摘要：應用在動物識別領域中的RFlD讀寫器是畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的信息輸入起點，它的性能直接影響了畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的質量。為了開發(fā)出一種能適應具體應用環(huán)境的讀寫器，在充分理解動物識別領域對讀寫器的特殊需求后，確定了系統(tǒng)的設計方案，并選擇了適當?shù)钠骷?，采用模塊化的設計思想，開發(fā)出一種能夠在遠距離、動物快速運動的狀態(tài)下能可靠讀／寫信息的讀寫器。
關鍵詞：讀寫器；單片機；射頻芯片；電磁兼容
0 引言
畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)對加強畜牧業(yè)的信息化建設，實現(xiàn)畜產(chǎn)品優(yōu)質優(yōu)價，進而規(guī)范畜產(chǎn)品市場的持續(xù)、穩(wěn)定和健康的發(fā)展具有重要意義。牲畜出生后利用“耳標”作為記錄載體賦予標簽惟一標識碼，記錄牲畜在流通的各環(huán)節(jié)中的必要信息并用與之相應的讀寫器進行讀取以作為畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的信息輸入，是目前畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)普遍采用的技術。但是，動物移動頻繁，會導致讀／寫角度和讀／寫距離變化較快，并使讀／寫過程常常出錯，目前普遍采用的RFID讀寫器由于工作頻率不高，難以解決這個問題。本文設計出一種工作在微波頻段的高可靠性讀寫器，從而較好地解決了這一問題。
1 RFID讀寫器的工作原理
1．1 RFID系統(tǒng)介紹
RFID系統(tǒng)由電子標簽、讀寫器、天線系統(tǒng)組成。當標簽處于讀寫器的讀寫范圍時，標簽和讀寫器就可以通過他們攜帶的天線進行通信，計算機可通過串口與讀寫器進行通信，將要寫入標簽的信息、寫指令(或讀標簽指令)傳輸?shù)阶x寫器上，由讀寫器來完成對標簽的寫入(或讀)操作(見圖1)。
1．2 RFID讀寫器介紹
RFID讀寫器是RFID系統(tǒng)的重要組成部分，它最核心的器件是射頻芯片，由射頻芯片決定數(shù)據(jù)的編碼以及與電子標簽的通信協(xié)議，從而決定該讀寫器的使用范圍。讀寫器的設計直接影響了讀寫器的方便，易用以及讀寫信息的可靠性。它一般可與計算機通信，在人機界面的支持下可由計算機的上位機軟件控制讀寫器對電子標簽進行讀寫／操作。典型的工作流程圖如圖2所示，首先要將系統(tǒng)配置到一個合適的環(huán)境，然后輸入要讀／寫標簽的ID號，找到對應的標簽然后轉入讀／寫標簽的子程序進行相應處理。
2 讀寫器的基本組成
RFID讀寫器一般由控制單元、射頻單元、通信接口、人機界面、存儲器及電源電路等部分組成。其中控制單元、射頻單元和通信接口是讀寫器的基本組成部分，下面分別介紹它們。
2．1 單片機ATmega128
控制單元是讀寫器的重要組成部分，它負責協(xié)調(diào)該系統(tǒng)各個單元模塊的工作以及提供一些通信接口。這里選用Atmel公司的ATmega128作為讀寫器的控制單元，ATmega128是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS的8位單片機。它具有豐富的外圍接口，128 KB的FLASH程序儲存器，4 KB的E2PROM，4 KB的SRAM，53個可編程的I／O口線，內(nèi)外中斷源，可編程的USART，可編程的看門狗定時器，SPI口等。它具備的USART，SPI，IIC口以及較高的工作頻率很好地滿足了本設計的需求，另外它豐富的引腳為系統(tǒng)的擴展提供了條件。
2．2 射頻模塊
2．2．1 射頻芯片接口
射頻模塊是讀寫器的核心組成部分，它的工作頻率以及編碼、通信協(xié)議等決定了它的性能。為了設計出一種讀寫距離遠并保證通信可靠的讀寫器，選用工作頻率較高的nRF2401芯片。它是挪威Nordic公司生產(chǎn)的單片射頻收發(fā)芯片，工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，并且它的輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。
