基于nRF9E5的有源超高頻RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是一種利用無線射頻通信實(shí)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(yuǎn)、穿透能力強(qiáng)、抗污性強(qiáng)等特點(diǎn)。

    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RFID系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)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(yīng)的RFID專用芯片也較多，主要有TI公司的S6700系列，NXP公司的MIFARE系列等。然而，用于UHF RFID的專用芯片卻很少，TI公司和NXP公司雖然宣稱已經(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(yuǎn)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(jì)有源UHF RFID系統(tǒng)。

    隨著集成電路產(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(shí)可以繼續(xù)使用8051 MCU幾十年來積累的各種應(yīng)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、ATMEL、Chipcon、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2006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nRF9E5都可用于UHF RFID系統(tǒng)，而nRF9E5體積更小、成本更低，且具有一些獨(dú)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、RF收發(fā)器和4通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  nRF9E5功能結(jié)構(gòu)框圖

    nRF9E5的片內(nèi)微控制器與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容，指令時(shí)序與標(biāo)準(zhǔn)8051稍有區(qū)別。中斷控制器支持5個(gè)擴(kuò)展中斷源：ADC中斷、SPI中斷、喚醒中斷和兩個(gè)無線收發(fā)中斷。此外，還擴(kuò)展了兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，使得片外RAM存取數(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nRF905相同的功能，可通過片內(nèi)MCU的并行口或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(jìn)行控制。在發(fā)射模式(TX)下，最小工作電流僅為9mA(輸出功率-10dBm)，接收(RX)模式下的工作電流為12.5mA，掉電模式下的工作電流僅為2.5μA。可見，nRF9E5的功耗很低，比較適宜應(yīng)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(dāng)工作信道內(nèi)有射頻載波出現(xiàn)時(shí)，載波檢測引腳(CD)被置高。也就是說，當(dāng)收發(fā)器準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它首先進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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-105dBm的載波。這個(gè)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)中的碰撞問題很有幫助。

● ShockBurst工作模式

    nRF9E5采用Nordic公司的ShockBurst技術(shù)(自動處理前綴、地址和CRC)，實(shí)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(dāng)收到一個(gè)有效地址的射頻數(shù)據(jù)包時(shí)，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把數(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(yàn)碼。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完后，數(shù)據(jù)就緒寄存器(DR)會通知MCU數(shù)據(jù)已經(jīng)處理完畢。當(dāng)系統(tǒng)沒有發(fā)送和接收任務(wù)時(shí)，將進(jìn)入空閑方式。ShockBurst技術(shù)降低了MCU存儲器需求，同時(shí)也縮短了軟件開發(fā)時(shí)間。

有源UHF RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)

● 硬件設(shè)計(jì)

    電子標(biāo)簽和讀寫器是RFID系統(tǒng)中最重要的硬件組成部分，將nRF9E5芯片應(yīng)用于有源UHF RFID系統(tǒng)(工作頻率為433MHz)中，設(shè)計(jì)有源電子標(biāo)簽電路和讀寫器框圖。

    有源RFID系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽是自帶電池的，可以主動發(fā)送信號，而不像無源標(biāo)簽需要讀寫器發(fā)出的無線電波能量激活才能工作。nRF9E5具有小體積、低功耗、優(yōu)越的電源管理方式和極少的外圍器件等特點(diǎn)，非常適用于有源電子標(biāo)簽中。

圖2  有源標(biāo)簽基本框圖

    圖2是有源標(biāo)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，ANT1和ANT2為天線連接引腳，采用PCB環(huán)形差分天線，可以進(jìn)一步減小標(biāo)簽的體積。25320為EEPROM，在nRF9E5上電后，系統(tǒng)根據(jù)引導(dǎo)程序，把25320中的程序代碼拷貝到nRF9E5的4KB RAM中。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(gè)阻值為22kΩ，誤差為1%的電阻。

圖3  射頻收發(fā)電路圖

    RFID讀寫器的任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對標(biāo)簽的對象標(biāo)識信息進(jìn)行解碼，將對象標(biāo)識信息連帶標(biāo)簽上其他相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。讀寫器基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，可以將讀寫器簡化為控制系統(tǒng)和由射頻收發(fā)器組成的射頻模塊兩個(gè)基本的功能塊。

圖4  讀寫器基本結(jié)構(gòu)

    控制系統(tǒng)通常采用ASIC組件和微處理器來實(shí)現(xiàn)，主要功能有：與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行從應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的動作指令；控制與標(biāo)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(biāo)簽之間傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密；進(jìn)行讀寫器和標(biāo)簽之間的身份驗(yàn)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(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳輸給標(biāo)簽；接收并解調(diào)來自標(biāo)簽的射頻信號。

    在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，讀寫器中的射頻模塊與有源標(biāo)簽中的射頻模塊電路類似，只是為了更有效地傳輸射頻信號，采用單端連接的50Ω阻抗天線，需要在芯片天線連接引腳和天線之間加一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。

圖5  射頻匹配網(wǎng)絡(luò)

    控制系統(tǒng)中的微控制器可采用高性能的單片機(jī)或ARM處理器，數(shù)字處理單元可以采用DSP或FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(xiàn)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 S3C2440A作為微控制器，將Xilinx Spartan-3E系列FPGA XC3S500E用作數(shù)字處理單元。

● 通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

    由于讀寫器與標(biāo)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(cuò)誤，因此，需要通信協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。nRF9E5的協(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(biāo)簽地址，CRC校驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)，國際上還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。就發(fā)展趨勢來看，對于超高頻(UHF)RFID系統(tǒng)，ISO/IEC 18000-7(針對433MHz有源RFID系統(tǒng))和EPCglobal Class1 Gen2(針對860MHz～960MHz無源RFID系統(tǒng))協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，有望成為統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。本文所設(shè)計(jì)的RFID系統(tǒng)通信協(xié)議依據(jù)ISO/IEC 18000-7協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。讀寫器到標(biāo)簽的通信數(shù)據(jù)格式參見表2，其中用戶ID、標(biāo)簽ID和參數(shù)為可選項(xiàng)，由命令類型決定是否選用。標(biāo)簽到讀寫器廣播式響應(yīng)的通信數(shù)據(jù)格式參見表3。

● 軟件配置

    在整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，無線射頻數(shù)據(jù)的傳輸是最主要的部分。首先要對nRF9E5進(jìn)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(yàn)碼長度等。部分代碼如下。

#define HFREQ_PLL  0  // 0=433MHz, 1=868/915MHz
#define PA_PWR  3     // 0=最小功率，…，3 =最大功率
#define CRC_MODE  1   // 0=8位校驗(yàn)碼，1=16位校驗(yàn)碼
……

    無線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的流程分別如圖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為地址匹配寄存器位，AUTO_RETRAN為自動重發(fā)寄存器位。ShockBurst工作模式在前文已有介紹。

圖6  nRF9E5發(fā)送數(shù)據(jù)流程

圖7  nRF9E5接受數(shù)據(jù)流程

    本系統(tǒng)防碰撞問題尚未完全解決，在實(shí)際應(yīng)用中，需要重點(diǎn)考慮。除前文提到nRF9E5的載波檢測功能外，還需要有專門的防碰撞算法。目前，用的較多的方法是ALOHA法和二進(jìn)制樹搜索算法，以及由它們改進(jìn)發(fā)展得到的一系列算法，見參考文獻(xiàn)5～7。

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(yīng)用于RFID系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一套有源UHF RFID系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)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(shí)用性有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。