51單片機與nRF401芯片在RFID系統中的應用

1 RFID系統簡(jiǎn)述

RFID即為非接觸的識別系統，它是一種從20世紀90年代興起的一項自動(dòng)識別技術(shù)，它利用無(wú)線(xiàn)射頻方式進(jìn)行 非接觸雙向通信，以達到識別目的并交換數據，其數據存儲在電子數據載體（稱(chēng)應答器）之中。然而，應答器的能量供應以及應答器與閱讀器之間的數據交換不是通 過(guò)電流的觸點(diǎn)接通而是通過(guò)磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)，這方面采用了無(wú)線(xiàn)電和雷達技術(shù)。射頻識別是無(wú)線(xiàn)電頻率識別的簡(jiǎn)稱(chēng)，即通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行識別。同其他識別系統相比， 射頻識別系統具有許多優(yōu)點(diǎn)。因此，射頻識別系統開(kāi)始占據了巨大的銷(xiāo)售市場(chǎng)。這方面的例子有:用非接觸Ic卡作短距離公共交通車(chē)票、公路收費系統以及在安全 系統、銀行、醫院、商店、賓館及個(gè)人通信等場(chǎng)所廣泛應用的無(wú)線(xiàn)呼叫系統，該系統與其他有線(xiàn)通信系統相比有著(zhù)性能及成本的優(yōu)勢。對于該系統在后而我們將較為 詳細地敘述。
2 基于A(yíng)T89C51與nRF401的RFID系統設計
AT89C51單片機簡(jiǎn)述

AT89C51是一種低功耗高性能的8位單片機，片內帶有一個(gè)4k字節的Flash可編擦除只 讀存儲器(PEROM），它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器(NURAM)技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統和MCU_51系列 單片機兼容。片內的Flash存儲器允許在系統內可改編程序或用常規的非易失性的存儲器編程器來(lái)編程。同時(shí)已具有三級程序存儲器保密的性能:

在 眾多的51系列單片機中，要算ATMEI公司的AT89C51更實(shí)用，因為它不僅和MCU_51系列單片機指令、管腳完全兼容，而且其片內的4k程序存儲 器是Flash工藝的，這種下藝的存儲器用戶(hù)可以用電的方式瞬間擦除、改寫(xiě)。所以說(shuō)這種單片機對開(kāi)發(fā)設備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫(xiě)入單片機的程 序還可以加密，這又很好地保護了所有者的勞動(dòng)成果。

無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF401簡(jiǎn)介

發(fā)射接收芯片采用挪 威Nordic公司新推出的集發(fā)射接收為一體的nRF401無(wú)線(xiàn)數傳芯片，它是一個(gè)為433MHz ISM頻段設計的真正單片機UHF無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，采用FSK調制解調技術(shù)。最高工作速率可達20k,發(fā)射功率可以調整，最人為+lOdBm。 nRF401集成度高，工作頻率穩定可靠，外圍元器件少，功耗極低，適合便攜式產(chǎn)品的設計。在以下設計的電路中(如圖3所示)通過(guò)AT89C51的 P2.5口控制射頻芯片的PWR_UP，使其為“1”時(shí)表示進(jìn)人正常工作模式，為“0”時(shí)表示進(jìn)人待機模式;P2.6接射頻芯片的CS,控制發(fā)送接收頻 率，為“1”表示工作頻率為434.32MHz.為“0”表示工作頻率為433.92MHz . P2.7控制射頻芯片的TXEN端，使其為“1”表示進(jìn)人發(fā)送模式，為“0"表示進(jìn)人接收模式。
系統設計

如前所述，AT89C51單片機片內帶有一個(gè)4k字節的Flash可編程可擦除只讀存儲器，這就決定了在某些方 面其自身的優(yōu)越性。眾所周知，編寫(xiě)程序絕大多數需要反復調試，數次修改，AT89C51的可擦除可編程特性極大地方便了編程者的調試修改工作因此，在 RFID系統中，AT89C51單片機得到了充分的應用。下面將以作者參與設計的無(wú)線(xiàn)呼叫系統為例詳細說(shuō)明。

