一種帶低壓報警功能的低功耗有源RFID系統(tǒng)設(shè)計

賈巖巖 許勝祥 劉煜

摘 要：內(nèi)置電池的供電時間決定了有源RFID的壽命長短，降低有源RFID標(biāo)簽的功耗、及時欠壓告警并更換電池是延長其使用壽命的常用方法。文中設(shè)計一種帶低壓報警功能的低功耗有源RFID系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于無線收發(fā)芯片nRF24LE1進(jìn)行RFID無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的總體設(shè)計，通過控制芯片進(jìn)入休眠狀態(tài)的方式降低RFID標(biāo)簽的功耗。討論系統(tǒng)的硬件電路、低壓報警、低功耗休眠的設(shè)計方法以及防碰撞通信協(xié)議，并進(jìn)行實際測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)配置合理，通信協(xié)議簡單，具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢，可應(yīng)用于RFID遠(yuǎn)距離無線通信系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：非接觸式;RFID系統(tǒng);防碰撞通信協(xié)議;低壓報警;低功耗休眠;遠(yuǎn)距離無線傳輸

中圖分類號：TP277.1;TN91文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-00-03

0 引 言

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展與成熟，一種非接觸式的自動識別技術(shù)—射頻識別[1-2]（Radio Frequency Identification，RFID）逐漸興起并被應(yīng)用到社會的各行各業(yè)，它通過無限射頻信號的傳輸獲取數(shù)據(jù)以達(dá)到自動識別[3]的目的。RFID系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽[4]和閱讀器兩部分組成，電子標(biāo)簽作為射頻信號的數(shù)據(jù)載體，根據(jù)供電方式的不同分為有源電子標(biāo)簽、無源電子標(biāo)簽和半無源電子標(biāo)簽[5]。本設(shè)計系統(tǒng)采用的有源電子標(biāo)簽，又稱為主動式電子標(biāo)簽，主要由無線收發(fā)模塊、天線及電池構(gòu)成。為了達(dá)到延長使用壽命以及降低功耗[6]的目的，本系統(tǒng)所設(shè)計的標(biāo)簽和閱讀器采用無線收發(fā)芯片nRF24LE1，通過內(nèi)置51內(nèi)核和開啟休眠狀態(tài)來滿足這一要求。

1 無線收發(fā)芯片nRF24LE1介紹

nRF24LE1是北歐集成電路公司（Nodic）推出的一款帶增強(qiáng)型8051內(nèi)核的無線收發(fā)模塊[7]，具有2.4 GHz無線收發(fā)器，16 KB FLASH存儲器，100 KSPS的9路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，UART接口，SPI接口，PWM輸出，內(nèi)置RC振蕩器、看門狗和喚醒定時器以及專門的穩(wěn)壓電路，工作在2.4～2.5 GHz的ISM頻段，具有多達(dá)125個頻點，能夠通過改頻或跳頻等方式來避免干擾，最大傳輸速率為2 Mb/s，靈敏度可達(dá)

-94 dBm，最大發(fā)射功率是0 dBm，工作電壓為1.9～3.6 V，工作溫度范圍為-40～85 ℃。當(dāng)處于較為理想的環(huán)境下，室內(nèi)傳輸可達(dá)30～40 m，室外傳輸距離可達(dá)100～200 m。其中，超緊型nRF24LE1芯片采用4 mm×4 mm、24引腳QFN封裝，包括電源、復(fù)位、晶振、天線等特殊端口，主要用于對大小有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場合，如圖1所示。

nRF24LE1芯片內(nèi)部存在一個低功耗的RC振蕩器，且不能被禁止，所以芯片可以在VDD大于等于1.8 V的供電條件下長期連續(xù)工作。另外，內(nèi)部RTC喚醒定時器是一個16位的可編程定時器，RC低功率振蕩器LP_OSC提供工作時鐘，其定時時間可編程為300 μs～80 ms，默認(rèn)值為

10 ms。喚醒定時器的啟停可由用戶程序進(jìn)行控制。nRF24LE1芯片的諸多優(yōu)點為設(shè)計帶來了極大的方便，因此成為了有源RFID系統(tǒng)的最佳選擇。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

有源RFID系統(tǒng)根據(jù)其有源電子標(biāo)簽是否具有接收信息的功能可以分為只讀有源RFID系統(tǒng)和可讀寫有源RFID系統(tǒng)，本系統(tǒng)設(shè)計的有源電子標(biāo)簽為只讀型電子標(biāo)簽。只讀有源RFID系統(tǒng)如圖2所示，電子標(biāo)簽自備電池，無需閱讀器供電，始終處于間歇性激活狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)入閱讀器的信號搜索范圍后，電子標(biāo)簽會將自身存儲的身份識別碼（UID）以電磁波的形式主動發(fā)送給閱讀器，閱讀器再將接收到的數(shù)據(jù)通過RS 232串口發(fā)送至PC進(jìn)行進(jìn)一步存儲和處理。

在電源模塊的設(shè)計中，為了方便集成和降低標(biāo)簽的厚度，系統(tǒng)標(biāo)簽設(shè)計采用市場上廣泛應(yīng)用的ETC標(biāo)簽電池為芯片nRF24LE1提供電壓。低電壓報警功能主要用于提示標(biāo)簽的電池工作狀態(tài)，當(dāng)電池提供的電壓低于預(yù)設(shè)的閾值電壓時，發(fā)送光報警信號，提示用戶及時更換電池，從而有效避免由于電池臨時斷電造成的故障。

