【正文】 、WDT全部集成到單芯片中，是目前世界首推的全球通用的低成本射頻系統(tǒng)級芯片。該芯片的通道運(yùn)算時(shí)間小于200us，數(shù)據(jù)速率為1MbPs，不需要外接濾波器，內(nèi)部嵌有與8051兼容的微處理器和10位9輸入的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，作。另外還嵌有電壓調(diào)整器和vDD電壓監(jiān)視器。無線收發(fā)部分功能由內(nèi)部并行口和內(nèi)部SPI啟動，每一個待發(fā)信號對于處理器來講都可以作為中斷進(jìn)行編程，或者通過GPIO端口傳送給微處理器。nRF24EI芯片可以在世界公用的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))。NRF24EI收發(fā)部分包含有分頻器、放大器、調(diào)節(jié)器和兩個收發(fā)單元，輸出能量、頻段和其它射頻參數(shù)可通過射頻寄存器方便地編程調(diào)節(jié)。在發(fā)送模式下，以5dBm的功率發(fā)射時(shí)。在接收模式下，電流消耗也只有18mA，當(dāng)芯片處于POWER DOWN模式時(shí)CPU處理中止、時(shí)鐘和電源整流電路關(guān)閉，RF收/發(fā)單元停止工作，整個芯片內(nèi)部只有RC振蕩器、看門狗和RTC定時(shí)器處于工作狀態(tài)，系統(tǒng)電流損耗只有2uA，功耗非常低。加上多種低功率工作模式，使得節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。NRF24EI的中斷控制器支持ADC、SPI、RF接收器RF接收器喚醒定時(shí)器、5個中斷源。NRF24EI擁有3個與8052一樣的定時(shí)器。在傳統(tǒng)的異步通信方式下，與8051兼容的UART可用定時(shí)器1和定時(shí)器2作為波特率發(fā)生器。NRF24EI的CPU集成了2個數(shù)據(jù)指針，以便于和外部RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。晶振直接為NRF24EI的微控制器提供了時(shí)鐘來源。NRF24EI的微控制器中有256字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM和512字節(jié)的ROM。上電復(fù)位或經(jīng)軟件初始化后，處理器自動加載ROM引導(dǎo)區(qū)中的代碼。用戶程序通常是在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下，從外部串口EEPROM加載到1個4KB的RAM中，這個4KB的RAM也可作存儲數(shù)據(jù)用。如果不使用內(nèi)部的ROM，程序代碼必須從外部非易失性存儲器中加載。這時(shí)，默認(rèn)的啟動引導(dǎo)區(qū)使用SPI接口的“通用25AA320”EEPROM。NRF24EI還增加了一些標(biāo)準(zhǔn)8051沒有的特殊功能寄存器，如RADIO(P2)、ADCCON、ADCDATAH，PWMCON、PWMDUTY、RSTREAS等。其P0和P1也和標(biāo)準(zhǔn)8051有所不同，其它大部分的SFRs均與標(biāo)準(zhǔn)8051相同。NRF24EI可以滿足低功耗和小型化的要求，內(nèi)嵌兼容8051的微處理器，指令周期從標(biāo)準(zhǔn)的1248個時(shí)鐘周期縮短到420個時(shí)鐘周期，XRAM數(shù)據(jù)存取采用雙指針，提高了CPU的處理和運(yùn)算速度。采用16MHz的晶振可同時(shí)CPU和收發(fā)單元內(nèi)部頻率合成器提供參考時(shí)鐘。NRF24EI有11個數(shù)字I/O引腳，由P0口(DIO2一DIO9)和P1口(DIO0、DIODIN0)組成，除了DIN0只能用于輸入外，其余都是雙向引腳，而且大部分?jǐn)?shù)字I/O有復(fù)用功能。P0口有8個引腳，除了用作GPIO口外還可以作為復(fù)用口。各個引腳的復(fù)用功能如表41所示表41 P0口引腳的復(fù)用功能引腳(DIO9)(DIO2)復(fù)用功能WMPT1T0INT1INT0TXDRXDGPIOPO口有兩個控制寄存器PO_ALT和PO_DIR，分別位于OX94和OX95地址處。其中PO_ALT的控制優(yōu)先級高于 PO_DIR。設(shè)計(jì)時(shí)可以通過設(shè)定 PO_ALT來決定哪些引腳使用復(fù)用功能，沒有選用復(fù)用功能的引腳則為GPIO，而可用 PO_DIR來設(shè)置這些PO口是輸入還是輸出。