【文章內容簡介】 射頻標簽附著在被識別的物體上，作為特定的標識 [18]。射頻標簽有標簽天線、芯片、存儲器等組成，有源標簽還需要電池。雖然電子標簽的封裝形式不一樣，但是其內部結構卻基本一致。 RFID 電子車牌硬件設計 RFID 系統(tǒng)從電子標簽中獲取目標對象的相關信息，因此，基于電子標簽在RFID 系統(tǒng)中的功能，電子標簽電路必須含有天線用于接收和發(fā)射電磁波能量；必須要有一定的數(shù)字電路部分用于存貯被識別對象的信息內容，并可在外部供電的情況下，進行必要的數(shù)據(jù)處理及輸出相關的數(shù)據(jù)信息。另外，電子標簽必須含有調制電路，可以 把存儲在電子標簽內部的被識別對象的相關數(shù)字信息調制到發(fā)射的電磁波上。所以，有源電子標簽可由以下幾部分組成：天線、模擬電路、數(shù)子電路以及電源等組成。天線用于接收和發(fā)射電磁波；模擬電路主要由調制電路組成，用于將相關信息通過調制發(fā)送出去；數(shù)字電路是電子標簽的大腦用于控制相關協(xié)議、指令及相關處理功能、管理內部數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)以及執(zhí)行數(shù)據(jù)轉換功能。 電子車牌即裝有有源電子標簽的車牌。由于現(xiàn)有的車牌都是金屬材質， 如將電子車牌與汽車牌照結合在一體，由于車牌采用金屬制作，當電子車牌貼近金屬 12 表面時，射頻信號的發(fā)送與接收 會受到很大干擾，主要是射頻信號會被部分屏蔽，影響電子車牌的識別距離，達不到設計的識別效果， 所以在方案中，電子標簽與車牌需要進行一體化設計。 目前，發(fā)展較為成熟的 RFID 系統(tǒng)主要是 125kHz 和 13. 56MHz 系統(tǒng)，相應的RFID 專用芯片也比較多 [9]。然而，用于 UHF RFID 的專用芯片卻很少，為了滿足用戶對遠識別距離的要求，一般需使用有源 UHF RFID 系統(tǒng)，而目前有源 UHF RFID專用芯片更少。所以，需要尋找一款適合超高頻 RFID 且易于開發(fā)的低成本射頻芯片，來設計有源 UHF RFID 系統(tǒng)。 通過分析 比較發(fā)現(xiàn)， Nordic 公司的 nRF2401 和 nRF24L01 都可用于 UHF RFID系統(tǒng)，而 nRF24L01 技術更新，體積更小、成本更低，且具有一些獨特的功能。nRF24L01 是 Nordic 公司推出的高性能單片無線收發(fā)芯片，工作在 ISM(工業(yè)、科學、醫(yī)療 ) 頻段， ～ 低工作電壓，集成了頻率合成、射頻發(fā)射接收、調制解調、多頻道切換等功能，采用抗干擾能力強的 GFSK 調制解調技術，傳輸速率可達 1Mbit/s，天線接口為差分形式易于連接低成本的 PCB 環(huán)形天線或單端天線。 nRF24L01 工作頻率穩(wěn)定 可靠，功耗極低，曼徹斯特編解碼由片內硬件完成，內建待機和掉電模式，通過 SPI(串行外設接口 )與微控制器通信，特別適合低成本、低功耗但同時要求高性能和高集成度的應用場合 [10]。 電子車牌天線設計 電子車牌及天線的外部結構如圖 、圖 所示。 13 圖 電子車牌及天線設計正面 圖 電子車牌及天線設計背面 天線用于接收閱讀器的射頻能量和信息，提供給電子標簽工作的，并發(fā)射電子標簽的相關信息，它是電子標簽和閱讀器進行通信的橋梁，是電子標簽的重要組成部分。按照 RFID 系統(tǒng)的工作方式，電 子標簽的天線可分為近場感應線圈天線和遠場輻射天線。 近場感應線圈天線通常由多匝電感線圈組成，電感線圈和相并聯(lián)的電容構成并聯(lián)諧振回路以獲得最大的射頻能量。遠場輻射天線主要用于有源電子標簽中，由電場偶極子天線、對稱振子天線以及微帶天線所組成。當使用圓機化天線時，常采用微帶天線形式實現(xiàn)。遠場輻射天線通常是諧振式，一般取為半波長。因此，工作頻率的高低決定著天線的尺寸和大小。天線的大小又常常決定著電子標簽的大小，較高頻率的電子標簽其尺寸一般比較小。與近場感應線圈天線相比，它的輻射效率較高，通信距離較遠。 天線的種類很 多，不同的應用需要不同的天線，在微功耗、遠距離的射頻識別系統(tǒng)中，需要一個通信可靠、成本低廉的天線系統(tǒng)。目前應用在這一領域的天線主要有 1/4 波長鞭狀天線、螺旋天線、 PCB 環(huán)型、 PCB 單端天線和微帶天線。本文在設計過程中，由于考慮到標簽的體積，采用了 Nordic 公司推薦的 PCB 單端天線。在使用不同形狀天線時，為了得到盡可能大的收發(fā)距離，電感電容的參數(shù)應適當調整 [17]。 由于標簽因為體積空間問題采用了微型 PCB 單端天線，所以閱讀器接收天線應該適當提高接收靈敏度來彌補標簽發(fā)射增益的不足，本文采用了比較通用的 的鞭狀天線，如果需要更大增益可采用 5dB 的鞭狀天線或定向天線。本系統(tǒng)設計了天線內置的閱讀器，既可安裝全向鞭狀天線也可以安裝定向天線，提高 14 了閱讀器穩(wěn)定性，也方便了安裝和施工。 電子車牌處理器和收發(fā)模塊設計 1）射頻芯片 nRF24L01 內置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調處理器、時鐘處理器、GFSK 濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功 能模塊，需要很少的外圍元件，因此使用起來非常方便。 