MCU控制模塊、無源RFID射頻模塊、復位電路模塊、電源管理模塊、RS232接口、擴展I/O口等。

UHF頻段無源RFID讀寫器系統(tǒng)結構如圖3所示：

圖2 UFH頻段無源RFID讀寫器系統(tǒng)結構框圖

在整個讀寫器系統(tǒng)中，RFID射頻收發(fā)模塊的功能是接收上位機的命令，根據命令對信息進行編碼和調制，通過天線發(fā)送出去以控制電子標簽進行相關的讀寫操 作，并接收來自電子標簽的信號，對該信號進行解調和解碼，確定是佩戴該電子標簽的人員信息。在選擇射頻芯片時，主要參考以下指標：

芯片發(fā)射功率發(fā)射功率決定了射頻芯片的信號覆蓋范圍，發(fā)射功率越高，信號覆蓋范圍也越廣，因此，在同等條件下為保證有效通信，應該選擇發(fā)射功率較高、功率調節(jié)范圍更大的產品。芯片抗干擾能力無線通信易受干擾，因此，為保證數(shù)據通信的可靠性，應該選擇抗干擾能力強的芯片。芯片功耗在保證數(shù)據有效通信的前提下，應該選用芯片功耗較小的產品。芯片外圍元器件數(shù)目芯片外圍元器件數(shù)目一方面影響產品成本，一方面對元器件的焊接和調試有影響，因此應該選用外圍元器件較少的芯片。

使用方便性應該選用使用和編程都方便的芯片，降低產品開發(fā)的難度和周期。

根據以上指標原則，同時根據設計的實際需要，如價格、性能參數(shù)等多方面的考慮，nRF905在擴展功能、外圍元器件和使用方便性等方面有較好的優(yōu)勢，因此，方案采用nRF905作為本設計射頻收發(fā)模塊采用的主芯片。

nRF905單片無線收發(fā)器工作在433/868/915 MHz的ISM頻段，由一個完全集成的頻率調制器、一個帶解調器的接收器、一個功率放大器、一個晶體振蕩器和一個調節(jié)器組成;可由片內硬件自動完成曼徹斯 特編碼/解碼，不用用戶編寫編碼/解碼程序;具有SPI接口，可以很容易通過該接口與具有SPI接口的微控制器通訊，編程配置非常方便;電流消耗很低。

該設計采用宏晶科技的STC12C5A60S2單片機，STC12C5A60S2單片機具有以下幾個特點：STC12C5A60S2單片機與MCS-51 系列的單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容;片內有8k字節(jié)在線可重復編程快擦寫程序存儲器;全靜態(tài)工作,工作范圍:0Hz～24MHz;三級程序存儲器加 密;512字節(jié)內部RAM;32位雙向輸入輸出線;兩個十六位定時器/計數(shù)器;五個中斷源,兩級中斷優(yōu)先級;一個全雙工的異步串行口;間歇和掉電兩種工作 方式。采用該款單片機足以滿足本設計方案的需要。

射頻收發(fā)模塊NRF905通過TRX_CE、PWR_UP、CD、AM、DR、MISO、MOSI、SCK、CSN、TX_EN等控制引腳以及數(shù)據和始終 引腳分別與單片機的P1.0～P1.7以及P2.0、P2.1等一腳相連，實現(xiàn)對NRF905的控制。硬件電路如圖4所示。

控制部分模塊給出了STC12C5A60S2單片機的外圍電路，如圖5所示。T擴展部分引出了部分I/O以便以后擴展應用以及通過串口和上位機通信。該部分硬件電路如圖6所示。NRF905工作電源硬件是用來產生一個3.3V電源給NRF905射頻芯片供電。其硬件電路如圖6所示。

該方案針對UHF射頻模塊進行了深入的研究和設計開發(fā)，主要設計了NRF905射頻模塊硬件電路、RFID主控制模塊硬件電路以及其他輔助、擴展部分的硬件電路。在設計開發(fā)的過程中順利完成了射頻模塊部分的資料收集和設計工作，取得了一定的成果。

審核編輯：符乾江