超高频基于nRF9E5的有源超高频RFID系统设计

1、超高频基于nRF9E5的有源超高频RFID系统设计_电子工程学院焦传海将nRF9E5UH哆段射频收发芯片应用于有源超高频（UHF）射频识别（RFID）系统中，给出了射频收发电路原理图和读写器设计框图及软件配，系统tOT作频率为433MHz射频识别（RadioFrequencyldentification,RFID）技术是一种利用无线射频通信实现的非接触式自动识别技术，与目前广泛采用的条形码技术相比，RFID具有容量大、识别距离远、穿透能力强、抗污性强等特点。RFID技术已经发展得比较成熟并获得了大规模商用，但超高频RFID技术相对滞后。本文分析了射频芯片nRF9E5的功能特性，并将其用于REI

2、D系统中，设计了一套有源超高频（UHF）RFID系统。射频芯片的选取目前，发展较为成熟的RFID系统主要是125kHz和13.56MHz系统，相应的RFID专用芯片也较多，主要有TI公司的S6700系列，NX心司的MIFAR舔歹U等。然而，用于UHFRFID勺专用芯片却很少，TI公司和NX吆司虽然宣称已经量产符合Gen2的RFID芯片，但由于各种因素，还没能真正大量投入使用。再者，为了满足用户对远识别距离的要求，一般需使用有源UHFRFID系统，而目前有源UHFRFID专用芯片更是难觅其踪。所以，需要寻找一款适合超高频RFID且易于开发的低成本射频芯片，来设计有源UHFRFID系统。随着集成电

3、路产业的发展，8051内核已经被集成到各种片上系统(SoC)中，这些SoC具有更多的功能、更快的速度、更小的体积和功耗，同时可以继续使用8051MCUL十年来积累的各种应用软件资源,具有广阔的发展空间。许多国际知名公司，如TI、ATME、LChipcon、Nordic等都推出了各种兼容8051内核的新一代短距离无线通信芯片，Chipcon在xx年初被TI公司所收购。通过分析比较发现，Chipcon公司的CC1010和Nordic公司的nRF9E5tB可用于UHFRFI疏统，而nRF9E5积更小、成本更低，且具有一些独特的功能。nRF9E5功能分析?结构组成nRF9E5内嵌8051兼容微控制器、

4、RF收发器和4通道10位AD转换器，其功能结构如图1所示。nRF9E5的片内微控制器与标准805l兼容，指令时序与标准8051稍有区别。中断控制器支持5个扩展中断源：ADC断、SPI中断、唤醒中断和两个无线收发中断。此外，还扩展了两个数据指针，使得片外RA游取数据更为方便。nRF9E5内置收发器具有与单片射频收发器nRF905f同的功能，可通过片内MCU勺并行口或SPI口与微控制器通信。收发器由频率合成器、功率放大器、调制器和接收单元组成。输出功率、频道和其他射频参数可通过对特殊功能寄存器RADIO编程进行控制。在发射模式(TX)下，最小工作电流仅为9mA输出功率一10dBm),接收(RX)模

5、式下的工作电流为12.5mA掉电模式下的工作电流仅为2.5A可见，nRF9E曲功耗很低，比较适宜应用到有源RFID系统中，以延长电池寿命。?载波检测载波检测是nRF9E5的一大特色功能。在ShockBurst接收方式下，当工作信道内有射频载波出现时，载波检测引脚（CD）被置高。也就是说，当收发器准备发送数据时，它首先进入接收模式并检测所工作的信道是否可以发送数据（信道是否空闲），这是一种简单的传输前监听协议。载波检测的标准一般比灵敏度低5dB,比如，灵敏度为-100dBm载波检测功能探测低至105dBmH勺载波。这个特性很好地避免了同一工作频率下不同发射器数据包之间的碰撞，对于解决RFID系统

6、中的碰撞问题很有帮助。?ShockBurst工作模式nRF9E5采用N0rdic公司的ShockBurst技术（自动处理前缀、地址和CRC）实现低速数据输入，高速数据输出，从而降低了系统的平均功耗。在ShockBurst接收模式下，当收到一个有效地址的射频数据包时，地址匹配寄存器（AM）和数据就绪寄存器（DR）通知片内MCU巴数据读出。在ShockBurst发送模式下，nRF905自动给要发送的数据加上前缀和CRC校验码。当数据发送完后，数据就绪寄存器(DR)会通知MClM据已经处理完毕。当系统没有发送和接收任务时，将进入空闲方式。ShockBurst技术降低了MCU?储器需求，同时也缩短了软

7、件开发时间。有源UHFRFID系统设计?硬件设计电子标签和读写器是RFID系统中最重要的硬件组成部分，将nRF9E5K片应用于有源UHFRFID系统(工作频率为433MHz井，设计有源电子标签电路和读写器框图。有源RFID系统中的电子标签是自带电池的，可以主动发送信号,而不像无源标签需要读写器发出的无线电波能量激活才能工作。nRF9E5M有小体积、低功耗、优越的电源管理方式和极少的外围器件等特点，非常适用于有源电子标签中。图2是有源标签的基本框图，其中电池可采用普通的3V纽扣电池，图3是射频收发电路的原理图，ANTI和ANT2为天线连接引脚，采用PC齐形差分天线，可以进一步减小标签的体积。25

