【文章內(nèi)容簡介】 和接收 ) 、 控制單元及與射頻卡耦合的元件 (電感線圈或天線等 ) ,此外還應有連接上位機的通信接口以便將所獲得的數(shù)據(jù)傳給上位機。射頻卡放置在待識別的物體上 ,它是 RFID 系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。射頻卡通常由耦合元件和微電子芯片組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 32所示。 圖 32 主動式可讀寫 RFID系統(tǒng)示意圖 閱讀器 閱 射頻卡 射頻卡 接 口 模 塊 射頻模塊 控制模塊 射頻模塊 電 池 控制 邏輯 內(nèi)存 齊齊哈爾大學畢業(yè)設 計（論文） 15 RFID 系統(tǒng)根據(jù)工作頻率的不同分為低頻、 中頻和微波系統(tǒng) ,微波系統(tǒng)工作頻率主要有 433 MHz ,869 MHz ,915 MHz , 45 GHz 和 518 GHz 等。微波 RFID 系統(tǒng)為電磁耦合系統(tǒng) ,適用于識別距離遠 ,讀寫速率高的場合。 此外 ,根據(jù)射頻卡的數(shù)據(jù)調(diào)制方式還可分為主動式和被動式 RFID 系統(tǒng)。一般無源系統(tǒng)為被動式 ,有源系統(tǒng)采用主動式 ,即射頻卡用自身的射頻能量主動發(fā)送數(shù)據(jù)給閱讀器 ,調(diào)制方式可為調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相。被動式系統(tǒng)中射頻卡采用調(diào)制反向散射方式發(fā)射數(shù)據(jù) ,讀寫器的能量必須來回穿過障礙物 2 次 ,因此要求閱讀器有較大的發(fā)射功率。主動式 RFID 系統(tǒng) ,射頻卡采用電池供電 ,工作可靠性高 ,作用距離更遠。 無線收發(fā)模塊 nRF905 射頻收發(fā)模塊性能特點 電子標簽識別系統(tǒng)設計采用的是 nRF905 無線收發(fā)模塊。 nRF905 是 Nordic VLSI 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 433 MHz/868 MHz/ 915MHz 三個頻道， 119～ 316 V 低工作電壓 ,集成了頻率合成、射頻發(fā)射接收、調(diào)制解調(diào)、多頻道切換等功能 ,采用抗干擾能力強的 GFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù) ,傳輸速率達 100 kb/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。 nRF905 采用 32腳 QFN 封裝 (5 5 mm)體積小巧由一個完全繼承的頻率調(diào)制器，一個帶解調(diào)器的接收器，一個功率放大器，一個晶體振蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成，外圍元件少 ,工作頻率穩(wěn)定可靠 ,功耗極低 ,曼徹斯特編解碼由片內(nèi)硬件完成 ,內(nèi)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、低功耗但同時性能和集成度要求高的應用場合。給出 nRF905 模塊性能參考數(shù)據(jù)如表 31所示。 模塊性能及特點： (1) 433MHz 開放 ISM 頻段 免許可證使用 (2) 最高工作速率 50kbps，高效 GFSK 調(diào)制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合 (3) 125 頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要 (4) 內(nèi)置硬件 CRC 檢錯和點對多點通信地址控制 (5) 低功耗 工作，待機模式下狀態(tài)僅為 (6) 收發(fā)模式切換時間 650us (7) 模塊可軟件設地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)（提供中斷指示 )，可直接接各種單片機使用，軟件編程非常方便 (8) TX Mode：在 +10dBm 情況下，電流為 30mA； RX Mode: 齊齊哈爾大學畢業(yè)設 計（論文） 16 (9) 標準 DIP 間距接口，便于嵌入式應用 (10) nRF905 配備板 PCB 載天線，直線可視通訊距離約 100 米，外置單鞭天線，直線可視通訊距離可達 200300 米。