0引言

　　射頻識(shí)別(FRID)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)核心技術(shù)，因其廣泛的應(yīng)用性及其帶來的經(jīng)濟(jì)效益，正在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。它是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，能穿透雪、冰、霧、涂料、塵垢等條形碼無法使用的惡劣環(huán)境，通過無線射頻方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和數(shù)據(jù)信息獲取。

　　其基本工作原理并不復(fù)雜，主要有兩種方式：

　　1)電感耦合(Inductive Coupling)。依據(jù)電磁感應(yīng)定律，一般工作在較低頻段。對(duì)于無源標(biāo)簽(PassiveTag,或被動(dòng)標(biāo)簽)，本身沒有供電電壓，標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收讀卡器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量來喚醒芯片使之工作，并與讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　2)電磁后向散射耦合(Backscatter Coupling)。屬于雷達(dá)原理模型，工作在較高頻段。

　　有源標(biāo)簽(Active Tag，或主動(dòng)標(biāo)簽)自主向閱讀器發(fā)送某一頻率的信號(hào)，閱讀器讀取信息并解碼后，送至控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

　　按照發(fā)射頻率的不同，IUID系統(tǒng)可以分為低頻(135kHz以下)、高頻(13.56MHz)、超高頻UHF(860~960MHz)和微波(2.4GHz以上)等幾大類。其中，低頻和高頻的系統(tǒng)目前應(yīng)用較為廣泛。而超高頻和微波的識(shí)別距離遠(yuǎn)，這兩種頻段的RFID系統(tǒng)具有更廣闊的應(yīng)用前景。另外，有源式RFID系統(tǒng)的速寫能力，可用于流程跟蹤和監(jiān)控定位等領(lǐng)域。

　　1硬件電路設(shè)計(jì)

　　1.1微控制器電路設(shè)計(jì)

　　MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器(TI)1996年開始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集(RjSC)的混合信號(hào)處理器。它將多個(gè)不同功能的模電、數(shù)電模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供單片解決方案。該系列單片機(jī)在需要電池供電的便攜式儀器儀表中應(yīng)用比較廣泛。

　　MsP430單片機(jī)的特點(diǎn)如下：

　　(1)處理能力強(qiáng)：16位數(shù)據(jù)處理能力;指令系統(tǒng)精簡(jiǎn)、功能強(qiáng)大;尋址方式豐富;內(nèi)含大量寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以參加多種運(yùn)算等。

　　(2)運(yùn)算速度快：能在25MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)指令周期達(dá)40ns.

　　(3)超低功耗：電源電壓采用1.8~3.6V,可使其在1Ⅻz的時(shí)鐘下運(yùn)行時(shí)，芯片最低電流在165 uA左右，刪保持模式下的最低電流只需O.1 u A;時(shí)鐘系統(tǒng)豐富，可以在指令的控制下打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。另外，有五種低功耗模式(LPM0~LPM4)。

　　(4)片內(nèi)資源豐富：如看門狗、模擬比較器、定時(shí)器、12C、SPI、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、16位Σ?！鰽DC、DMA、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(IHc)、I/O端口和USB控制器等若干外圍模塊的不同組合。片內(nèi)資源豐富帶來的直接好處，就是大大減少了外圍電路的需要。

　　另外，MSP430系列單片機(jī)的中斷源較多，可任意嵌套且使用靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于低功耗模式時(shí)，中斷喚醒只需5 u s。

　　對(duì)于FLASH型的MSP430系列單片機(jī)，片內(nèi)集成了JTAG模塊和可電擦寫的FLAsH存儲(chǔ)器，用戶在開發(fā)時(shí)先下載程序到FLAsH內(nèi)，然后經(jīng)過JTAG接口由仿真器實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU仿真調(diào)試。全部JTAG接口只有很少的7根引腳。其中，除掉電源和地，有5根引腳需要與單片機(jī)相連，分別是TD0、TDl、TMS、TCK和RST。

　　仿真器的選擇要和調(diào)試軟件配合。本項(xiàng)目的開發(fā)采用IAR的Embedded Wbrkbench作為開發(fā)環(huán)境，并配有MSP430-JTAG仿真器，能實(shí)現(xiàn)如下功能：

　　1)程序下載;

　　2)斷點(diǎn)設(shè)置;