nRF24L01 性能參數(shù)： ◆ 小體積， QFN20 4x4mm 封裝 ◆ 寬電壓工作范圍， ~，輸入引腳可承受 5V 電壓輸入 ◆ 工作溫度范圍 ， 40℃ ～ +80℃ ◆ 工作頻率范圍， ～ ◆ 發(fā)射功率可選擇為 0dBm、 6dBm、 12dBm 和 18dBm ◆ 數(shù)據(jù)傳輸速率 支持 1Mbps、 2Mbps ◆ 低功耗設計，接收時工作電流 ， 0dBm 功率發(fā)射時 ，掉電模式時僅為 900nA ◆ 126 個通訊通道， 6 個數(shù)據(jù)通道，滿足多點通訊和調頻需要 ◆ 增強型 “ShockBurst” 工作模式，硬件的 CRC校驗和點對多點的地址控制 ◆ 數(shù)據(jù)包每次可傳輸 1～ 32Byte 的數(shù)據(jù) ◆ 4 線 SPI 通訊端口，通訊速率最高可達 8Mbps，適合與各種 MCU 連接，編程簡單 ◆ 可通過 軟件 設置工作頻率、通訊地址、傳輸速率和數(shù)據(jù)包長度 ◆ MCU 可通過 IRQ 引腳 塊 判斷是否完成數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送 nRF24L01 的引腳排列如圖 所示。各引腳功能如下： CE：使能發(fā)射或接收 。 CSN， SCK， MOSI， MISO： SPI 引腳端，微處理器可通過此引腳配置nRF24L01： IRQ：中斷標志位 。 VDD：電源輸入端 。 15 VSS：電源地 。 XC2， XC1：晶體振蕩器引腳 。 VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為 V。 ANT1,ANT2：天線接口 。 IREF：參考電流輸入 。 圖 nRF24L01引腳圖 nRF2401 有工作模式有四種 :收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關機模式。 nRF2401 的收發(fā)模式有 ShockBurstTM 收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，收發(fā)模式由器件配置字決定。 配置模式 在配置模式， 15 字節(jié)的配置字被送到 nRF24L01，這通過 CS, CLK1 和 DATA三個引腳完成 [11]。 空閑模式 nRF24L01 的空閑模式是為了減小平均工作電流而設計，其最大的優(yōu)點是，實現(xiàn)節(jié)能的同時，縮短芯片的起動時間。在空閑模式下，部分片內晶振仍在工作，此時的工作電流跟外部晶振的頻率有關，如外部晶振為 4MHz時工作電流為 12uA，外部晶振為 16MHz 時工作電流為 32uA。在空閑模式下，配置字的內容保持在nRF24L01 片內。 關機模式 16 在關機模式下，為了得到最小的工 作電流，一般此時的工作電流小于 1uA。關機模式下，配置字的內容也會被保持在 nRF24L01 片內，這是該模式與斷電狀態(tài)最大的區(qū)別。 2）微控制器 MSP430是 TI公司的一個超低功耗微控制器系列，片內組合了不同功能模塊，可以適應不同應用層次的需求。在硬件架構上， MSP430 系列是 16 位高性能超低微功耗微控制器，工作電壓為 ，并提供了五種低功耗模式，可最大限度地延長電子標簽的電池壽命 [16]。 在運算速度方面， MSP430 系列單片機能在 8MHz 晶體的驅動下，實現(xiàn) 125us的指令周期。 16 位 的數(shù)據(jù)寬度、 125us 的指令周期以及多功能的硬件乘法器 (能實現(xiàn)乘加 )相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法 (如 FFT 等 )。 MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只需 6us。其主要特性如下： (1)超低功耗： MSP430 系列單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。首先， MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 電壓。因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運行時，芯 片的電流會在 之間。如果程序跑飛，可用看門狗將其復位。 (2)豐富的片上外圍模塊： MSP430 系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內外設。它們分別是看門狗（ WDT）、模擬比較器 A、定時器 A(Timer_A)、定時器B（ Timer_B） ,串口 0、 1 (USARTO、 USRAT1),硬件乘法器、液晶驅動器、 10 位 /12位 ADC、 14 位 ADC（ ADC14)、 12 位 DAC、 I2C 總線、直接數(shù)據(jù)存取 (DMA)、端口 0（ PO）、端口 1～ 6 （ P1～ P6）、基本定時器 (BasicTimer)等的一些外圍模 塊的不同組合。 MSP430 系列單片機的這些片內外設為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。 (3)方便高效的開發(fā)環(huán)境：目前 MSP430 系列單片機有 OTP 型、 FLASH 型和 ROM型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。對于 OTP 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后再燒寫或掩膜芯片 :對于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調試環(huán)境，因為器件片內有 JTAG 調試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲器，因此采用先下載程序到 FLASH 內，再在器件內通過軟件控制程序的運行，由 JTAG 接 17 口讀取片內信息供設計者調試使用 的方法進行開發(fā)。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言。 (4)適應工業(yè)級運行環(huán)境： MSP430 系列器件均為工業(yè)級的，運行環(huán)境溫度為40℃～ +85℃，所設計的產品適合運行于工業(yè)環(huán)境下。 由于電子標簽受制于體積的限制，采用紐扣電池供電，因此需要微功耗的芯片來支持，并且電子標簽的通信數(shù)據(jù)量也不大，因