2.4GHz射频识别中标签电路设计与实现
2008-07-17
作者：付 炜，马建国
摘 要： 提出一种新型2.4GHz有源RFID标签结构，并进行了硬件电路设计和软件编程。利用单片集成无线收发模块nRF24L01构成射频前端" title="射频前端">射频前端，使标签配置简单，性能稳定，抗干扰能力强。充分利用标签射频前端的不同工作模式，结合微控制器" title="微控制器">微控制器，实现有源标签" title="有源标签">有源标签的低功耗设计。与传统的微波频段RFID标签设计方法相比，减小了标签体积。在识别距离相当的前提下, 功耗得到显著降低。
关键词： 射频识别 标签 有源 低功耗 nRF24L01
射频识别RFID（Radio Frequency Identification）技术被认为是21 世纪最有发展前途的信息技术之一[1]。由于具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点，RFID 技术显示出巨大的发展潜力与应用空间。目前，我国已经将RFID 技术应用于铁路车号识别、身份证和票证管理、动物标识、特种设备与危险品管理、公共交通以及生产过程管理等多个领域。
典型的射频识别系统由标签、读写器" title="读写器">读写器两部分组成。其中标签由RFID电路和天线组成，按供电方式可以分为无源和有源两种。无源标签不需要电池供电，具有成本低、可靠性高等优点。有源标签需要电池供电，平时处于低功耗节能状态，当被阅读器触发时，进入通信状态。按照工作频率的不同，RFID 标签分为低频（LF，135kHz以下)、高频(HF，13．56MHz)、超高频(UHF，860MHz～960MHz)和微波频段（MW，2.4GHz以上)。目前国际上RFID应用在能量供给方面以无源标签为主，在工作频率上以LF和HF标签产品为主[2]。但是，研究发现[3]，有源超高频、微波频段的标签具有标签信号强、定位精确、可被读取距离远、通讯速度快、可储存信息多等优点。随着集成电路尺寸的减小以及成本的进一步降低，更适合未来应用，因此，有源超高频、微波频段的标签是当前电子标签研究的重点。
近年来，随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线通信系统的大部分功能都可以集成到一块芯片内部[4]，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，依据命令字进行基本的数据无线传输功能操作。采用GFSK调制方式，工作于ISM频段，例如在微波频段范围内，2.4GHz是一个全球的ISM频段，使用时无需申请。本文以NORDIC公司射频芯片nRF24L01为核心，设计有源RFID标签。该芯片功耗低，使用1.9V～3.6Ｖ工作电源，可采用电池供电；极少的外围电路，所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，采用4mm×4mm QFN封装，体积很小；发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成[4]，配置简单、一致性好、性能稳定且不受外界影响，非常适合用于有源标签应用。
1 有源标签硬件设计
1.1 硬件电路结构
典型的有源标签电路包括天线、射频前端、控制器、存储器，电池模块等，如图1所示。其中射频前端负责发送调制、接收解调标签与读写器之间的指令信号和反射应答信号。微控制器执行读写器的指令，完成标签的正确识别。存储器存储标签识别程序和射频标签相关信息。
传统的射频前端接收部分包括带通滤波器、低噪声放大器、本振、检波整形、放大器等，发射部分包括调制器、功率放大器、带通滤波器等。而单片数字信号射频收发芯片集成了无线通讯系统的大部分功能，外加少量外围器件即可构成专用或通用无线通信模块，简化了射频前端的设计。Nordic 公司的超低功耗单片无线收发器nRF24L01，工作于2.4GHz～2.5GHz ISM频段，该器件有125个频点，能够实现点对点、点对多点的无线通信，同时可采用改频和跳频来避免干扰。最大传输速率可达2Mb/s，是理想的标签射频前端芯片；天线的设计对整个标签系统的性能有较大影响[5]。由于波长短，可通过设计阻抗匹配电路使输出匹配50、1/4波长偶极子微带印制板天线以获得较大的输出功率和较高的接收灵敏度。射频标签前端电路图如图2所示。
MCU选择通用低功耗微处理器89LV51；存储器可以选择串行E2PROM 25AA320，这使得阅读器不仅可以读出标签数据，还可以将相关信息写入标签。相关原理图如图3所示。
在印制板设计方面，由于均采用表贴器件，整版尺寸可以控制在20mm×15mm内，满足有源标签小型化的需求。
1.2 标签低功耗设计
由于有源电子标签采用电池供电，而电池的容量和使用时间有限，所以必须对标签进行低功耗设计，从而尽可能延长电池使用时间。而在整个标签结构中，射频前端芯片的选取直接影响标签的功耗，因为标签消耗能量的近2/3用于无线收发[6]。nRF24L01芯片功耗低，使用1.9V～3.6Ｖ工作电源，可采用电池供电，在相同工作模式下，比同类公司芯片节省近1/3的能量。芯片在不同模式下的工作电流如表1所示。
nRF24L01具有突发传递（ShockBurst）的收发工作模式[3]。该模式允许用户使用较低速经微控制器把数据传入nRF24L01芯片，芯片内部开辟有FIFO缓存区，在缓冲区内将数据组帧，以高速将数据发射出去。这样缩短了发射模块的发射时间，减少了发射模块的切换次数，降低了发射电流损耗，使射频芯片间歇工作，降低功耗。同时突发模式使得像89LV51这种低成本和速度相对较慢的微控制器可处理2Mb/s的无线传输。在增强型突发传递（Enhanced ShockBurst）模式中，链路层以固件形式集成在芯片中，可以在接收到数据包后自动回传应答信号ACK，如果发送端没有收到应答信号，说明检测到有数据丢失，则自动重传丢失的数据包。nRF24L01用增强型突发传递模式处理了所有链路层的高速操作，使双向链路的通信更易于控制和实现，由于系统微控制器不需要具备硬件SPI接口，使系统成本进一步降低。微控制器无需参与整个双向链路的通信，降低了微控制器的功耗。