其中，復(fù)位后，將被引導(dǎo)程序激活并連接到啟動閃存的硯上。P1口只有3個引腳，可設(shè)為SPI接口或GPIO，通過 SPI_CTRL進(jìn)行控制。當(dāng)SPI_CTRL設(shè)定為01時(shí)Pl口可作為SPI口使用，此時(shí)只能作為主機(jī)。P1口各個引腳的復(fù)用功能如表42所示:表42 P1口引腳的復(fù)用功能引腳(DIN0)(DIO1)(DIO0)復(fù)用功能SPI DISPI DOSPI SCK當(dāng)Pl口配置為SPI口時(shí)，通過位于OxBOxB3和OxB4地址的特殊功能寄存器進(jìn)行控制，其控制字與功能表如表43所示:表43 SPI口控制字及功能地址位數(shù)名稱功能B28SPI_DATASPI數(shù)據(jù)輸入/輸出B32SPI_CTRL00：空閑，無時(shí)鐘輸入01:SPI連接到PI口，另一個通用口作為片選10:SPI連接到RADIO的發(fā)送/接收端口111:SPI連接到RADIO的發(fā)送/接收端口2B42SPI_CLK00:1/8 CPU時(shí)鐘頻率01:1/16 CPU時(shí)鐘頻率10:1/32 CPU時(shí)鐘頻率11:1/64 CPU時(shí)鐘頻率NRF24EI還帶有9個模擬輸入引腳，其中AINOAIN7為ADC的8路模擬輸入，AREF為ADC參考電壓。內(nèi)部有9通道10位ADC，線性轉(zhuǎn)換時(shí)間為每10位48個CPU指令周期。A/D轉(zhuǎn)換器可在ARFE輸入和內(nèi)部 。轉(zhuǎn)換器的9個輸入可由軟件進(jìn)行選擇。通道0一7可以轉(zhuǎn)換對應(yīng)引腳AINOAIN7上的電壓值，通道8用于對NRF24EI工作電壓的監(jiān)控。A/D轉(zhuǎn)換器默認(rèn)配置為10位，為滿足需要，可通過軟件使其工作于6位、8位或12位方式。此外，該器件還有2個天線接口引腳ANT1和ANT2。nRF24EI收發(fā)器的收發(fā)任務(wù)由RADIO口控制，通過天線接口進(jìn)行收/發(fā)操作。RADIO口使用標(biāo)準(zhǔn)8051中的P2口地址。由于射頻收發(fā)器是片內(nèi)置的，并不是雙向工作。為了滿足射頻收發(fā)子系統(tǒng)的需要，RADIO口的默認(rèn)值與標(biāo)準(zhǔn)8051的P2默認(rèn)值也不一樣。收發(fā)器由特殊功能寄存器中的RADIO和 SPI_CTRL控制。當(dāng)復(fù)位引腳為高電平時(shí)(無論是時(shí)鐘是否有效)，(CS)=0，(CE)=0，(PWR_Up)=1。程序運(yùn)行后，保持默認(rèn)值，直到程序通過RADIO寄存器改變各位的值。通過 PWR_UP、CE和CS三個控制引腳，可以設(shè)置nRF24EI的發(fā)送/接收工作方式。 PWR_UP=1，CE=1，CS=O時(shí)為收發(fā)方式。 PWR_Up=l，CE=0，CS=l時(shí)為配置方式 。PwR_UP=l，CE=0，CS=0時(shí)為空閑方式。PWPWR_UP=0時(shí)關(guān)機(jī)。NRF24EI收發(fā)子系統(tǒng)采用了shockBurst技術(shù)，這種技術(shù)使用了片內(nèi)的FIFO(先入先出)堆棧，雖然數(shù)據(jù)低速進(jìn)入，但能高速發(fā)送，使能耗減到最低限度。ShockBurst有兩種工作方式，分別為發(fā)送和接收，功能由配置字決定，工作流程如下所示:(l)ShoekBurst發(fā)送CPU接口引腳為CE、CLKDATA，工作流程:①CPU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，先將CE置高，NRF24E1開始工作。②接收節(jié)點(diǎn)地址和有效數(shù)據(jù)按時(shí)序被送到NRF24E1子系統(tǒng)，可通過應(yīng)用協(xié)議或CPU設(shè)置，使這個速度小于1Mbps。③CPU將CE置低，激活ShockBurst發(fā)送。④ShockBurst。*給RF前端供電。*完成RF包處理(加前綴，CRC校驗(yàn))。*數(shù)據(jù)高速發(fā)送(250kbPs或1Mbps，可由用戶配置決定)。*發(fā)送完成，nRF2401返回空閑信號。(2)ShoekBurst接收CPU的接口引腳為CE、DRI、CLKDATA，工作流程:①校驗(yàn)接收到的RF包的地址和欲接收的RF包中有效數(shù)據(jù)的長度。②將CE置高，激活RX。③經(jīng)過200us處理，nRF24E1子系統(tǒng)監(jiān)視啟動并等待信號的到來。