基于MSC1211單片機的RFID接收系統設計

摘要：為了滿(mǎn)足現有和新興RFID標準的要求，設計了一種以MSC1211單片機為控制核心的高頻RFID接收系統。介紹了MSC1211單片機的特點(diǎn)與性能，闡述了RFID接收系統基帶電路的工作原理，敘述了接收器的程序設計方法并給出了程序流程圖。
關(guān)鍵詞：RFID;  MSC1211;  濾波;  放大器

1引言

    射頻識別技術(shù)RFID（Radio Frequency Identification，）是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)，利用射頻信號及其空間耦合和傳輸特性進(jìn)行的非接觸雙向通信，數據交換不是通過(guò)電流的觸點(diǎn)接通而是通過(guò)電場(chǎng)與磁場(chǎng)，即通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式通信，實(shí)現對靜止或移動(dòng)物體的自動(dòng)識別。目前我國對于RFID技術(shù)的研究仍然停留在低頻RFID領(lǐng)域的初級階段，其低頻RFID接收器存在識別距離近、精度低、功耗大以及抗干擾差等缺點(diǎn)。為了適用于要求識別距離長(cháng)、讀寫(xiě)數據率高、抗干擾性強的各種場(chǎng)合，我們設計了一種高性能的超高頻率射頻識別接收系統。該系統可直接轉換解調800MHzZH至1.5GHz的頻率范圍，完全覆蓋了RFID閱讀器所使用的UHF頻段，并在射頻接收電路中采用了4片功耗低、高精度、強抗干擾性的凌特芯片，達到了簡(jiǎn)化系統電路的目的，提高了接收系統的可靠性。

2接收系統整體設計

    射頻識別接收系統主要功能是接收和解碼電子標簽的代碼信息并加以處理，因此接收系統主要由信號接收電路、放大電路、低通濾波電路與信息處理單元MSC1211四部分組成，其中信號接收電路、放大電路、低通濾波電路構成了射頻接收系統的基帶電路。系統總體結構如圖1所示。

圖1  接收系統總體結構圖

    由圖1可知，發(fā)送器與接收器所共用的天線(xiàn)負責檢測RF載波并通過(guò)一個(gè)帶通濾波器將信號傳送至解調器的RF輸入，解調器將信號解調后送入運算放大器放大輸出，再用于驅動(dòng)低通濾波器的單端輸入，低通濾波器對信號進(jìn)行基帶濾波處理后送入MSC1211單片機的A/D引腳進(jìn)行模數轉換。

2.1 MSC1211單片機

    MSC1211單片機是美國德州儀器公司最新推出的集成數字/模擬混合信號的高性能芯片，具有很高的計算速度，時(shí)鐘頻率達到33MHZ，降低了系統噪聲和電源功耗，提高了對接收的信號射頻數據處理能力；MSC1211內部集成了一個(gè)24位分辨率的模數轉換器，使A/D轉換精度達到24位，提高了轉換數據的精確度。MSC1211芯片是整個(gè)系統的控制核心，其主要功能是負責對來(lái)自多個(gè)標簽的接收信號進(jìn)行分析處理，并提供附加的濾波處理。

2.2 解調器與運算放大器

    RF解調器采用了凌特公司的LT5516芯片，該芯片直接轉換解調器800MHzZH至1.5GHz的頻率范圍。LT5516超群的線(xiàn)性提供了對低電平信號的高靈敏度，即使在很大的干擾信號下也不會(huì )受到影響。運算放大器采用了凌特公司的LT6231芯片，該芯片起一個(gè)差分至單端放大器的作用，用于驅動(dòng)低通濾波器的單端輸入。LT5516的差分I或Q輸出轉換為一個(gè)單端輸出的LT6231差分放大器。電路如圖2所示。

圖2  基帶接口電路

    由圖2可知，在60Ω電阻器的兩端增設270pF外部電容可將解調器的輸出限制為10MHz，以防止任何高頻干擾傳送至LT6231放大器。由于幅移鍵控RFID信號無(wú)需DC偶合，因此對基帶放大器采用了AC偶合。其中 AC偶合電容器和放大器輸入電阻器提供的高通極點(diǎn)被設定為8kHz，差分放大器的輸入電阻其電阻值被設定為140Ω，可以最大限度地降低與輸入相關(guān)的噪聲。