如果配備高增益天線，則可以達到更遠 表 31 nRF905模塊性能參考數(shù)據(jù) nRF905 通過 SPI 接口進行配置 ,共有 5 個內(nèi)部配置寄存器。其中 ， 狀態(tài)寄存器包含數(shù)據(jù)就緒 (DR 引腳 )和地址匹配 (AM 引腳 )信息 ， 射頻配置寄存器包含工作頻率和輸出功率 等 信息 ， 發(fā)送地址寄存器包含發(fā)送目標地址和數(shù)據(jù)字節(jié)長度信息 ， 有效發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器包含待發(fā)送的有效 ShockBur st 數(shù)據(jù)包信息 ， 有效接收數(shù)據(jù)寄存器包含接收到的有 效ShockBur st數(shù)據(jù)包信息。掉電模式下 nRF905 的工作電流僅為 215μA且寄存器內(nèi)容不變。值得注意的是 ， 只有在待機或掉電模式才能激活 nRF905 的 SPI 接口與 MCU通信 ， 這點在設計通信協(xié) 議時應充分考慮到。 nRF905 接口管腳電路 本設計中選用的射頻收發(fā)芯片 nRF905 的外圍電路如圖 33 所示，包含 SPI 接口電路、晶體振蕩時鐘電路、天線電路等。 Nrf905 芯片通過 SPI 接口與 51 單片機通信。 參數(shù) 數(shù)值 單位 最低工作電壓 V 最大發(fā)射功率 10 dBm 最大數(shù)據(jù)傳輸率曼切斯特編碼 50 kbps 輸出功率為 10 dBm 時工作電流 9 mA 接收模式時工作電流 mA 溫度范圍 40 to +85 ℃ 典型靈敏度 100 dBm POWERDOWN 模式時工作電流 uA 齊齊哈爾大學畢業(yè)設 計（論文） 17 圖 33 nRF905 無線收發(fā)模塊外圍電路 接口管腳功能如表 32所示。 表 32 nRF905 管腳功能說明 管腳名稱 管腳功能 說明 VCC 電源 電源 +~ DC TX_EN 數(shù)字輸入 TX_EN= 1 TX 模式 TX_EN= 0 RX 模式 TRX_CE 數(shù)字輸入 使能芯片發(fā)射或接收 PWR_UP 數(shù)字輸入 芯片上電 uCLK 時鐘輸出 本模塊該腳廢棄不用，向后兼容 CD 數(shù)字輸出 載波檢測 AM 數(shù)字輸出 地址匹配 DR 數(shù)字輸出 接收或發(fā)射數(shù)據(jù)完成 齊齊哈爾大學畢業(yè)設 計（論文） 18 nRF905 工作方式 nRF905 一共有四種工作模式 , 其中有兩種活動 RX/TX 模式和兩種節(jié)電模式。如表33 nRF905 工作模式所示。 活動模式 ShockBurst RX ShockBurst TX 節(jié)電模式 掉電和 SPI 編程 STANDBY 和 SPI 編程 nRF905 工作模式由 TRX_CE、 TX_EN、 PWR_UP 的設置來設定。 表 33 nRF905 工作模式 nRF905 射頻系統(tǒng)硬件電路設計 本設計采 用 nRF905 芯片 設計的主動式 RFID 系統(tǒng) ,充分發(fā)揮了射頻芯片高集成度、低功耗、工作頻率穩(wěn)定、通信協(xié)議設計簡潔 等優(yōu)點。 RFID 系統(tǒng)的硬件設計框圖如圖 34射頻系統(tǒng)硬件設計框圖所示。 MISO SPI 接口 SPI 輸出 MOSI SPI 接口 SPI 輸入 SCK SPI 時鐘 SPI 時鐘 CSN SPI 使能 SPI 使能 GND 地 接地 PWR_UP TRX_CE TX_EN 工作模式 0 X X 掉電和 SPI 編程 1 0 X Standby 和 SPI 編程 1 1 0 ShockBurst RX 1 1 1 ShockBurst TX AT89C51 MCU nRF905射頻 模塊 MAX232電平轉(zhuǎn)換 線性穩(wěn)壓電源 AT89C51 MCU nRF905射頻 模塊 鋰電池供電 無線數(shù)傳 齊齊哈爾大學畢業(yè)設 計（論文） 19 圖 34 RFID 系統(tǒng)硬件設計框圖 設計電路硬件主要分為射頻接口和控制系統(tǒng)。