一種低功耗便攜式的RFID讀寫器的設計

摘 要：本文提出一種低功耗便攜式RFID讀寫器的設計方案。詳細闡述了RFID讀寫器的設計原理、硬件結構和軟件的設計方法。RFID讀寫器基于MSP430系列超低功耗單片機進行控制，并結合nRF2401射頻芯片以及實時時鐘芯片PCF8563，實現讀寫標簽的實時時間記錄。該讀寫器具有較高的實用性和可靠性、成本低、功耗低、具有良好的應用前景。

關鍵詞：無線射頻識別；讀寫器；低功耗；MSP430F149；nRF2401

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：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）系統是一種非接觸的自動識別系統，近年來備受關注。它由小型低成本的RFID標簽、RFID閱讀器和后端服務器組成。RFID標簽包含唯一的標識信息，并可以附加到一個有生命或無生命的物體。 RFID讀寫器通過短距離射頻通信RFID標簽可以獲取識別信息。RFID閱讀器將識別信息傳輸到后端服務器，就可以識別一個物體的后端服務器管理下的RFID標簽中的標識信息，并把它傳遞到RFID讀寫器。由于RFID不斷降低的價格、更小的構造以及更加明確國際標準，這項技術發展得很快并在多個領域都有著廣泛的應用，如智能卡、自動收費系統、情報部門、汽車制造、藥業、農業、圖書管理、機場行李操作系統等。隨著電子標簽應用的越來越廣泛，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，本文就旨在設計出一種低功耗便攜式的RFID讀寫器。

1 系統結構

系統結構圖如圖1所示，系統采用MSP430系列低功耗單片機MSP430F149作為微控制器，主要包括nRF2401模塊、實時時鐘模塊、鍵盤顯示模塊等。MSP430F149單片機作為系統的控制核心，主要負責通過射頻模塊與電子標簽進行通信，包含數據存儲與處理，同時可以通過鍵盤模塊來設置系統參數并通過液晶顯示器來顯示相關信息。為了保證RFID讀寫器的便攜性，系統將采用電池供電。

基于便攜式RFID讀寫器的低功耗需求，系統硬件設計中應該選擇具有低功耗特性的單片機和低功耗型的射頻收發芯片。MSP430F149單片機是由TI公司生產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、待機和關閉3種工作模式，其工作電流分別為280μA、1.6μA和0.1μA，同時它具有5種省電模式，可以通過禁用內部不同的資源來實現省電目標，應用靈活；另外一方面，其從低功耗模式到喚醒模式的轉換時間小于6μs，相應迅速，完全滿足實時系統的高效要求。它有著非常豐富的內部資源：60KB+256B閃速存儲器、2KB的RAM、兩個16位定時器、一個8通道快速12位A/D轉換器、兩個通用USART接口。作為16位的單片機，其處理數據的速度、能力更是遠超傳統8位的51系列單片機，加上其工作時對環境和人體的輻射小，可靠性能好，加強電干擾運行不受影響，適應工業級的運行環境，非常適合于設計便攜式低功耗的設備[1-2]。

nRF2401 是單片射頻收發芯片，工作于2.4-2.5GHz ISM 頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm 的功率發射時工作電流只有10.5mA，接收時工作電流也只有18mA，它還具備多種低功率工作模式，使得系統的節能設計更方便。其DuoCeiverTM 技術使nRF2401 可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數據。特有的Shock Burst TM Mode（突發模式）使得系統整體的性能和效率有很大提高[3-4]。

1.1單片機電路

單片機基本電路包括晶振時鐘電路、上電自動/手動復位電路和JTAG接口調試電路。這里使用MSP430F149的P1口以及P2.0引腳與nRF2401射頻模塊相連。工作時有單片機的P2.0引腳激活nRF2401，再通過P1口模擬出信號的發射和接收時序，實現信號的收發操作。

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的收發。電路中nRF2401芯片使用16MHz的工作時鐘，電路中需要與單片機相連的引腳有PWR_UP、DATA、CLKl、CLK2、DRl、DR2、CS、CE、DOUT2。其中PWR_UP引腳為芯片激活，有單片機的P2.0提供激活信號，CE配置接收或發送方式，CS為配置模式片選，CLK為接收時鐘信號，DR為接收數據準備好，DATA為數據端。

1.3實時時鐘電路

為了系統能更好地記錄讀寫電子標簽的時間，本系統采用時鐘芯片PCF8563設計實時時鐘電路。實時時鐘電路如圖3所示，采用COMS時鐘芯片PCF8563，功耗低，工作時電流低至0.25μA，工作電壓范圍為1.0-5.5V，其數據通過I2C總線進行串行通信，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相連。為了保障時鐘的連續性和掉電繼續走的特性，電路采用雙電源供電。

2 系統軟件設計

本系統采用菜單式設計，系統功能的切換通過按鍵來設置。其系統的主要功能包括4個方面：（1）時鐘設定；（2）標簽號讀寫模式；（3）標簽號掃描模式；（4）掃描歷史查詢。在時鐘設定模式下，RFID讀寫器可以通過按鍵對PCF8563時鐘芯片里的數據進行讀寫，從而設置時鐘芯片里的時間和鬧鐘定時。在標簽號讀寫模式下，RFID讀寫器可以讀出某一標簽的標簽號，也可以對此標簽號進行更改。通過按鍵就可以把要寫入的新的標簽號輸入給單片機從而發給標簽。在標簽號掃描模式，RFID讀寫器可以對單片機中已經存儲的標簽號進行掃描，查看這些標簽是否在掃描范圍內。在歷史查詢狀態下，RFID讀寫器可以讀出最近一段時間的掃描結果，看看有哪些標簽不在掃描范圍內。

系統通過按鍵實現對功能的快速設置，喚醒，鬧鐘，節能等設計。系統主要通過單片機發各種控制指令去控制其外部的LCD、PCF8563、nRF2401等外設協調工作。為了節能，不管RFID讀寫器處于什么狀態若30秒不對系統操作，則自動關閉顯示器。

為了防止標簽碰撞，RFID讀寫器為每一個電子標簽設定一個唯一的編碼，通過對編碼的查找，每次只能對一個電子標簽操作。系統開始工作時，電子標簽處于接收狀態，讀寫器處于發送狀態。讀寫器開始發送需要查詢的電子標簽的號碼，然后進入接收狀態。所有在工作范圍的標簽都可以收到這個號碼，但是只有號碼相同的標簽才能做出響應。接著該標簽進入發送狀態，發送幾組確認信號后轉入接受狀態。當讀寫器接到該確認信號后，便會確認該標簽是否為合法標簽，若合法則查詢下一組標簽。若標簽無應答或標簽不合法則會發出報警聲。

3 結語

本文應用單片機MSP430F149和射頻芯片nRF2401設計了一種低功耗便攜式RFID讀寫器，電路設計結構簡單、工作穩定可靠、體積小、功耗低。

參考文獻

[1]鄭淼淼，趙蒼榮. 一種低功耗智能傳感主動式標簽的設計[J]. 電子設計工程，2012，（19）：100-105.

[2]鄭淼淼. 基于無線射頻技術的溫濕度測量系統[J]. 機電工程技術，2012，（10）：64-66.

[3]王永超，郭瑞，包貴浩，劉久文. 低功耗有源RFID標簽設計與實現[J]. 電子測量技術，2010，33（7）：30-33.

[4]邱煒，孫志鋒，孫曉東等.基于nRF2401的RFID讀寫器設計[J]. 機電工程技術，2008，37（9）：62-65.