2.3低通濾波電路

    模擬基帶濾波處理采用凌特公司LT1568芯片來(lái)完成，它是一個(gè)低噪聲、精準RC濾波器單元式部件，并且它還提供了100kHz~10MHz截止頻率的低通和帶通濾波器的簡(jiǎn)單解決方案，對于UHF RFID系統中常用的250kHz~4MHz信號頻譜，這些截止頻率完全可以滿(mǎn)足RFID通信的需要。在該系統設計中，采用了兩個(gè)LT1568芯片連接成雙通道、四階濾波電路。其中LT1568濾波器的單端輸入至差分輸出轉換增益為6dB，阻帶衰減為34dB。I和Q濾波器匹配由LT1568的A和B側的固有匹配進(jìn)行保證，實(shí)現了一個(gè)橢圓低通濾波函數功能。電路如圖3所示。

圖3 雙通道、四階濾波電路

2.4 LCD顯示與USB接口電路

    LCD顯示采用字符型LCD顯示模塊DMC24138芯片，該芯片把點(diǎn)陣液晶顯示器FRD7168、點(diǎn)陣驅動(dòng)器HD44100與控制器HD44780等芯片集成在同一塊雙面印刷電路板上。HD44780是日立公司生產(chǎn)的LCD顯示器的專(zhuān)用控制芯片，通過(guò)該芯片的內部I/O緩沖器接收MSC1211單片機利用讀寫(xiě)、RS等引腳上送來(lái)的控制命令，實(shí)現單片機與HD44780之間指令、數據和狀態(tài)信息的傳送。我們選擇了無(wú)需外部元件的UART轉USB芯片CP2101芯片。該芯片具有低功耗、高速度的特性，符合USB2.0規范，滿(mǎn)足了MSC1211單片機與PC主機高速通信的需求。

3軟件設計

    射頻識別接收系統的主要任務(wù)是：當電子標簽進(jìn)入閱讀器有效距離范圍內時(shí)，從標簽中解讀出信息。所讀取的信息在LCD上顯示，也可通過(guò)USB接口傳送到PC主機作進(jìn)一步的處理。程序的主要流程如圖4所示。

圖4   主程序流程圖

3.1  初始化程序

    將程序用到的I/O口與寄存器進(jìn)行分配和初始化，避免發(fā)生沖突。

3.2  采樣及處理程序

    先判斷是否進(jìn)入睡眠時(shí)間范圍。如果進(jìn)入了，就開(kāi)始檢測是否有高電平到來(lái)；如果高電平到來(lái)就準備采樣。采樣點(diǎn)必須大致位于每一位的中間，因此要適當的延長(cháng)一段時(shí)間，一共要檢測完電子標簽的有效ID位。為了提高RIFD的可靠性與安全性，對于同一標簽必須連續采樣5次。如果每次采樣所得到的有效ID位均相同，則采樣成功。

3.3  LCD顯示程序

    對LCD液晶屏要使用到的I/O口進(jìn)行分配與初始化，根據處理結果將相應的電子標簽信息進(jìn)行顯示。

3.4  USB與主機通信程序

    當PC機向閱讀器發(fā)送一個(gè)讀取電子標簽ID的控制命令后，閱讀器開(kāi)始采樣，并將讀取到的數據送入緩沖器中，然后通過(guò)USB接口電路將數據上傳到PC機后再作進(jìn)一步處理。

3.5數據校驗

    使用RF技術(shù)傳輸數據時(shí)很容易受外界的干擾，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，我們的設計中采用了最為簡(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。

4總結

    本系統創(chuàng )新點(diǎn)在于設計了一種直接轉換RF射頻識別信號的UHF射頻接收系統，無(wú)需中頻下變頻轉換電路，簡(jiǎn)化了接收系統電路，達到了提高RF接收器可靠性的目的,并且該接收系統可以根據不同的應用場(chǎng)合對系統的基帶電路進(jìn)行適應調整與優(yōu)化，滿(mǎn)足了現有和新興RFID技術(shù)標準的要求。

參考文獻:

[1]余雷.基于RFID電子標簽的物聯(lián)網(wǎng)物流管理系統[J].微計算機信息，2006.2:233-235
[2]彭宣戈.一種嵌入式Internet接口系統[J].微計算機信息，2005.2: 8-9
[3]孫傳友.孫曉斌.測控系統原理與設計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002
[4] 彭宣戈.A/D轉換器MAX194與單片機的接口技術(shù)[J].井岡山學(xué)院學(xué)報， 2003.5:58-59