摘 要：本文提出一種低功耗便攜式RFID讀寫器的設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)闡述了RFID讀寫器的設(shè)計(jì)原理、硬件結(jié)構(gòu)和軟件的設(shè)計(jì)方法。RFID讀寫器基于MSP430系列超低功耗單片機(jī)進(jìn)行控制，并結(jié)合nRF2401射頻芯片以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PCF8563，實(shí)現(xiàn)讀寫標(biāo)簽的實(shí)時(shí)時(shí)間記錄。該讀寫器具有較高的實(shí)用性和可靠性、成本低、功耗低、具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：無線射頻識(shí)別；讀寫器；低功耗；MSP430F149；nRF2401

中圖分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2017）08-0148-02

Abstract：The design scheme of a low-power portable RFID reader is proposed. The design idea， hardware structure and software design method of RFID reader are given in details. The RFID reader based on MSP430 series of ultra-low power microcontroller to control， it combined with nRF2401 RF chip and real-time clock chip PCF8563， read and write tags to achieve real-time recording. The reader has a high practicality and reliability， low cost， low power consumption， and has a good application prospect.

Key Words：radio frequency identification； reader； low-power； MSP430F149； nRF2401

RFID（Radio Frequency Identification）系統(tǒng)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，近年來備受關(guān)注。它由小型低成本的RFID標(biāo)簽、RFID閱讀器和后端服務(wù)器組成。RFID標(biāo)簽包含唯一的標(biāo)識(shí)信息，并可以附加到一個(gè)有生命或無生命的物體。 RFID讀寫器通過短距離射頻通信RFID標(biāo)簽可以獲取識(shí)別信息。RFID閱讀器將識(shí)別信息傳輸?shù)胶蠖朔?wù)器，就可以識(shí)別一個(gè)物體的后端服務(wù)器管理下的RFID標(biāo)簽中的標(biāo)識(shí)信息，并把它傳遞到RFID讀寫器。由于RFID不斷降低的價(jià)格、更小的構(gòu)造以及更加明確國際標(biāo)準(zhǔn)，這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展得很快并在多個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，如智能卡、自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)、情報(bào)部門、汽車制造、藥業(yè)、農(nóng)業(yè)、圖書管理、機(jī)場(chǎng)行李操作系統(tǒng)等。隨著電子標(biāo)簽應(yīng)用的越來越廣泛，RFID讀寫器的使用也將變得更加頻繁，RFID讀寫器的研究將變得更加重要，本文就旨在設(shè)計(jì)出一種低功耗便攜式的RFID讀寫器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)采用MSP430系列低功耗單片機(jī)MSP430F149作為微控制器，主要包括nRF2401模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、鍵盤顯示模塊等。MSP430F149單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，主要負(fù)責(zé)通過射頻模塊與電子標(biāo)簽進(jìn)行通信，包含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理，同時(shí)可以通過鍵盤模塊來設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)并通過液晶顯示器來顯示相關(guān)信息。為了保證RFID讀寫器的便攜性，系統(tǒng)將采用電池供電。

基于便攜式RFID讀寫器的低功耗需求，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)該選擇具有低功耗特性的單片機(jī)和低功耗型的射頻收發(fā)芯片。MSP430F149單片機(jī)是由TI公司生產(chǎn)的一種超低功耗的微控制器，它有著超低的供電電壓，范圍是1.8～3.6V，有主動(dòng)、待機(jī)和關(guān)閉3種工作模式，其工作電流分別為280μA、1.6μA和0.1μA，同時(shí)它具有5種省電模式，可以通過禁用內(nèi)部不同的資源來實(shí)現(xiàn)省電目標(biāo)，應(yīng)用靈活；另外一方面，其從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于6μs，相應(yīng)迅速，完全滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的高效要求。它有著非常豐富的內(nèi)部資源：60KB+256B閃速存儲(chǔ)器、2KB的RAM、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)8通道快速12位A/D轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)通用USART接口。作為16位的單片機(jī)，其處理數(shù)據(jù)的速度、能力更是遠(yuǎn)超傳統(tǒng)8位的51系列單片機(jī)，加上其工作時(shí)對(duì)環(huán)境和人體的輻射小，可靠性能好，加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境，非常適合于設(shè)計(jì)便攜式低功耗的設(shè)備[1-2]。

nRF2401 是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4-2.5GHz 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，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm 的功率發(fā)射時(shí)工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流也只有18mA，它還具備多種低功率工作模式，使得系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其DuoCeiverTM 技術(shù)使nRF2401 可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。特有的Shock Burst TM Mode（突發(fā)模式）使得系統(tǒng)整體的性能和效率有很大提高[3-4]。

