超高頻基于nRF9E5的有源超高頻RFID系統(tǒng)設(shè)計

1、超高頻基于nRF9E5的有源超高頻RFID系統(tǒng)設(shè)計_電子工程學院焦傳海將nRF9E5UH哆段射頻收發(fā)芯片應用于有源超高頻（UHF）射頻識別（RFID）系統(tǒng)中，給出了射頻收發(fā)電路原理圖和讀寫器設(shè)計框圖及軟件配，系統(tǒng)tOT作頻率為433MHz射頻識別（RadioFrequencyldentification,RFID）技術(shù)是一種利用無線射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)，與目前廣泛采用的條形碼技術(shù)相比，RFID具有容量大、識別距離遠、穿透能力強、抗污性強等特點。RFID技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟并獲得了大規(guī)模商用，但超高頻RFID技術(shù)相對滯后。本文分析了射頻芯片nRF9E5的功能特性，并將其用于REI

2、D系統(tǒng)中，設(shè)計了一套有源超高頻（UHF）RFID系統(tǒng)。射頻芯片的選取目前，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專用芯片也較多，主要有TI公司的S6700系列，NX心司的MIFAR舔歹U等。然而，用于UHFRFID勺專用芯片卻很少，TI公司和NX吆司雖然宣稱已經(jīng)量產(chǎn)符合Gen2的RFID芯片，但由于各種因素，還沒能真正大量投入使用。再者，為了滿足用戶對遠識別距離的要求，一般需使用有源UHFRFID系統(tǒng)，而目前有源UHFRFID專用芯片更是難覓其蹤。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(shè)計有源UHFRFID系統(tǒng)。隨著集成電

3、路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，8051內(nèi)核已經(jīng)被集成到各種片上系統(tǒng)(SoC)中，這些SoC具有更多的功能、更快的速度、更小的體積和功耗，同時可以繼續(xù)使用8051MCUL十年來積累的各種應用軟件資源,具有廣闊的發(fā)展空間。許多國際知名公司，如TI、ATME、LChipcon、Nordic等都推出了各種兼容8051內(nèi)核的新一代短距離無線通信芯片，Chipcon在xx年初被TI公司所收購。通過分析比較發(fā)現(xiàn)，Chipcon公司的CC1010和Nordic公司的nRF9E5tB可用于UHFRFI疏統(tǒng)，而nRF9E5積更小、成本更低，且具有一些獨特的功能。nRF9E5功能分析?結(jié)構(gòu)組成nRF9E5內(nèi)嵌8051兼容微控制器、

4、RF收發(fā)器和4通道10位AD轉(zhuǎn)換器，其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。nRF9E5的片內(nèi)微控制器與標準805l兼容，指令時序與標準8051稍有區(qū)別。中斷控制器支持5個擴展中斷源：ADC斷、SPI中斷、喚醒中斷和兩個無線收發(fā)中斷。此外，還擴展了兩個數(shù)據(jù)指針，使得片外RA游取數(shù)據(jù)更為方便。nRF9E5內(nèi)置收發(fā)器具有與單片射頻收發(fā)器nRF905f同的功能，可通過片內(nèi)MCU勺并行口或SPI口與微控制器通信。收發(fā)器由頻率合成器、功率放大器、調(diào)制器和接收單元組成。輸出功率、頻道和其他射頻參數(shù)可通過對特殊功能寄存器RADIO編程進行控制。在發(fā)射模式(TX)下，最小工作電流僅為9mA輸出功率一10dBm),接收(RX)模

5、式下的工作電流為12.5mA掉電模式下的工作電流僅為2.5A可見，nRF9E曲功耗很低，比較適宜應用到有源RFID系統(tǒng)中，以延長電池壽命。?載波檢測載波檢測是nRF9E5的一大特色功能。在ShockBurst接收方式下，當工作信道內(nèi)有射頻載波出現(xiàn)時，載波檢測引腳（CD）被置高。也就是說，當收發(fā)器準備發(fā)送數(shù)據(jù)時，它首先進入接收模式并檢測所工作的信道是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)（信道是否空閑），這是一種簡單的傳輸前監(jiān)聽協(xié)議。載波檢測的標準一般比靈敏度低5dB,比如，靈敏度為-100dBm載波檢測功能探測低至105dBmH勺載波。這個特性很好地避免了同一工作頻率下不同發(fā)射器數(shù)據(jù)包之間的碰撞，對于解決RFID系統(tǒng)