　　3)現(xiàn)場(chǎng)觀察與修改寄存器的值。

　　標(biāo)簽的微控制器選用MSP430F110lA,具有如下功能：5種省電模式;喚醒時(shí)間小于6 u s;16位精簡(jiǎn)指令集，125ns指令周期;16位定時(shí)器A;片上比較器;串行在線編程;lkB+128B Flash Memory和128B RAM等。

　　MSP430F110lA接線圖如圖1所示：

圖1 MSP430F110lA接線圖

　　為單片機(jī)提供的晶振為32.768kHz;引腳8~16為控制線(P1.0~P1.3,P2.0~P2.4)，與射頻芯片nRF2401相連;引腳l、7、17~20為JTAG連接線。

　　其中，引腳1 TEST可以不連;引腳7為單片機(jī)的復(fù)位腳，一直處于高電平。

　　1.2射頻模塊

　　nRF2401是射頻收發(fā)芯片，工作于2.4~2.5GHz,芯片內(nèi)置功率放大器、低噪聲放大器、頻率合成器、先入先出堆棧區(qū)、調(diào)制器和晶體振蕩器等功能模塊，工作狀態(tài)通過編程進(jìn)行配置。芯片功耗低，正常工作電流為18mA,以一5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流僅為10.5mA,并設(shè)計(jì)有多種低功率工作模式。

　　nRF2401適用于多種無線通信的場(chǎng)合，主要特點(diǎn)如下：

　　·最高數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)lMbps,可設(shè)置125個(gè)頻道;

　　·所有工作參數(shù)通過軟件設(shè)置完成;

　　·供電電壓為1.9~3.6V,滿足低功耗設(shè)計(jì)需要;

　　·片內(nèi)設(shè)置專門的穩(wěn)壓電路，對(duì)電源要求不苛刻;

　　·可以通過軟件設(shè)置達(dá)40位地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才輸出數(shù)據(jù);

　　·內(nèi)置cRC糾錯(cuò)、檢錯(cuò)硬件電路和協(xié)議;

　　·DuoCeiver技術(shù)可以同時(shí)接收兩個(gè)頻道的數(shù)據(jù)。

　　另外，由于nRF2401的內(nèi)設(shè)如此豐富，所需要的外圍電路很少，使用起來非常方便。QFN24引腳封裝，外形尺寸只有5×5mm.nRF240lA擁有24個(gè)引腳，其詳細(xì)的引腳功能可查看芯片手冊(cè)。

　　這里將重點(diǎn)介紹n甜您401一些比較重要的引腳：

　　·CE:nI江2401的發(fā)送/接收模式選擇端;

　　·DRl他R2:頻道l/2接收準(zhǔn)備好信號(hào)輸出端;

　　·DAlWDOUT2:頻道1/2收發(fā)數(shù)據(jù)端;

　　·CLKl/CLK2:傳送數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入端、頻道1/2 接收數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸脯出端;

　　·CS:I心2401的配置模式選擇端;

　　·PWR UP:芯片激活端。

圖2 nRF2401匹配電路

　　nRF240l的匹配電路如圖2所示。C1和C2為電源濾波電容;芯片外接16MHz晶振;PwILuP、CE、CS等控制線與微控制器相連;對(duì)于天線電路，要求在甜汀l和ANT2兩個(gè)引腳間加入微分電路。

　　PCB設(shè)計(jì)對(duì)射頻系統(tǒng)的性能影響很大，所以PCB設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮電磁干擾的問題，注意調(diào)整電容、電阻和電感的位置，特別要注意電容的位置。

　　PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

　　(1)一般為雙層板。底層為地層，一般不放置元件;頂層的空余地方都敷銅，并盡可能多的放置通孔，這些敷銅通過通孔與底層的地相連，使頂層與底層的地能夠充分接觸;

　　(2)應(yīng)盡量第一時(shí)間將高頻分量濾掉，并且為了使要濾除的分量所形成的環(huán)路盡量小，天線匹配電路部分的元器件靠得越緊越好;

　　(3)電源濾波電容盡量靠近ⅧD引腳。

　　射頻模塊nRF2401的PCB圖如圖3所示。圖3 a)為PCB頂層，圖3 b)為PCB底層，它們都需要大面積鋪銅，且放置盡可能多的通孔。

圖3 nRF2401PCB設(shè)計(jì)

　　2天線設(shè)計(jì)