該射頻芯片主要用來通過天線與電子標簽進行信息交互，單片機主要通過控制它的CS，CE，DR1，PWR_UP，CLK1，DATA等幾個引腳來操作它。芯片的外圍元件及引腳連接方式電路原理如圖3所示。
2．2．2 射頻芯片編程
使用nRF2401收發(fā)數(shù)據(jù)要先配置它，本設計中將芯片配置成ShockBurstTM收發(fā)模式，在這種模式下系統(tǒng)的程序編寫會更加簡單，且系統(tǒng)穩(wěn)定性也會更高。配置過程如下：設置CS為高電平，CE為低電平使芯片進入配置模式，延時5μs以上，單片機將配置數(shù)據(jù)通過I／O引腳寫進nRF2401，再置CS引腳為低電平即可完成nRF2401的配置。配置芯片為TX模式時，將nRF2401的CE引腳置為高電平，延時5μs以上后，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入nRF2401的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存中，再將nRF2401的CE引腳置為低電平就可以將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)射出去。
接收數(shù)據(jù)的過程與發(fā)送數(shù)據(jù)的過程類似，配置nRF2401為RX模式。然后置CE引腳為高電平經(jīng)過200μs延時后芯片進入接收狀態(tài)，當檢測到DR1引腳變?yōu)楦唠娖綍r，表明nRF2401的FIFO緩沖區(qū)已收到數(shù)據(jù)，單片機執(zhí)行讀數(shù)據(jù)子程序將nRF2401中的數(shù)據(jù)全部讀出，當全部數(shù)據(jù)讀完后DR1引腳變?yōu)榈碗娖?，此時可利用DR1引腳的狀態(tài)變換跳轉去執(zhí)行其他處理程序。
2．3 通信接口設計
2．3．1 串口電路設計
在本設計中，讀寫器與PC機的通信通過RS 232串行接口，但單片機I／O管腳的電平是TTL電平與PC機不能直接進行通信，需要通過芯片進行電平轉換才能通信，本設計中選用MAX232E來完成電平轉換，T1IN和R1OUT與單片機串行發(fā)送口和串行接收口相連，T1OUT和R1IN通過DB9連接器連到PC機COM口的RXD和TXD端口，電路連接方式如電路原理圖3所示。
2．3．2 串口編程
單片機與PC機通過握手信號連通后，在PC機發(fā)送的控制狀態(tài)信號的作用下，單片機通過USART發(fā)送、接收數(shù)據(jù)與PC機的串口通信。本設計中USART工作在異步收發(fā)模式下，操作過程如下，首先初始化USART，然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)寄存器中，配置控制寄存器相關位使數(shù)據(jù)通過引腳能夠發(fā)送出去；接收數(shù)據(jù)的情況類似，初始化控制寄存器后，使能接收控制寄存器的相應控制位，然后去數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù)。
2．4 系統(tǒng)基本組成原理圖
系統(tǒng)基本組成原理圖如圖3所示。
3 讀寫器系統(tǒng)的擴展
以上介紹的是讀寫器的基本組成，為了設計一個方便完整的讀寫器還要加上人機界面，存儲器，電源電路等。人機界面提供讀／寫過程中需要人干預的接口，可選用獨立式鍵盤和LCD12864來實現(xiàn)；存儲電路用于暫存讀寫器讀到的數(shù)據(jù)或者將要寫到電子標簽中的數(shù)據(jù)暫存到讀寫器中，再由讀寫器發(fā)給電子標簽，可選用AT24C08芯片來實現(xiàn)，它是一種I2C接口的器件。電源電路為整個讀寫器的各個芯片提供電源，可以選用各種穩(wěn)壓模塊通過變換來獲得所需電源。
4 結語
實現(xiàn)設計的過程中，電磁干擾問題很突出。將讀寫器的PCB設計成雙層板，底層作為地層不放置元件，頂層的空地方敷上銅，并將敷銅通過過孔與底層的地相連，可大大降低電磁干擾。整個系統(tǒng)做了抗電磁干擾處理后，工作在微波頻段的本讀寫器能夠在遠距離、動物快速移動的狀態(tài)下具備非常高的可靠性。
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