6、中的碰撞問題很有幫助。?ShockBurst工作模式nRF9E5采用N0rdic公司的ShockBurst技術(shù)（自動處理前綴、地址和CRC）實現(xiàn)低速數(shù)據(jù)輸入，高速數(shù)據(jù)輸出，從而降低了系統(tǒng)的平均功耗。在ShockBurst接收模式下，當收到一個有效地址的射頻數(shù)據(jù)包時，地址匹配寄存器（AM）和數(shù)據(jù)就緒寄存器（DR）通知片內(nèi)MCU巴數(shù)據(jù)讀出。在ShockBurst發(fā)送模式下，nRF905自動給要發(fā)送的數(shù)據(jù)加上前綴和CRC校驗碼。當數(shù)據(jù)發(fā)送完后，數(shù)據(jù)就緒寄存器(DR)會通知MClM據(jù)已經(jīng)處理完畢。當系統(tǒng)沒有發(fā)送和接收任務時，將進入空閑方式。ShockBurst技術(shù)降低了MCU?儲器需求，同時也縮短了軟

7、件開發(fā)時間。有源UHFRFID系統(tǒng)設(shè)計?硬件設(shè)計電子標簽和讀寫器是RFID系統(tǒng)中最重要的硬件組成部分，將nRF9E5K片應用于有源UHFRFID系統(tǒng)(工作頻率為433MHz井，設(shè)計有源電子標簽電路和讀寫器框圖。有源RFID系統(tǒng)中的電子標簽是自帶電池的，可以主動發(fā)送信號,而不像無源標簽需要讀寫器發(fā)出的無線電波能量激活才能工作。nRF9E5M有小體積、低功耗、優(yōu)越的電源管理方式和極少的外圍器件等特點，非常適用于有源電子標簽中。圖2是有源標簽的基本框圖，其中電池可采用普通的3V紐扣電池，圖3是射頻收發(fā)電路的原理圖，ANTI和ANT2為天線連接引腳，采用PC齊形差分天線，可以進一步減小標簽的體積。25

8、320為EEPROM在nRF9E吐電后，系統(tǒng)根據(jù)引導程序，把25320中的程序代碼拷貝到nRF9E珀勺4KBRAMK晶振工作頻率為16MHz為了得到精確的內(nèi)部偏置電壓，通常在引腳IREF和地之間接一個阻值為22kQ,誤差為1的電阻?？刂葡到y(tǒng)通常采用ASIC組件和微處理器來實現(xiàn)，主要功能有：與應用系統(tǒng)軟件進行通信，并執(zhí)行從應用系統(tǒng)軟件發(fā)來的動作指令；控制與標簽的通信過程；信號的編碼與解碼；執(zhí)行防碰撞算法；對讀寫器和標簽之間傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密；進行讀寫器和標簽之間的身份驗證。射頻模塊的主要功能是：產(chǎn)生高頻發(fā)射能量；對發(fā)射信號進行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳輸給標簽；接收并解調(diào)標簽的射頻信號。在所設(shè)計的

9、系統(tǒng)中，讀寫器中的射頻模塊與有源標簽中的射頻模塊電路類本文為全文原貌未安裝PDF瀏覽器用戶請先下載安裝原版全文似，只是為了更有效地傳輸射頻信號，采用單端連接的50Q阻抗天線，需要在芯片天線連接引腳和天線之間加一個匹配網(wǎng)絡，如圖5所示?？刂葡到y(tǒng)中的微控制器可采用高性能的單片機或ARMt理器，數(shù)字處理單元可以采用DS成FPG魁行設(shè)計，而RS-232串口、以太網(wǎng)口是為和PC提供更多的接口選擇，這些內(nèi)容很多文獻已做了大量研究，這里不再詳述。在本系統(tǒng)中，采用三星的ARM9$3c2440A為微控制器，將XilinxSpartan-3E系歹UFPGAXC3s500的作數(shù)字處理單元。?通信協(xié)議標準由于讀寫器與