芯片提供掉电模式（Power Down mode），在此工作模式下，器件的所有功能除SPI接口外全部关闭，使得芯片的消耗电流最低。寄存器的值全部保留，可以在芯片处于掉电模式下与微处理器通信。
芯片还提供待机模式" title="待机模式">待机模式（Standby mode）。为减小电流损耗，部分内部振荡器停振，RF收发单元停止工作，系统进入待机模式I。待机模式II在待机模式I的基础上激活了部分必须的时钟缓存器。这两种模式都是为了减小功耗而设计的，具有最小化平均消耗电流以及较短的唤醒时间。
2 标签软件设计
2.1 寄存器设置和数据包格式
射频收发器的接收地址、收发频率、发射功率、无线传输速率、无线收发模式以及CRC校验的长度和有效数据的长度等信息都在射频收发芯片的寄存器配置字中设置。完整的射频数据包由五部分组成，由高到低分别为前同步码、地址、数据包标号、有效数据和CRC校验。其中，前同步码在发送时由硬件添加，接收时由硬件自动剥离。地址宽度为24～40位，数据包标号可以防止微控制器连续接收同一个数据包，有效数据宽为1～32B，CRC是CRC校验和，它可由内置CRC纠检错硬件电路自动加上，可设为0～2B。设置较短的地址和校验和可以增加有效数据长度，提高传输效率，但会使可靠性降低。
2.2 标签指令接收子程序
接收子程序流程如图4所示，标签上电后，首先进行初始化，使标签完成与接收模式相关的配置寄存器的设置，完成后进入掉电模式。当标签进入阅读器范围，经外部触发后，将CE 设为高，经过130μs后，标签从掉电模式进入接收模式，开始监听空中的数据包。
当接收到有效数据包后(地址匹配，CRC正确)，数据被放入RX_FIFO中。状态寄存器中的RX_DR位置高，IRQ有效。状态寄存器中的RX_P_NO指明数据被收进哪个DATA PIPE。若自动确认有效，则ACK消息被发回。MCU设置CE为低，进入Standby-Ⅰ低电流模式，并以合适的速率，通过SPI接口读出指令数据。微控制器执行读写器指令，读取存储器中射频标签的相关信息，并通过SPI接口返回给nRF24L01，程序设置标签进入发送模式。
2.3 标签信息发送子程序
发送子程序流程如图5所示，执行完阅读器指令，标签收发模块开启成发射状态，阅读器返回标签存储的数据信息。
在发送模式下，SPI接口有效。MCU把有效数据TX_PLD和目的地址TX_ADDR送入nRF24L01。数据通道0设置为接收应答信号ACK。当CE置高脉冲时，开始发送。数据以1Mb/s或2Mb/s（由MCU设定）的速率发送。若自动应答（Auto Acknowledgement）有效，则立即进入接收模式接收ACK消息。若收到ACK，表明传送成功，数据从TX FIFO中删除；若未收到ACK，则数据重传（自动重传有效）。若自动重传计数器ARC_CNT超出了寄存器SETUP_RETR_ARC中设置的最大限制，则状态寄存器中的MAX_RT位置高，此时，IRQ有效，产生MAX_RT中断，同时包丢失计数器PLOS_CNT加1。TX_FIFO中的数据不被删除，在没有消除MAX_RT中断前，无法进行进一步传送。TX_FIFO中的有效数据继续被发送，若FIFO为空，而CE仍保持为高，则器件进入待机模式（Standby-Ⅱ）；若FIFO不为空，则器件发送完当前数据后进入待机模式（Standby-Ⅰ）。读写器在接收标签信息后，发送指令，置PWR_UP=0，使标签进入掉电模式。
本文介绍了一种以低功耗射频收发芯片nRF24L01为核心，可工作于2.4GHz的国际通用ISM频段的RFID有源射频标签设计。由于采用了单片集成射频前端，使应用系统更为简化，增强了无线系统的稳定性和可靠性，同时也使得开发变得简单，降低了成本，室内实际工作距离约10m(通过良好匹配的天线设计可适度增加)。如果在本设计中加入防冲撞算法和安全加密算法，也可用于RFID读写器的设计。整个系统体积小、功耗低、重建方便、易于扩展、可靠性高，适用于对体积和功耗要求较高的RFID应用场合。
参考文献
[1] FINKENZELLER K．RFID handbook：fundamentals and applications in contactless smart cards and identification．England：John Wiley＆ Sons．2003.
[2] VITA G D，IANNACCONE G．Design criteria for the RF sectionof UHF and microwave passive RFID transpo nders．IEEETrans Microw Theory Tech，2005，53(9)：2978.
[3] RAO K V S，NIKITIN P V，LAM S F．Impedance matching concepts in RFID transponder design．IEEE Workshop on Advanced Automatic Identification Technologies，2005，10：39.
[4] Nordic VLSI ASA.Single chip 2.4GHz Transceiver nRF24L01.Preliminary Product Specication，2006.
[5] VITA G D，IANNACCONE G．Ultra．1ow—power RF section of apassive microwave RFID transponder in 0．35μm BiCMOS．IEEE International Symposium on Circuits and Systems，2005，5：5057.
[6] SUYKENS J A，VANDEWALLE J．Least squares support vector machine classifiers[J]．Neural Processing Lettem．1999，9(3)：293-300.