在酒店等服務(wù)行業(yè)中，無(wú)線(xiàn)呼 叫系統有很大的應用前景，而把AT89C51作為控制部分應用于無(wú)線(xiàn)呼叫系統中將使系統功能更加靈活。系統包括發(fā)射和接收兩部分:發(fā)射部分由按鍵、 AT89C51單片機控制器和nRF401芯片組成;接收部分由nRF401、AT89C51一單片機控制器和LED顯示以及蜂鳴報警器組成。在發(fā)射器中 有約定的數據代碼，當按鍵時(shí)將數據代碼送入nRF401芯片，由它向外發(fā)射，同時(shí)接收部分由單片機控制nRF401芯片接收數據代碼并顯示報警，為了增強 系統靈活性，發(fā)射器中的數據代碼可以通過(guò)接口電路即時(shí)地輸入，并且接收器收到信號后反饋信息給發(fā)射器，即采用半雙工的工作方式。

圖2為復位電路，在此我們采取手動(dòng)復位的方式。圖3為發(fā)射控制部分電路，其實(shí)際功能是當按鍵按下時(shí)，與之相連的發(fā)光二極管閃耀，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報警 聲，從而在視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)上一起提醒呼叫者操作成功。其中的C14為退耦電容.可以為2.2 μF的電解電容。同時(shí)，因為AT89C51內部有程序存儲器，31腳接高電平（VCC），單片機啟動(dòng)后直接在內部讀取指令。圖4為無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路，采用環(huán)狀 差分天線(xiàn)。

（2)接收電路

圖5為接收電路示意圖，它由接收芯片nRF401、并行接口芯片8155、單片機AT89C51及共陰極LED和語(yǔ)音報警提示電路等組成。 CH1000是一種專(zhuān)為蜂鳴器設計的雙極型集成電路，當RF401接收到信號之后，其輸出驅動(dòng)外接壓電片HD發(fā)出報警聲。單片機通過(guò)并行接口8155驅動(dòng) LED顯示。

系統軟件部分

軟件設計時(shí)，要注意RF401模塊工作模式切換時(shí)，編程中要做相應的延時(shí)處理。 另外一個(gè)值得注意的問(wèn)題是在無(wú)線(xiàn)呼叫系統進(jìn)行工作時(shí)，可能會(huì )出現同時(shí)有幾個(gè)發(fā)射器處于接收器的工作范圍內，這樣當有兩個(gè)或兩個(gè)以上的發(fā)射器同時(shí)發(fā)送數據時(shí) 就會(huì )出現數據相互的干擾(碰撞)，所以就必須制定適當的通信方式。一般在RF1D系統中有兩種不同的基本通信方式：

第一種通信方式：從接收器到發(fā)射器的數據傳輸為第一種通信形式。發(fā)送的數據流同時(shí)被所有的發(fā)射器接收，此方式稱(chēng)為“無(wú)線(xiàn)廣播”(Radio)。

第二種通信方式:在接收器的應答范圍內有多個(gè)發(fā)射器的數據同時(shí)傳輸給閱讀器，這種通信方式稱(chēng)為多路存取。這是RFID系統中的主要通信方式之一。

RFID 系統是個(gè)小的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，所以應選用比較簡(jiǎn)單的多路存取方法?？梢允褂迷赗FID系統中的多路存取方法有ALOHA法，時(shí)隙ALOHA法，動(dòng)態(tài)時(shí)隙 ALOHA法，“二進(jìn)制搜索”算法和“動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索”算法等，在我們的無(wú)線(xiàn)呼叫系統中使用的是“動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索”算法，這種算法有效地避免了通信碰撞問(wèn) 題。

使用RF技術(shù)傳輸數據時(shí)很容易受外界的千擾：使傳輸的數據發(fā)生改變導致錯誤。校驗是用以識別并以一定的措施進(jìn)行數據校正的方法。在電 路設計中經(jīng)常使用的校驗方法有循環(huán)冗余校驗法(CRC)、海明碼、奇偶校驗碼等，本設計中采用最為簡(jiǎn)單的檢錯碼——奇偶校驗碼。奇偶校驗是一種簡(jiǎn)單的廣泛 使用的校驗方法。這種方法是把個(gè)奇偶校驗位組合到每一字節中，并被傳輸，即每字節發(fā)送九位，在數據傳輸前必須確定是用偶數校驗還是用奇數校驗，以保證發(fā)射 器和接收器二者都用同樣的方法進(jìn)行校驗。本設計采用偶數校驗。

3 結束語(yǔ)

本系統的無(wú)線(xiàn)通信采用半雙工方式，偶校驗。為了防止干擾，在做PCB板時(shí)采用1.6mmFR4板材的雙面板。通信距離100mm，運行可靠。