如圖3所示，LED指示燈與芯片的P0.1管腳相連。配合nRF24LE1芯片本身所帶的電源監(jiān)控特殊功能寄存器POFCON的設(shè)置，可以在硬件（LED閃爍）和軟件（電壓狀態(tài)數(shù)據(jù)幀最高位置1）上實現(xiàn)對標(biāo)簽電源欠壓時雙重報警的任務(wù)。

3 軟件設(shè)計

3.1 工作模式選擇

nRF24LE1芯片可以通過對CONFIG寄存器進(jìn)行配置轉(zhuǎn)換為發(fā)射、接收、待機(jī)及掉電四種工作模式，見表1所列。

待機(jī)模式1主要是用于降低電流損耗，該模式下晶體振蕩器仍處于工作狀態(tài);待機(jī)模式2是當(dāng)RFCE=1且FIFO寄存器為空時處于此模式，所有配置字仍保留。掉電模式時nRF24LE1不工作，所有配置寄存器的值仍會保留，電流損耗最小。nRF24LE1收發(fā)模式分為ShockBurstTM收發(fā)模式及Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式，由器件的配置字所決定，在本無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中采用Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式，這種模式能夠盡量節(jié)能，降低系統(tǒng)的費用（低速微處理器也可進(jìn)行高速射頻發(fā)射），數(shù)據(jù)在空中停留時間短，具有很高的抗干擾性，且收發(fā)模式中能夠分別自動產(chǎn)生和去除前導(dǎo)字符CRC效驗碼，程序更加簡單，穩(wěn)定性也更高。

3.2 防碰撞程序?qū)崿F(xiàn)

nRF24LE1采用CRC校驗保證了標(biāo)簽和閱讀器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕珶o法從根本上解決多個標(biāo)簽同時向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的碰撞問題。而nRF24LE1芯片特有的載波檢測功能和內(nèi)含隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的特性，采用載波檢測加隨機(jī)延時的方式能夠有效地避免數(shù)據(jù)包碰撞問題。標(biāo)簽在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先檢測信道是否被占用，如果是則表示有碰撞發(fā)生，產(chǎn)生一段隨機(jī)延時后重新檢測，否則表示信道空閑，立即將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

3.3 標(biāo)簽低壓檢測程序?qū)崿F(xiàn)

nRF24LE1芯片內(nèi)部的電源失效比較器（POF）能夠為MCU提供電源欠壓的早期預(yù)警，設(shè)置POFCON寄存器的enable位可以使能或者禁止POF比較器[8]。POF使能時上電，系統(tǒng)在有效或待機(jī)模式下工作。當(dāng)電源電壓低于可編程的閾值電壓時，warn位會被置1，并且同時產(chǎn)生一個中斷（POFIRQ）。通過對prog位進(jìn)行設(shè)置來配置所需的閾值電壓VPOF，由于芯片的最低工作電壓是1.9 V，本系統(tǒng)中設(shè)定的預(yù)警電壓為2.1 V。程序流程如圖4所示。一旦電壓低于閾值電壓2.1 V時，程序通過檢測warn位的高電平將電壓狀態(tài)數(shù)據(jù)幀的第7位（最高位）置1。

3.4 標(biāo)簽主程序

標(biāo)簽主程序開始后先進(jìn)行初始化設(shè)置。初始化內(nèi)容包括給相應(yīng)的字符名稱賦值，硬件地址，發(fā)射模式，設(shè)置ID號（每個標(biāo)簽唯一），打開并配置RTC2喚醒時間，接著將生成的數(shù)據(jù)包通過射頻天線發(fā)送出去，復(fù)位返回，準(zhǔn)備進(jìn)行新一輪的發(fā)送。標(biāo)簽主程序流程如圖5（a）所示。標(biāo)簽數(shù)據(jù)幀格式見表2所列。

3.5 閱讀器主程序

閱讀器程序開始后首先進(jìn)行初始化設(shè)置。初始化設(shè)置的內(nèi)容包括為相應(yīng)的字符名稱賦值，硬件地址，接收模式，設(shè)置串口通信參數(shù)和接收模式，打開串口中斷、RF中斷接收。當(dāng)閱讀器接收完標(biāo)簽上傳的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過RS 232傳至PC。閱讀器主程序流程如圖5（b）所示。

4 測試與驗證

為了檢驗RFID系統(tǒng)無線通信的實際結(jié)果，標(biāo)簽和閱讀器在室外距離60 m，上電后，檢查閱讀器接收指示燈LED是否閃爍，如果閃爍，表面閱讀器讀寫功能正常。通過串口調(diào)試軟件在閱讀器串口接收端檢測到正常數(shù)據(jù)，如圖6所示，即判斷出接收到的一號標(biāo)簽（ID：00 00 00 01）、二號標(biāo)簽（ID：00 00 00 02）數(shù)據(jù)包接收正確。另外，將一號標(biāo)簽的電源電壓降到2 V，看到標(biāo)簽欠壓指示燈閃爍，閱讀器串口端標(biāo)簽狀態(tài)及類型數(shù)據(jù)幀最高位為1，將電壓升至2.2～3.3 V后，系統(tǒng)恢復(fù)到正常模式，由此驗證50 m以上RFID無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，達(dá)到預(yù)期的遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

5 結(jié) 語

本文研究了基于射頻收發(fā)芯片nRF24LE1的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[3]，該系統(tǒng)實現(xiàn)了室外測試50 m以上的遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸，能夠廣泛地應(yīng)用于RFID系統(tǒng)，簡單易于操作且效率高，具有很好的應(yīng)用前景。

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