AT89C51與nRF401芯片在RFID系統(tǒng)中的應用
1 RFID系統(tǒng)簡述
RFID即為非接觸的識別系統(tǒng),它是一種從20世紀90年代興起的一項自動識別技術,它利用無線射頻方式進行 非接觸雙向通信,以達到識別目的并交換數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)存儲在電子數(shù)據(jù)載體(稱應答器)之中。然而,應答器的能量供應以及應答器與閱讀器之間的數(shù)據(jù)交換不是通 過電流的觸點接通而是通過磁場或電磁場,這方面采用了無線電和雷達技術。射頻識別是無線電頻率識別的簡稱,即通過無線電波進行識別。同其他識別系統(tǒng)相比, 射頻識別系統(tǒng)具有許多優(yōu)點。因此,射頻識別系統(tǒng)開始占據(jù)了巨大的銷售市場。這方面的例子有:用非接觸Ic卡作短距離公共交通車票、公路收費系統(tǒng)以及在安全 系統(tǒng)、銀行、醫(yī)院、商店、賓館及個人通信等場所廣泛應用的無線呼叫系統(tǒng),該系統(tǒng)與其他有線通信系統(tǒng)相比有著性能及成本的優(yōu)勢。對于該系統(tǒng)在后而我們將較為 詳細地敘述。
2 基于AT89C51與nRF401的RFID系統(tǒng)設計
AT89C51單片機簡述
AT89C51是一種低功耗高性能的8位單片機,片內帶有一個4k字節(jié)的Flash可編擦除只 讀存儲器(PEROM),它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器(NURAM)技術,而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)和MCU_51系列 單片機兼容。片內的Flash存儲器允許在系統(tǒng)內可改編程序或用常規(guī)的非易失性的存儲器編程器來編程。同時已具有三級程序存儲器保密的性能:
在 眾多的51系列單片機中,要算ATMEI公司的AT89C51更實用,因為它不僅和MCU_51系列單片機指令、管腳完全兼容,而且其片內的4k程序存儲 器是Flash工藝的,這種下藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。所以說這種單片機對開發(fā)設備的要求很低,開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機的程 序還可以加密,這又很好地保護了所有者的勞動成果。
無線收發(fā)芯片nRF401簡介
發(fā)射接收芯片采用挪 威Nordic公司新推出的集發(fā)射接收為一體的nRF401無線數(shù)傳芯片,它是一個為433MHz ISM頻段設計的真正單片機UHF無線收發(fā)芯片,采用FSK調制解調技術。最高工作速率可達20k,發(fā)射功率可以調整,最人為+lOdBm。 nRF401集成度高,工作頻率穩(wěn)定可靠,外圍元器件少,功耗極低,適合便攜式產(chǎn)品的設計。在以下設計的電路中(如圖3所示)通過AT89C51的 P2.5口控制射頻芯片的PWR_UP,使其為“1”時表示進人正常工作模式,為“0”時表示進人待機模式;P2.6接射頻芯片的CS,控制發(fā)送接收頻 率,為“1”表示工作頻率為434.32MHz.為“0”表示工作頻率為433.92MHz . P2.7控制射頻芯片的TXEN端,使其為“1”表示進人發(fā)送模式,為“0"表示進人接收模式。
系統(tǒng)設計
如前所述,AT89C51單片機片內帶有一個4k字節(jié)的Flash可編程可擦除只讀存儲器,這就決定了在某些方 面其自身的優(yōu)越性。眾所周知,編寫程序絕大多數(shù)需要反復調試,數(shù)次修改,AT89C51的可擦除可編程特性極大地方便了編程者的調試修改工作因此,在 RFID系統(tǒng)中,AT89C51單片機得到了充分的應用。下面將以作者參與設計的無線呼叫系統(tǒng)為例詳細說明。