10、標簽之間的通信可能會受到其他數(shù)據(jù)終端或外界環(huán)境的干擾而發(fā)生錯誤，因此，需要通信協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。nRF9E3勺協(xié)議格式參見表1,其中，前綴就是數(shù)據(jù)頭，設(shè)備地址包括讀寫器地址和標簽地址，CR依驗碼可選為8位或16位。目前生產(chǎn)RFID產(chǎn)品的很多公司都采用自己的協(xié)議標準，國際上還沒有統(tǒng)一的標準。就發(fā)展趨勢來看，對于超高頻（UHF）RFID系統(tǒng),ISO/IEC18000-7（針對433MHzt源RFID系統(tǒng)）和EPCglobalClasslGan2（針又t860MHz960MHZE源RFID系統(tǒng)）協(xié)議標準，有望成為統(tǒng)一的國際標準。本文所設(shè)計的RFID系統(tǒng)通信協(xié)議依據(jù)ISO/IEC18000-

11、7協(xié)議標準。讀寫器到標簽的通信數(shù)據(jù)格式參見表2，其中用戶ID、標簽ID和參數(shù)為可選項，由命令類型決定是否選用。標簽到讀寫器廣播式響應的通信數(shù)據(jù)格式參見表3。?軟件配置在整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，無線射頻數(shù)據(jù)的傳輸是最主要的部分。首先要對nRF9E5»行初始化配置，這可以通過設(shè)置RF配置寄存器來完成，配置內(nèi)容包括工作頻率、輸出功率、自動重發(fā)功能、校驗碼長度等。部分代碼如下。defineHFREQ_PLL0/0=433MHz，1=868915MHz#definePA_PWR3/0=最小功率，3=最大功率接defineCRC_MODE1/0=8位校驗碼，1=16位校驗碼無線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的流程

12、分別如圖6和圖7所示。圖中TRX_CE為發(fā)送和接收使能寄存器位，DR為數(shù)據(jù)就緒寄存器位，AM地址匹配寄存器位，AUTO_RETRAN自動重發(fā)寄存器位。ShockBurst工作模式在前文已有介紹。本系統(tǒng)防碰撞問題尚未完全解決，在實際應用中，需要重點考慮。除前文提到nRF9E3勺載波檢測功能外，還需要有專門的防碰撞算法。目前，用的較多的方法是ALOHA1和二進制樹搜索算法，以及由它們改進發(fā)展得到的一系列算法，見_57。結(jié)束語nRF9E5是目前外接元件需求最少的單片RF收發(fā)芯片之一，覆蓋了國際上通用的ISM頻段，具有很多優(yōu)良的特性，適于構(gòu)建各種無線數(shù)傳通信平臺，文中將其應用于RFID系統(tǒng)中，設(shè)計了一

13、套有源UHFRFID系統(tǒng)，實驗測試顯示，最大通信距離近100米，有效識別距離超過20米。這只是初步嘗試，更多工作需要深入研究，系統(tǒng)實用性有待于進一步驗證。IEEE推出802.16m標準兼容WiMA*口4G據(jù)美國電氣電子工程學會(IEEE)最新公布的80216無線寬帶技術(shù)草案文本，該機構(gòu)目前正在研究一項無線傳輸新標準一一802.16m據(jù)稱新標準至少還需一到兩年才能出臺，IEEE的文件顯示，使用該標準后，無線數(shù)據(jù)傳輸速率可達1Qbs。事實上，80216m是滿足速率達1Gbzs的nomadic傳輸模式或高效強信號模式所必需的條件。據(jù)報道，802.16麗準在快速移動狀態(tài)下的傳輸速率可達1OOMb/8。新標準之所以能達到以上速率，主要歸功于MIMO侈輸入多輸出)技術(shù)，80211g和80211n標準路由器及接入節(jié)點目前已廣泛采用MIM豉術(shù)。54Mb)/s的路由器在采用了MIMOK術(shù)之后，理論傳輸速率可達108Mbs。IEEE委員會表示，802.16m標準不屬于WiMA而準，但可以在兩標準之間建立一個共享平臺。據(jù)稱802.16m標準還可以兼容未來的4G標準網(wǎng)絡，預計4G無線網(wǎng)絡兩到三年之后會在手機中得到應用。4G技術(shù)將以O(shè)FDM標準為基礎(chǔ)，到時目前的WC