8、320为EEPROM在nRF9E吐电后，系统根据引导程序，把25320中的程序代码拷贝到nRF9E珀勺4KBRAMK晶振工作频率为16MHz为了得到精确的内部偏置电压，通常在引脚IREF和地之间接一个阻值为22kQ,误差为1的电阻。控制系统通常采用ASIC组件和微处理器来实现，主要功能有：与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发来的动作指令；控制与标签的通信过程；信号的编码与解码；执行防碰撞算法；对读写器和标签之间传送的数据进行加密和解密；进行读写器和标签之间的身份验证。射频模块的主要功能是：产生高频发射能量；对发射信号进行调制，用于将数据传输给标签；接收并解调标签的射频信号。在所设计的

9、系统中，读写器中的射频模块与有源标签中的射频模块电路类本文为全文原貌未安装PDF浏览器用户请先下载安装原版全文似，只是为了更有效地传输射频信号，采用单端连接的50Q阻抗天线，需要在芯片天线连接引脚和天线之间加一个匹配网络，如图5所示。控制系统中的微控制器可采用高性能的单片机或ARMt理器，数字处理单元可以采用DS成FPG魁行设计，而RS-232串口、以太网口是为和PC提供更多的接口选择，这些内容很多文献已做了大量研究，这里不再详述。在本系统中，采用三星的ARM9$3c2440A为微控制器，将XilinxSpartan-3E系歹UFPGAXC3s500的作数字处理单元。?通信协议标准由于读写器与

10、标签之间的通信可能会受到其他数据终端或外界环境的干扰而发生错误，因此，需要通信协议来保证数据传输的可靠性。nRF9E3勺协议格式参见表1,其中，前缀就是数据头，设备地址包括读写器地址和标签地址，CR依验码可选为8位或16位。目前生产RFID产品的很多公司都采用自己的协议标准，国际上还没有统一的标准。就发展趋势来看，对于超高频（UHF）RFID系统,ISO/IEC18000-7（针对433MHzt源RFID系统）和EPCglobalClasslGan2（针又t860MHz960MHZE源RFID系统）协议标准，有望成为统一的国际标准。本文所设计的RFID系统通信协议依据ISO/IEC18000-

11、7协议标准。读写器到标签的通信数据格式参见表2，其中用户ID、标签ID和参数为可选项，由命令类型决定是否选用。标签到读写器广播式响应的通信数据格式参见表3。?软件配置在整个系统的软件设计中，无线射频数据的传输是最主要的部分。首先要对nRF9E5»行初始化配置，这可以通过设置RF配置寄存器来完成，配置内容包括工作频率、输出功率、自动重发功能、校验码长度等。部分代码如下。defineHFREQ_PLL0/0=433MHz，1=868915MHz#definePA_PWR3/0=最小功率，3=最大功率接defineCRC_MODE1/0=8位校验码，1=16位校验码无线数据发送和接收的流程

12、分别如图6和图7所示。图中TRX_CE为发送和接收使能寄存器位，DR为数据就绪寄存器位，AM地址匹配寄存器位，AUTO_RETRAN自动重发寄存器位。ShockBurst工作模式在前文已有介绍。本系统防碰撞问题尚未完全解决，在实际应用中，需要重点考虑。除前文提到nRF9E3勺载波检测功能外，还需要有专门的防碰撞算法。目前，用的较多的方法是ALOHA1和二进制树搜索算法，以及由它们改进发展得到的一系列算法，见_57。结束语nRF9E5是目前外接元件需求最少的单片RF收发芯片之一，覆盖了国际上通用的ISM频段，具有很多优良的特性，适于构建各种无线数传通信平台，文中将其应用于RFID系统中，设计了一

13、套有源UHFRFID系统，实验测试显示，最大通信距离近100米，有效识别距离超过20米。这只是初步尝试，更多工作需要深入研究，系统实用性有待于进一步验证。IEEE推出802.16m标准兼容WiMA*口4G据美国电气电子工程学会(IEEE)最新公布的80216无线宽带技术草案文本，该机构目前正在研究一项无线传输新标准一一802.16m据称新标准至少还需一到两年才能出台，IEEE的文件显示，使用该标准后，无线数据传输速率可达1Qbs。事实上，80216m是满足速率达1Gbzs的nomadic传输模式或高效强信号模式所必需的条件。据报道，802.16丽准在快速移动状态下的传输速率可达1OOMb/8。新标准之所以能达到以上速率，主要归功于MIMO侈输入多输出)技术，80211g和80211n标准路由器及接入节点目前已广泛采用MIM豉术。54Mb)/s的路由器在采用了MIMOK术之后，理论传输速率可达108Mbs。IEEE委员会表示，802.16m标准不属于WiMA而准，但可以在两标准之间建立一个共享平台。据称802.16m标准还可以兼容未来的4G标准网络，预计4G无线网络两到三年之后会在手机中得到应用。4G技术将以OFDM标准为基础，到时目前的WC