UHF頻段無(wú)源RFID讀寫(xiě)器系統總體方案設計

射頻識別技術(shù)

RFID技術(shù)是利用無(wú)線(xiàn)射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)信息數據的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。它可實(shí)現對運動(dòng)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(xiě)的方式，可以輸入數千字節的自定義信息到電子標簽，間接管理附帶有電子標簽的產(chǎn)品的信息；RFID技術(shù)具有非接觸 性，識別工作無(wú)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(wú)暴露的觸點(diǎn)，且不易損壞，使用壽命長(cháng)，可工作于各種惡劣環(huán)境。

基于以上特點(diǎn)，RFID技術(shù)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(dòng)控制、工業(yè)生產(chǎn)、身份識別、倉庫管理、安全管理、醫療、衛生、畜牧業(yè)管理、圖書(shū)檔案管理和國防軍事等諸多應用領(lǐng)域。

射頻識別系統一般由讀寫(xiě)器、電子標簽、天線(xiàn)和主機四部分組成，如圖1所示。

圖1 無(wú)源RFID系統框圖

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

總體設計方案

為設計出能穩定工作在UHF頻段的無(wú)源RFID讀寫(xiě)器，并盡可能提高其讀寫(xiě)距離，使該無(wú)源RFID讀寫(xiě)模塊能夠跟建筑設備物聯(lián)網(wǎng)很好地融合，實(shí)現對建筑設備內的人員檢測、定位，給建筑用電設備節能提供人員信息。方案對射頻識別系統的開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行了細化。

該方案按照模塊化的思想進(jìn)行設計，方便開(kāi)發(fā)、管理、系統升級和維護?？傮w來(lái)說(shuō)，無(wú)源RFID讀寫(xiě)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(xiě)器與電子標簽的數據通信。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(guò)自定義的I／O接口和函數聯(lián)系。外圍電路中，根據設計和實(shí)際應用的需要，又細分為：MCU控制模塊、無(wú)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(wú)源RFID讀寫(xiě)器系統結構如圖3所示：

圖2 UFH頻段無(wú)源RFID讀寫(xiě)器系統結構框圖

在整個(gè)讀寫(xiě)器系統中，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(jìn)行編碼和調制，通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出去以控制電子標簽進(jìn)行相關(guān)的讀寫(xiě)操 作，并接收來(lái)自電子標簽的信號，對該信號進(jìn)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(shí)，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、功率調節范圍更大的產(chǎn)品。芯片抗干擾能力無(wú)線(xiàn)通信易受干擾，因此，為保證數據通信的可靠性，應該選擇抗干擾能力強的芯片。芯片功耗在保證數據有效通信的前提下，應該選用芯片功耗較小的產(chǎn)品。芯片外圍元器件數目芯片外圍元器件數目一方面影響產(chǎn)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(chǎn)品開(kāi)發(fā)的難度和周期。

根據以上指標原則，同時(shí)根據設計的實(shí)際需要，如價(jià)格、性能參數等多方面的考慮，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(wú)線(xiàn)收發(fā)器工作在433／868／915 MHz的ISM頻段，由一個(gè)完全集成的頻率調制器、一個(gè)帶解調器的接收器、一個(gè)功率放大器、一個(gè)晶體振蕩器和一個(gè)調節器組成；可由片內硬件自動(dòng)完成曼徹斯 特編碼／解碼，不用用戶(hù)編寫(xiě)編碼／解碼程序；具有SPI接口，可以很容易通過(guò)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(gè)特點(diǎn)：STC12C5A60S2單片機與MCS-51 系列的單片機在指令系統和引腳上完全兼容；片內有8k字節在線(xiàn)可重復編程快擦寫(xiě)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字節內部RAM；32位雙向輸入輸出線(xiàn)；兩個(gè)十六位定時(shí)器/計數器；五個(gè)中斷源,兩級中斷優(yōu)先級；一個(gè)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(mǎn)足本設計方案的需要。

射頻收發(fā)模塊NRF905通過(guò)TRX_CE、PWR_UP、CD、AM、DR、MISO、MOSI、SCK、CSN、TX_EN等控制引腳以及數據和始終 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(shí)現對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(guò)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(lái)產(chǎn)生一個(gè)3.3V電源給NRF905射頻芯片供電。其硬件電路如圖7所示。

該方案針對UHF射頻模塊進(jìn)行了深入的研究和設計開(kāi)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(kāi)發(fā)的過(guò)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。

圖3 NRF905射頻收發(fā)模塊硬件電路

圖4 STC12C5A60S2單片機的外圍電路

圖5 擴展部分硬件電路

圖6 NRF905電源電路