UHF频段无源RFID读写器系统总体方案设计

李一峰/文

    射频识别技术

   RFID技术是利用无线射频方式进行非接触双向通信，自动识别目标对象并获取相关信息数据的无线通信技术。它可实现对运动目标的快速识别和多目标识别，识别的距离可达几十厘米至几十米；根据读写的方式，可以输入数千字节的自定义信息到电子标签，间接管理附带有电子标签的产品的信息；RFID技术具有非接触性，识别工作无须人工干预，具有极高的保密性；RFID电子标签不同于磁卡或IC卡，无暴露的触点，且不易损坏，使用寿命长，可工作于各种恶劣环境。

   基于以上特点，RFID技术在世界各地得到了广泛的应用，主要有商品防伪、交通运输、自动控制、工业生产、身份识别、仓库管理、安全管理、医疗、卫生、畜牧业管理、图书档案管理和国防军事等诸多应用领域。

    射频识别系统一般由读写器、电子标签、天线和主机四部分组成，如图1所示。

图1 无源RFID系统框图

   射频识别系统的工作流程并不复杂：主机通过与读写器的数据传输通道发送用户命令；读写器接收命令，对信号进行编码和调制后，通过发射天线在一定的区域内发送出去；标签进入磁场后，接收到读写器发出的射频信号，感应电流获得能量，完成数据的存储、发送或其他操作：读写器通过接收天线接收到电子标签返回的数据，进行解码和解调，必要时将处理后的数据送至主机；主机接收到读写器送回的数据，进行相关的处理。

    总体设计方案

   为设计出能稳定工作在UHF频段的无源RFID读写器，并尽可能提高其读写距离，使该无源RFID读写模块能够跟建筑设备物联网很好地融合，实现对建筑设备内的人员检测、定位，给建筑用电设备节能提供人员信息。方案对射频识别系统的开发流程进行了细化。

   该方案按照模块化的思想进行设计，方便开发、管理、系统升级和维护。总体来说，无源RFID读写器主要由三大部分构成：射频收发模块、MCU主控模块和外围电路。

   射频收发模块处理读写器与电子标签的数据通信。该模块的设计目标是设计出一款通用的应用于915MHz的射频收发模块，与控制部分通过自定义的I／O接口和函数联系。

   外围电路中，根据设计和实际应用的需要，又细分为：MCU控制模块、无源RFID射频模块、复位电路模块、电源管理模块、RS232接口、扩展I／O口等。

    UHF频段无源RFID读写器系统结构如图3所示：

图2 UFH频段无源RFID读写器系统结构框图

   在整个读写器系统中，RFID射频收发模块的功能是接收上位机的命令，根据命令对信息进行编码和调制，通过天线发送出去以控制电子标签进行相关的读写操作，并接收来自电子标签的信号，对该信号进行解调和解码，确定是佩戴该电子标签的人员信息。在选择射频芯片时，主要参考以下指标：

   芯片发射功率发射功率决定了射频芯片的信号覆盖范围，发射功率越高，信号覆盖范围也越广，因此，在同等条件下为保证有效通信，应该选择发射功率较高、功率调节范围更大的产品。

   芯片抗干扰能力无线通信易受干扰，因此，为保证数据通信的可靠性，应该选择抗干扰能力强的芯片。

    芯片功耗在保证数据有效通信的前提下，应该选用芯片功耗较小的产品。

   芯片外围元器件数目芯片外围元器件数目一方面影响产品成本，一方面对元器件的焊接和调试有影响，因此应该选用外围元器件较少的芯片。

    使用方便性应该选用使用和编程都方便的芯片，降低产品开发的难度和周期。

   根据以上指标原则，同时根据设计的实际需要，如价格、性能参数等多方面的考虑，nRF905在扩展功能、外围元器件和使用方便性等方面有较好的优势，因此，方案采用nRF905作为本设计射频收发模块采用的主芯片。

    nRF905单片无线收发器工作在433／868／915MHz的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成；可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码／解码，不用用户编写编码／解码程序；具有SPI接口，可以很容易通过该接口与具有SPI接口的微控制器通讯，编程配置非常方便；电流消耗很低。

   该设计采用宏晶科技的STC12C5A60S2单片机，STC12C5A60S2单片机具有以下几个特点：STC12C5A60S2单片机与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；片内有8k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；全静态工作,工作范围:0Hz～24MHz；三级程序存储器加密；512字节内部RAM；32位双向输入输出线；两个十六位定时器/计数器；五个中断源,两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；间歇和掉电两种工作方式。采用该款单片机足以满足本设计方案的需要。

   射频收发模块NRF905通过TRX_CE、PWR_UP、CD、AM、DR、MISO、MOSI、SCK、CSN、TX_EN等控制引脚以及数据和始终引脚分别与单片机的P1.0～P1.7以及P2.0、P2.1等一脚相连，实现对NRF905的控制。硬件电路如图4所示。

    控制部分模块给出了STC12C5A60S2单片机的外围电路，如图5所示。

   T扩展部分引出了部分I/O以便以后扩展应用以及通过串口和上位机通信。该部分硬件电路如图6所示。

   NRF905工作电源硬件是用来产生一个3.3V电源给NRF905射频芯片供电。其硬件电路如图7所示。

   该方案针对UHF射频模块进行了深入的研究和设计开发，主要设计了NRF905射频模块硬件电路、RFID主控制模块硬件电路以及其他辅助、扩展部分的硬件电路。在设计开发的过程中顺利完成了射频模块部分的资料收集和设计工作，取得了一定的成果。

    （作者单位：辽宁省标准化研究院）

    图3 NRF905射频收发模块硬件电路

    图4 STC12C5A60S2单片机的外围电路

    图5 扩展部分硬件电路

    图6 NRF905电源电路

    《中国自动识别技术》2014第2期