在酒店等服務行業(yè)中,無線呼 叫系統(tǒng)有很大的應用前景,而把AT89C51作為控制部分應用于無線呼叫系統(tǒng)中將使系統(tǒng)功能更加靈活。系統(tǒng)包括發(fā)射和接收兩部分:發(fā)射部分由按鍵、 AT89C51單片機控制器和nRF401芯片組成;接收部分由nRF401、AT89C51一單片機控制器和LED顯示以及蜂鳴報警器組成。在發(fā)射器中 有約定的數(shù)據(jù)代碼,當按鍵時將數(shù)據(jù)代碼送入nRF401芯片,由它向外發(fā)射,同時接收部分由單片機控制nRF401芯片接收數(shù)據(jù)代碼并顯示報警,為了增強 系統(tǒng)靈活性,發(fā)射器中的數(shù)據(jù)代碼可以通過接口電路即時地輸入,并且接收器收到信號后反饋信息給發(fā)射器,即采用半雙工的工作方式。
圖2為復位電路,在此我們采取手動復位的方式。圖3為發(fā)射控制部分電路,其實際功能是當按鍵按下時,與之相連的發(fā)光二極管閃耀,同時蜂鳴器發(fā)出報警 聲,從而在視覺和聽覺上一起提醒呼叫者操作成功。其中的C14為退耦電容.可以為2.2 μF的電解電容。同時,因為AT89C51內部有程序存儲器,31腳接高電平(VCC),單片機啟動后直接在內部讀取指令。圖4為無線發(fā)射電路,采用環(huán)狀 差分天線。
(2)接收電路
圖5為接收電路示意圖,它由接收芯片nRF401、并行接口芯片8155、單片機AT89C51及共陰極LED和語音報警提示電路等組成。 CH1000是一種專為蜂鳴器設計的雙極型集成電路,當RF401接收到信號之后,其輸出驅動外接壓電片HD發(fā)出報警聲。單片機通過并行接口8155驅動 LED顯示。
系統(tǒng)軟件部分
軟件設計時,要注意RF401模塊工作模式切換時,編程中要做相應的延時處理。 另外一個值得注意的問題是在無線呼叫系統(tǒng)進行工作時,可能會出現(xiàn)同時有幾個發(fā)射器處于接收器的工作范圍內,這樣當有兩個或兩個以上的發(fā)射器同時發(fā)送數(shù)據(jù)時 就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)相互的干擾(碰撞),所以就必須制定適當?shù)耐ㄐ欧绞健R话阍赗F1D系統(tǒng)中有兩種不同的基本通信方式:
第一種通信方式:從接收器到發(fā)射器的數(shù)據(jù)傳輸為第一種通信形式。發(fā)送的數(shù)據(jù)流同時被所有的發(fā)射器接收,此方式稱為“無線廣播”(Radio)。
第二種通信方式:在接收器的應答范圍內有多個發(fā)射器的數(shù)據(jù)同時傳輸給閱讀器,這種通信方式稱為多路存取。這是RFID系統(tǒng)中的主要通信方式之一。
RFID 系統(tǒng)是個小的無線局域網(wǎng),所以應選用比較簡單的多路存取方法??梢允褂迷?strong>RFID系統(tǒng)中的多路存取方法有ALOHA法,時隙ALOHA法,動態(tài)時隙 ALOHA法,“二進制搜索”算法和“動態(tài)二進制搜索”算法等,在我們的無線呼叫系統(tǒng)中使用的是“動態(tài)二進制搜索”算法,這種算法有效地避免了通信碰撞問 題。
使用RF技術傳輸數(shù)據(jù)時很容易受外界的千擾:使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)生改變導致錯誤。校驗是用以識別并以一定的措施進行數(shù)據(jù)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,本設計中采用最為簡單的檢錯碼——奇偶校驗碼。奇偶校驗是一種簡單的廣泛 使用的校驗方法。這種方法是把個奇偶校驗位組合到每一字節(jié)中,并被傳輸,即每字節(jié)發(fā)送九位,在數(shù)據(jù)傳輸前必須確定是用偶數(shù)校驗還是用奇數(shù)校驗,以保證發(fā)射 器和接收器二者都用同樣的方法進行校驗。本設計采用偶數(shù)校驗。
3 結束語
本系統(tǒng)的無線通信采用半雙工方式,偶校驗。為了防止干擾,在做PCB板時采用1.6mmFR4板材的雙面板。通信距離100mm,運行可靠。