本設計中射頻接口即為 nRF905 射頻模塊 (包含外圍元件及 PCB 環(huán)形天線 )；控制電路基 51 系列微控制器建。微控制器通過SPI 接口控制 nRF905 ,其中微控制 (MCU) 采用單片機 AT89C51。圖 35為芯片通信連接電路，給出了 AT89C51 與 nRF905 的電路連接及外圍元件和 PCB 環(huán)形天線。 nRF905 通過 SPI 接口連接 51 單片機來接收到控制系統(tǒng)的命令進行閱讀器與射頻卡之間進行無線通 信 ,通信完有效的數(shù)據(jù)包后數(shù)據(jù)就緒，引腳 DR 被置高， MCU檢測到 DR 為高 ,即將 nRF905 轉(zhuǎn)入低功耗的待機模式。此時 MCU 還可通過 SPI 口讀出 nRF905 接收到的有效數(shù)據(jù)。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 1 J u n 2 0 1 1 S h e e t o f F i l e : C : \ U s e r s \ A dm i n i s t r a t or \ D e s k t o p \ 畢業(yè)設計 \ 圖 \ n R F 90 5 射頻識別 . D D BD r a w n B y :P 1 .0P 1 .1P 1 .2P 1 .3P 1 .4P 1 .5P 1 .6P 1 .7R S TR X D P 3 . 0T X D P 3 . 1I N T 0 * P 3 .2I N T 1 * P 3 .3T 0 P 3 . 4T 1 P 3 . 5W R * P 3 .6R D * P 3 . 7X T A L 2X T A L 1V s sV c cP 0 .0P 0 .1P 0 .2P 0 .3P 0 .4P 0 .5P 0 .6P 0 .7E A * / V p pA L E / P R O G *P S E N *P 2 .7P 2 .6P 2 .5P 2 .4P 2 .3P 2 .2P 2 .1P 2 .0A T 8 9 C5 1T R X _ C EP W R _ U Pu P C L KV D DV S SCDAMDRVSSMISO MOSISCKCSNXC1XC2VSSV D DV S SV D D _ P AA N T 1A N T 2V S SI R E FV S SVDDVSSVSSVSSVSSVSSDVDD_1V2TX_ENn R F9 0 5Y?C R Y S T A LR?1 0 0 KC?0 . 1 u FC?0 . 1 u FG N DR?4 7 KC?0 . 1 u FC?0 . 0 1 u FC?0 . 0 1 u FG N DC?0 . 1 u FC?0 . 1 u FC?0 . 0 1 u FC?0 . 0 1 u FR?4 7 KC?0 . 1 u FC?0 . 0 1 u FIN O U TA D J / G N D T A BR?1 0 0 KR?1 0 0 KC?1 . 0 u FC?1 . 0 u F123V D D 圖 35 AT89C51 與 nRF905 芯片連接電路 采用為 MAX6821 作為監(jiān)控電路對 MCU 進行上電復位，圖 36 是監(jiān)控電路。比傳統(tǒng)阻齊齊哈爾大學畢業(yè)設 計（論文） 20 容復位更加可靠 ,帶有手動復位 還集成了看門狗定時器 ,可有效避免程序跑飛。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 3 J u n 2 0 1 1 S h e e t o f F i l e : C : \ U s e r s \ A dm i n i s t r a t or \ D e s k t o p \ 畢業(yè)設計 \ 圖 \ n R F 90 5 射頻識別 . D D BD r a w n B y :P 1 .0P 1 .1P 1 .2P 1 .3P