1.1單片機(jī)電路

單片機(jī)基本電路包括晶振時(shí)鐘電路、上電自動(dòng)/手動(dòng)復(fù)位電路和JTAG接口調(diào)試電路。這里使用MSP430F149的P1口以及P2.0引腳與nRF2401射頻模塊相連。工作時(shí)有單片機(jī)的P2.0引腳激活nRF2401，再通過P1口模擬出信號(hào)的發(fā)射和接收時(shí)序，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)操作。

1.2 nRF2401接口電路

圖2為nRF2401接口電路。nRF2401需要很少的外圍電路便可以完成信號(hào)的收發(fā)。電路中nRF2401芯片使用16MHz的工作時(shí)鐘，電路中需要與單片機(jī)相連的引腳有PWR_UP、DATA、CLKl、CLK2、DRl、DR2、CS、CE、DOUT2。其中PWR_UP引腳為芯片激活，有單片機(jī)的P2.0提供激活信號(hào)，CE配置接收或發(fā)送方式，CS為配置模式片選，CLK為接收時(shí)鐘信號(hào)，DR為接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，DATA為數(shù)據(jù)端。

1.3實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

為了系統(tǒng)能更好地記錄讀寫電子標(biāo)簽的時(shí)間，本系統(tǒng)采用時(shí)鐘芯片PCF8563設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路如圖3所示，采用COMS時(shí)鐘芯片PCF8563，功耗低，工作時(shí)電流低至0.25μA，工作電壓范圍為1.0-5.5V，其數(shù)據(jù)通過I2C總線進(jìn)行串行通信，需要指出的是總線引腳SCL和SDA都需要接上拉電阻才能和單片機(jī)相連。為了保障時(shí)鐘的連續(xù)性和掉電繼續(xù)走的特性，電路采用雙電源供電。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用菜單式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功能的切換通過按鍵來設(shè)置。其系統(tǒng)的主要功能包括4個(gè)方面：（1）時(shí)鐘設(shè)定；（2）標(biāo)簽號(hào)讀寫模式；（3）標(biāo)簽號(hào)掃描模式；（4）掃描歷史查詢。在時(shí)鐘設(shè)定模式下，RFID讀寫器可以通過按鍵對(duì)PCF8563時(shí)鐘芯片里的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，從而設(shè)置時(shí)鐘芯片里的時(shí)間和鬧鐘定時(shí)。在標(biāo)簽號(hào)讀寫模式下，RFID讀寫器可以讀出某一標(biāo)簽的標(biāo)簽號(hào)，也可以對(duì)此標(biāo)簽號(hào)進(jìn)行更改。通過按鍵就可以把要寫入的新的標(biāo)簽號(hào)輸入給單片機(jī)從而發(fā)給標(biāo)簽。在標(biāo)簽號(hào)掃描模式，RFID讀寫器可以對(duì)單片機(jī)中已經(jīng)存儲(chǔ)的標(biāo)簽號(hào)進(jìn)行掃描，查看這些標(biāo)簽是否在掃描范圍內(nèi)。在歷史查詢狀態(tài)下，RFID讀寫器可以讀出最近一段時(shí)間的掃描結(jié)果，看看有哪些標(biāo)簽不在掃描范圍內(nèi)。

系統(tǒng)通過按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)功能的快速設(shè)置，喚醒，鬧鐘，節(jié)能等設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要通過單片機(jī)發(fā)各種控制指令去控制其外部的LCD、PCF8563、nRF2401等外設(shè)協(xié)調(diào)工作。為了節(jié)能，不管RFID讀寫器處于什么狀態(tài)若30秒不對(duì)系統(tǒng)操作，則自動(dòng)關(guān)閉顯示器。

為了防止標(biāo)簽碰撞，RFID讀寫器為每一個(gè)電子標(biāo)簽設(shè)定一個(gè)唯一的編碼，通過對(duì)編碼的查找，每次只能對(duì)一個(gè)電子標(biāo)簽操作。系統(tǒng)開始工作時(shí)，電子標(biāo)簽處于接收狀態(tài)，讀寫器處于發(fā)送狀態(tài)。讀寫器開始發(fā)送需要查詢的電子標(biāo)簽的號(hào)碼，然后進(jìn)入接收狀態(tài)。所有在工作范圍的標(biāo)簽都可以收到這個(gè)號(hào)碼，但是只有號(hào)碼相同的標(biāo)簽才能做出響應(yīng)。接著該標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送幾組確認(rèn)信號(hào)后轉(zhuǎn)入接受狀態(tài)。當(dāng)讀寫器接到該確認(rèn)信號(hào)后，便會(huì)確認(rèn)該標(biāo)簽是否為合法標(biāo)簽，若合法則查詢下一組標(biāo)簽。若標(biāo)簽無應(yīng)答或標(biāo)簽不合法則會(huì)發(fā)出報(bào)警聲。

3 結(jié)語

本文應(yīng)用單片機(jī)MSP430F149和射頻芯片nRF2401設(shè)計(jì)了一種低功耗便攜式RFID讀寫器，電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠、體積小、功耗低。

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