基于nRF2401的牲畜信息讀寫器的研究

摘要：應(yīng)用在動(dòng)物識(shí)別領(lǐng)域中的RFlD讀寫器是畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的信息輸入起點(diǎn)，它的性能直接影響了畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的質(zhì)量。為了開發(fā)出一種能適應(yīng)具體應(yīng)用環(huán)境的讀寫器，在充分理解動(dòng)物識(shí)別領(lǐng)域?qū)ψx寫器的特殊需求后，確定了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并選擇了適當(dāng)?shù)钠骷?，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，開發(fā)出一種能夠在遠(yuǎn)距離、動(dòng)物快速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下能可靠讀／寫信息的讀寫器。
關(guān)鍵詞：讀寫器；單片機(jī)；射頻芯片；電磁兼容

0 引言
    畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)對(duì)加強(qiáng)畜牧業(yè)的信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)畜產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)，進(jìn)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(biāo)”作為記錄載體賦予標(biāo)簽惟一標(biāo)識(shí)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(yīng)的讀寫器進(jìn)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(shù)。但是，動(dòng)物移動(dòng)頻繁，會(huì)導(dǎo)致讀／寫角度和讀／寫距離變化較快，并使讀／寫過程常常出錯(cuò)，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(gè)問題。本文設(shè)計(jì)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(biāo)簽、讀寫器、天線系統(tǒng)組成。當(dāng)標(biāo)簽處于讀寫器的讀寫范圍時(shí)，標(biāo)簽和讀寫器就可以通過他們攜帶的天線進(jìn)行通信，計(jì)算機(jī)可通過串口與讀寫器進(jìn)行通信，將要寫入標(biāo)簽的信息、寫指令(或讀標(biāo)簽指令)傳輸?shù)阶x寫器上，由讀寫器來完成對(duì)標(biāo)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(biāo)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(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)通信，在人機(jī)界面的支持下可由計(jì)算機(jī)的上位機(jī)軟件控制讀寫器對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)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(gè)合適的環(huán)境，然后輸入要讀／寫標(biāo)簽的ID號(hào)，找到對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽然后轉(zhuǎn)入讀／寫標(biāo)簽的子程序進(jìn)行相應(yīng)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(jī)界面、存儲(chǔ)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(jī)ATmega128
    控制單元是讀寫器的重要組成部分，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)該系統(tǒng)各個(gè)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(jī)。它具有豐富的外圍接口，128 KB的FLASH程序儲(chǔ)存器，4 KB的E2PROM，4 KB的SRAM，53個(gè)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(shí)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(shè)計(jì)的需求，另外它豐富的引腳為系統(tǒng)的擴(kuò)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(shè)計(jì)出一種讀寫距離遠(yuǎn)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(jìn)行配置。
    該射頻芯片主要用來通過天線與電子標(biāo)簽進(jìn)行信息交互，單片機(jī)主要通過控制它的CS，CE，DR1，PWR_UP，CLK1，DATA等幾個(gè)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(shè)計(jì)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(huì)更加簡單，且系統(tǒng)穩(wěn)定性也會(huì)更高。配置過程如下：設(shè)置CS為高電平，CE為低電平使芯片進(jìn)入配置模式，延時(shí)5μs以上，單片機(jī)將配置數(shù)據(jù)通過I／O引腳寫進(jìn)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(shí)，將nRF2401的CE引腳置為高電平，延時(shí)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(shí)后芯片進(jìn)入接收狀態(tài)，當(dāng)檢測到DR1引腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，表明nRF2401的FIFO緩沖區(qū)已收到數(shù)據(jù)，單片機(jī)執(zhí)行讀數(shù)據(jù)子程序?qū)RF2401中的數(shù)據(jù)全部讀出，當(dāng)全部數(shù)據(jù)讀完后DR1引腳變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)可利用DR1引腳的狀態(tài)變換跳轉(zhuǎn)去執(zhí)行其他處理程序。
2．3 通信接口設(shè)計(jì)
2．3．1 串口電路設(shè)計(jì)
    在本設(shè)計(jì)中，讀寫器與PC機(jī)的通信通過RS 232串行接口，但單片機(jī)I／O管腳的電平是TTL電平與PC機(jī)不能直接進(jìn)行通信，需要通過芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換才能通信，本設(shè)計(jì)中選用MAX232E來完成電平轉(zhuǎn)換，T1IN和R1OUT與單片機(jī)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(jī)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(jī)與PC機(jī)通過握手信號(hào)連通后，在PC機(jī)發(fā)送的控制狀態(tài)信號(hào)的作用下，單片機(jī)通過USART發(fā)送、接收數(shù)據(jù)與PC機(jī)的串口通信。本設(shè)計(jì)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(guān)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(yīng)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(kuò)展
    以上介紹的是讀寫器的基本組成，為了設(shè)計(jì)一個(gè)方便完整的讀寫器還要加上人機(jī)界面，存儲(chǔ)器，電源電路等。人機(jī)界面提供讀／寫過程中需要人干預(yù)的接口，可選用獨(dú)立式鍵盤和LCD12864來實(shí)現(xiàn)；存儲(chǔ)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(biāo)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(biāo)簽，可選用AT24C08芯片來實(shí)現(xiàn)，它是一種I2C接口的器件。電源電路為整個(gè)讀寫器的各個(gè)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(jié)語
    實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的過程中，電磁干擾問題很突出。將讀寫器的PCB設(shè)計(jì)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(gè)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(yuǎn)距離、動(dòng)物快速移動(dòng)的狀態(tài)下具備非常高的可靠性。