　　由于本項(xiàng)目需要設(shè)計(jì)一種尺寸小、工藝簡(jiǎn)單、成本低的天線，使之能夠在2.45GHz射頻設(shè)備上正常使用，所以四分之一波長(zhǎng)(根據(jù)天線原理四分之一波長(zhǎng)，能夠很好地調(diào)節(jié)阻抗匹配問題，具有較高的輻射效率)的單極天線是一種很好的解決方案。它與設(shè)備在同一塊PCB板上被印刷出來，便于設(shè)計(jì)和后期微調(diào)。

　　單極天線必須一端接地平面，另一端形成一個(gè)單終結(jié)點(diǎn)，其長(zhǎng)度則是由天線的諧振頻率決定的。

　　由于單極天線的增益帶寬范圍很廣，所以對(duì)天線的長(zhǎng)度要求并不是非?？量?。但與其他天線一樣，這個(gè)增益會(huì)隨著天線周圍參數(shù)，比如材質(zhì)、天線與地平面之間的距離、地平面大小和板材厚度等的改變而變化，所以對(duì)于每一個(gè)設(shè)備都需要對(duì)天線做微調(diào)以獲得最佳的性能。

　　設(shè)備制版采用FR4基材，厚度為1.6mm.查得在2.45GHz頻段下其介電常數(shù)和損耗率分別為4.4和O.02.波長(zhǎng)公式如式(1)：

　　式中，c為光速3×1 08m/s,廠為載波頻率2.45GHz,可以得到實(shí)際在天線介質(zhì)上的波長(zhǎng)應(yīng)為12cm,從而天線的長(zhǎng)度決定為波長(zhǎng)的四分之一，也就是3cm左右。

　　本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種彎形天線，全長(zhǎng)28mm,寬度1.27衄，并且與地平面距離為1lmm,實(shí)測(cè)通信距離可達(dá)70m。標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

　　3軟件編程設(shè)計(jì)

　　3.1工作模式的配置

　　nRF2401有工作模式有四種，由PWR Im、CE和CS三個(gè)引腳決定，如表1所示。

表1 nRF2401工作模式

　　(1)收發(fā)模式：有ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，由器件配置字決定。

　　(2)配置模式：1 5字節(jié)的配置字被送到nRF2401,通過CS、CLKl和DArA三個(gè)引腳完成。

　　(3)空閑模式：只剩下部分片內(nèi)晶振仍在工作，工作電流不超過32 u A;配置字內(nèi)容仍保持在nRF2401片內(nèi)。

　　(4)關(guān)機(jī)模式：所有晶振停止，工作電流最小，一般小于l Il A;配置字內(nèi)容仍然保持在nRF2401片內(nèi)，這也是與斷電狀態(tài)最大的區(qū)別。

　　nRF2401通過CS、D腳rA和Cu三個(gè)引腳來完成其配置工作。本系統(tǒng)采用ShockBurstTM收發(fā)模式，這種模式配置簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。配置字長(zhǎng)144位，18個(gè)字節(jié)(最高3字節(jié)不可配置，保留)，其中16~119位共1 3字節(jié)用來配置ShockBurstrIM收發(fā)模式，分為以下四個(gè)部分：

　　(1)數(shù)據(jù)寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)占用的位數(shù)，這使得nRF2401能夠區(qū)分接收數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)碼;

　　(2)地址寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中地址占用的位數(shù)，這使得nRF2401能夠區(qū)分地址和數(shù)據(jù);

　　(3)地址：接收數(shù)據(jù)的地址，有通道1和通道2的地址;

　　(4)CRC:使nRF2401能夠生成CRC校驗(yàn)碼和解碼。

　　配置字的最低一位用來配置接收或發(fā)送狀態(tài)。

　　需要注意的是，在配置模式下要保證PWR UP引腳為高電平，CE引腳為低電平;配置字從最高位開始，依次送入nRF2401;在CS引腳的下降沿，新送入的配置字開始工作。

　　在ShockBurstTM收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)從微控制器低速送入(250kb/s1,然后高速發(fā)射(1Mb/s)，這樣是為了盡可能的節(jié)能，因此，即使使用低速的微控制器也能獲得很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率;與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號(hào)處理都在片內(nèi)進(jìn)行，數(shù)據(jù)在空中停留時(shí)間短、抗干擾性好，也減小了整個(gè)系統(tǒng)的平均工作電流。

　　另外，在該模式下，nRF2401會(huì)自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)碼。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)加上字頭和CRC校驗(yàn)碼;接收數(shù)據(jù)時(shí)，又自動(dòng)把字頭和CRC校驗(yàn)碼移去。