④當(dāng)收到一個有效的數(shù)據(jù)包(正確的地址和CRC)，nRF24EI子系統(tǒng)移去前綴、地址和CRC位。⑤nRF24E1子系統(tǒng)通過把DRI置高來通知CPU。⑥CPU將CE置低，把RF前端設(shè)為低功耗方式。⑦CPU按時(shí)序以適當(dāng)?shù)乃俣?如 1Okbps)把有效數(shù)據(jù)取出。⑧當(dāng)所有的有效數(shù)據(jù)都取完，nRF24EI子系統(tǒng)再次把DR1置低。如果CE保持為高，準(zhǔn)備接收下一個數(shù)據(jù)包。CE為低，重新開始新的接收。shockBurst收/發(fā)方式使nRF24EI能夠方便地同時(shí)接收兩個不同頻率的頻道發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且能夠使接收速度達(dá)到最大值。這意味著:①nRF24E1通過一個天線，能夠接收兩個頻率相差8MHz(8個頻率通道)的 1Mbps發(fā)射器(如nRF24EnRF2401或nRF2402)發(fā)送的數(shù)據(jù)。②這兩個不同數(shù)據(jù)頻道的數(shù)據(jù)被分別送到兩套不同的接口—數(shù)據(jù)頻道1為CLKDATA和DR1，數(shù)據(jù)頻道2為CLKDOUT2和DR2。nRF24E1的DuoCeiver技術(shù)提供了兩個獨(dú)立、專用于接收的數(shù)據(jù)頻道，而不是采用兩個相互獨(dú)立的接收器。使用第二個數(shù)據(jù)頻道必須滿足要求:第二數(shù)據(jù)頻道的工作頻率至少比第一個頻道的工作頻率高8MHz。使用ShockBurst技術(shù)，CPU先取出其中一個數(shù)據(jù)頻道中的數(shù)據(jù)，另一數(shù)據(jù)頻道中的數(shù)據(jù)等待CPU處理完。這樣不至于丟失數(shù)據(jù)。同時(shí)，也降低了對CPU性能的要求。Du0Ceiver接收器輸出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號，可通過程序使其作為微處理器的中斷或通過GPIO口傳給CPU。nRF24E1內(nèi)有一個低功耗的RC振蕩器。該振蕩器在VDD≥，會持續(xù)工作。RTC喚醒定時(shí)器和WTD(看門狗)是2個16位的可編程定時(shí)器，它們的工作時(shí)鐘為RC振蕩器的 LP_OSC。喚醒定時(shí)器和看門狗的定時(shí)時(shí)間約為30Ous一8OmS，其默認(rèn)值為10ms。喚醒定時(shí)器由用戶軟件控制啟動和停止?？撮T狗在復(fù)位后被禁止，再次復(fù)位后才能被激活。nRF24E1必須用高精度的晶振，為了支持1Mbit/s的傳輸速率，設(shè)計(jì)時(shí)還必須采用16MHz以上的晶振。nRF24E1的其它引腳還有14個。其中XC1和XC2為外部晶振引腳，IREF用于連接外部偏置參考電阻。其余為電源和接地腳。由于NRF24E1片內(nèi)集成了RADIO模塊，在使用中，只需要一片nRF24E1和少量的外圍元件就能完成射頻收發(fā)功能，因此，節(jié)省了印制板的空間，大大減少了系統(tǒng)的體積，可廣泛應(yīng)用于無線水表、煤氣、電表、無線智能傳感器、無線數(shù)據(jù)采集裝置、無線身份識別智能卡、無線鼠標(biāo)、無線耳機(jī)、遙控玩具、PDA手持終端等短距離無線通信場所。電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)不但要求體積小、重量輕、便于攜帶，而且要求功耗要非常低、電池壽命足夠長。正是基于以上各種因素的考慮，我們采用nRF24E1作為射頻收發(fā)芯片，采用外部紐扣電池作為電源。加上合理的軟件節(jié)能設(shè)計(jì)，電池壽命能夠達(dá)到三年時(shí)間，完全能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。. 3 電子標(biāo)簽軟件設(shè)計(jì)電子標(biāo)簽原理圖大體如下圖43所示圖43電子標(biāo)簽?zāi)K原理圖其中控制單元為AT89C2051，上面已經(jīng)對它做了詳盡的介紹。在此不再累贅述。電子標(biāo)簽軟件設(shè)計(jì)要考慮兩大方面的問題:降低功耗和防碰撞問題。由于采用外部電池供電，必然會產(chǎn)生電池的使用壽命問題。為了提高電池的使用壽命，可以采用兩種措施。第一:采用大容量的紐扣電池，因此采用cR2450(標(biāo)稱容量570mAh)。第二:降低NRF24E1的功耗。由于NRF24E1處于正常工作模式時(shí)電流為3mA，而掉電模式時(shí)工作電流僅為2uA。