　　3.2數(shù)據(jù)收發(fā)程序設(shè)計(jì)

　　ShockBurstTM發(fā)射程序流程圖如圖5所示。

圖5 ShockBurstTM發(fā)送模式流程圖

　　ShockBurstTM發(fā)射需要接口引腳CE、CLKl、DATA,步驟如下：

　　(1)當(dāng)MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，把CE置高，使nRF2401進(jìn)入發(fā)送模式;

　　(2)把接收機(jī)地址和數(shù)據(jù)通過DATA匹配CLKl時(shí)序?qū)懭雗RF2401的FIFO;

　　(3)MCU把CE置低，使nRF2401進(jìn)行ShockBurst發(fā)射;

　　nRF2401的ShockBurstTM發(fā)射，包括給射頻前端供電;射頻數(shù)據(jù)打包(加字頭、CRC校驗(yàn)碼);高速發(fā)射數(shù)據(jù)包。發(fā)射完成后，nRF2401進(jìn)入空閑狀態(tài)。

　　ShockBurst接收程序流程圖如圖6所示。

圖6 ShockBurstTM接收模式流程圖

　　ShockBurstTM接收需要接口引腳CE、DRl、CLKl和DAl除，步驟如下：

　　(1)微控制器把CE置高，進(jìn)入接收狀態(tài);

　　(2)延時(shí)200 u s,nRF2401進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來;

　　(3)接收到可識(shí)別的數(shù)據(jù)包后，nRF2401自動(dòng)把字頭、地址和CRC校驗(yàn)位移去;

　　(4)nRF2401把DRl置高(引起微控制器中斷)通知微控制器;

　　(5)微控制器把數(shù)據(jù)從nRF2401讀出;

　　(6)所有數(shù)據(jù)讀取完畢后，DRl置低。

　　3.3低功耗程序設(shè)計(jì)

　　標(biāo)簽要考慮到電池更換周期的問題，所以需要一種盡可能省電的程序設(shè)計(jì)。MSP430F1101A中有五種省電模式，如表2所示。

表2 MSP430F1101A省電模式

　　ACLK為單片機(jī)的輔助時(shí)鐘系統(tǒng)，是專為低功耗而設(shè)計(jì)的。它可以用一個(gè)32.768l(Hz的低功耗外部晶振進(jìn)行配置，為系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)和低功耗空閑操作，從而保證最佳的低功耗性能。所以由表2可知，LPM3模式完全符合設(shè)計(jì)要求。

　　標(biāo)簽采用單片機(jī)的定時(shí)器A來定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，在空閑時(shí)系統(tǒng)則處于LPM3省電模式。定時(shí)器設(shè)置為增模式，累加到TACCR0后歸零。

　　標(biāo)簽的程序流程圖如圖7所示：

圖7 標(biāo)簽程序流程圖

　　4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的腕帶式電子標(biāo)簽，為一個(gè)直徑為4cm的圓，為了減小體積，把多余的一部分切除，十分適合裝入模具內(nèi)，就像手表一樣可以佩戴在手腕上;開發(fā)成產(chǎn)品后，上面的JTAG仿真口也可以切除，標(biāo)簽的體積也隨之更小。實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 標(biāo)簽實(shí)物圖

　　經(jīng)測(cè)試，用兩個(gè)普通的3V紐扣電池，在一直工作的狀態(tài)下，可以連續(xù)使用3個(gè)月左右。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，可通過程序來控制標(biāo)簽的收發(fā)策略，更改標(biāo)簽工作的頻率和時(shí)間，使得續(xù)航時(shí)間大大增加。

　　用相同的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)一個(gè)基于nRF2041的RFID閱讀器，天線選用2.4G的橡膠天線，用于接收標(biāo)簽發(fā)出的數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)通訊距離可達(dá)70m。丟包率如表3所示：

表3 不同距離下的丟包率

　　5結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的一種基于射頻芯片nRF2401和MSP430單片機(jī)的新型腕帶式電子標(biāo)簽，具有體積小、性能穩(wěn)定、工作距離遠(yuǎn)且功耗低等優(yōu)點(diǎn)。該標(biāo)簽可以廣泛用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、定位識(shí)別、自動(dòng)簽到等各種領(lǐng)域，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)前端感知系統(tǒng)的研究和發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。