因此利用NRF24E1內(nèi)部的定時(shí)喚醒功能，采用定時(shí)喚醒、間隔發(fā)送的方式發(fā)送射頻信號，即:電子標(biāo)簽每發(fā)射完一次射頻信號，就會進(jìn)入掉電模式，等待設(shè)定時(shí)間后被喚醒，再發(fā)射一次射頻信號，然后再進(jìn)入掉電模式，依次循環(huán)。這樣可以有效降低電子標(biāo)簽的功耗，提高電池使用壽命。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用過程中井下人員的行走速度和閱讀器的漏檢率等工程因素，我們用程序?qū)r(shí)間間隔設(shè)定為1s。電子標(biāo)簽防碰撞是RFID系統(tǒng)中一個關(guān)鍵問題。在射頻識別系統(tǒng)中，當(dāng)閱讀器作用范圍內(nèi)有多個標(biāo)簽同時(shí)向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，此時(shí)信號會互相干擾從而會產(chǎn)生沖突，這個沖突就稱為碰撞，其結(jié)果將會造成閱讀器和電子標(biāo)簽之間的通信失敗。因此，必須采用一種有效的防碰撞算法解決這種沖突，從而能夠識別進(jìn)入工作區(qū)域的所有射頻卡，確保系統(tǒng)正常穩(wěn)定的工作。目前廣泛使用的防沖突算法大都是TDMA，主要有兩大類:基于樹的算法和基于AlOHA的算法。樹形分解法有可能會使某些標(biāo)簽的識別延遲時(shí)間比較長，所以在實(shí)際應(yīng)用中較少采用這種算法。ALOHA算法因具有簡單、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)而成為應(yīng)用最廣的算法之一。本文所闡述的算法是在ALOHA思想的基礎(chǔ)上，根據(jù)RFID系統(tǒng)的特點(diǎn)和技術(shù)要求不斷改進(jìn)形成的算法體系，結(jié)合井下人員定位系統(tǒng)漏檢率等因素所設(shè)計(jì)的一種新穎的算法。它的本質(zhì)是分離電子標(biāo)簽的發(fā)射時(shí)間，使電子標(biāo)簽在不同的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送信號。具體的防碰撞算法如下:電子標(biāo)簽在發(fā)送編號信息前，首先設(shè)定為接收狀態(tài)，‘偵聽’有沒有其它的電子標(biāo)簽處于發(fā)送狀態(tài)，一旦‘偵聽’到任何一個其它的電子標(biāo)簽信號，說明有其它電子標(biāo)簽處于發(fā)送狀態(tài)，即發(fā)生碰撞，則采取退避原則，退避一個時(shí)間片后再檢測，直到?jīng)]有檢測到其它的電子標(biāo)簽，再將本標(biāo)簽的編號信息發(fā)送給閱讀器。經(jīng)實(shí)踐證明，該算法能有效解決系統(tǒng)中多目標(biāo)識別的防碰撞問題。電子標(biāo)簽的proteus仿真。待研究......... 4 電子標(biāo)簽軟件程序調(diào)試電子標(biāo)簽的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖44所示YN開始配置為接收模式有其他標(biāo)簽在發(fā)送配置為發(fā)送模式發(fā)送電子標(biāo)簽編碼進(jìn)入掉電模式等待喚醒退避一個時(shí)間片圖44 電子標(biāo)簽程序流程圖閱讀器在射頻識別系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，它是負(fù)責(zé)讀取或?qū)懭霕?biāo)簽信息的設(shè)備。閱讀器可以是單獨(dú)的整體，它可以嵌入到其它系統(tǒng)中，也可以作為單獨(dú)的具有讀寫、顯示、處理數(shù)據(jù)等功能的系統(tǒng)，還可以與計(jì)算機(jī)或其它系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合，完成對射頻標(biāo)簽信息的處理。射頻識別系統(tǒng)的工作頻段由閱讀器頻率決定，同時(shí)，識別距離受閱讀器功率的直接影響。 閱讀器的硬件設(shè)計(jì)閱讀器的硬件電路可以劃分成電源模塊，無線射頻接收模塊，CPU處理模塊，外擴(kuò)SRAM模塊，顯示模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊等六個模塊。其具體框圖如下：報(bào)警器傳輸接口AT89C51nRF401ADC電源FRAM天線顯示器圖45閱讀器結(jié)構(gòu)框圖控制單元選用Atlnel公司生產(chǎn)的AT89C5l，由其實(shí)現(xiàn)對射頻收發(fā)單元、語音