UHF頻段無源RFID讀寫器系統總體方案設計

RFID技術是利用無線射頻方式進行非接觸雙向通信，自動識別目標對象并獲取相關信息數據的無線通信技術。它可實現對運動目標的快速識別和多目標識別，識別的距離可達幾十厘米至幾十米；根據讀寫的方式，可以輸入數千字節的自定義信息到電子標簽，間接管理附帶有電子標簽的產品的信息；RFID技術具有非接觸性，識別工作無須人工干預，具有極高的保密性；RFID電子標簽不同于磁卡或IC卡，無暴露的觸點，且不易損壞，使用壽命長，可工作于各種惡劣環境。

基于以上特點，RFID技術在世界各地得到了廣泛的應用，主要有商品防偽、交通運輸、自動控制、工業生產、身份識別、倉庫管理、安全管理、醫療、衛生、畜牧業管理、圖書檔案管理和國防軍事等諸多應用領域。

射頻識別系統一般由讀寫器、電子標簽、天線和主機四部分組成，如圖1所示。

圖1 無源RFID系統框圖

射頻識別系統的工作流程并不復雜：主機通過與讀寫器的數據傳輸通道發送用戶命令；讀寫器接收命令，對信號進行編碼和調制后，通過發射天線在一定的區域內發送出去；標簽進入磁場后，接收到讀寫器發出的射頻信號，感應電流獲得能量，完成數據的存儲、發送或其他操作：讀寫器通過接收天線接收到電子標簽返回的數據，進行解碼和解調，必要時將處理后的數據送至主機；主機接收到讀寫器送回的數據，進行相關的處理。

總體設計方案

為設計出能穩定工作在UHF頻段的無源RFID讀寫器，并盡可能提高其讀寫距離，使該無源RFID讀寫模塊能夠跟建筑設備物聯網很好地融合，實現對建筑設備內的人員檢測、定位，給建筑用電設備節能提供人員信息。方案對射頻識別系統的開發流程進行了細化。

該方案按照模塊化的思想進行設計，方便開發、管理、系統升級和維護。總體來說，無源RFID讀寫器主要由三大部分構成：射頻收發模塊、MCU主控模塊和外圍電路。射頻收發模塊處理讀寫器與電子標簽的數據通信。該模塊的設計目標是設計出一款通用的應用于915MHz的射頻收發模塊，與控制部分通過自定義的I／O接口和函數聯系。外圍電路中，根據設計和實際應用的需要，又細分為：MCU控制模塊、無源RFID射頻模塊、復位電路模塊、電源管理模塊、RS232接口、擴展I／O口等。

UHF頻段無源RFID讀寫器系統結構如圖3所示：

圖2 UFH頻段無源RFID讀寫器系統結構框圖

在整個讀寫器系統中，RFID射頻收發模塊的功能是接收上位機的命令，根據命令對信息進行編碼和調制，通過天線發送出去以控制電子標簽進行相關的讀寫操作，并接收來自電子標簽的信號，對該信號進行解調和解碼，確定是佩戴該電子標簽的人員信息。在選擇射頻芯片時，主要參考以下指標：

芯片發射功率發射功率決定了射頻芯片的信號覆蓋范圍，發射功率越高，信號覆蓋范圍也越廣，因此，在同等條件下為保證有效通信，應該選擇發射功率較高、功率調節范圍更大的產品。芯片抗干擾能力無線通信易受干擾，因此，為保證數據通信的可靠性，應該選擇抗干擾能力強的芯片。芯片功耗在保證數據有效通信的前提下，應該選用芯片功耗較小的產品。芯片外圍元器件數目芯片外圍元器件數目一方面影響產品成本，一方面對元器件的焊接和調試有影響，因此應該選用外圍元器件較少的芯片。

使用方便性應該選用使用和編程都方便的芯片，降低產品開發的難度和周期。

根據以上指標原則，同時根據設計的實際需要，如價格、性能參數等多方面的考慮，nRF905在擴展功能、外圍元器件和使用方便性等方面有較好的優勢，因此，方案采用nRF905作為本設計射頻收發模塊采用的主芯片。

nRF905單片無線收發器工作在433／868／915 MHz的ISM頻段，由一個完全集成的頻率調制器、一個帶解調器的接收器、一個功率放大器、一個晶體振蕩器和一個調節器組成；可由片內硬件自動完成曼徹斯特編碼／解碼，不用用戶編寫編碼／解碼程序；具有SPI接口，可以很容易通過該接口與具有SPI接口的微控制器通訊，編程配置非常方便；電流消耗很低。

該設計采用宏晶科技的STC12C5A60S2單片機，STC12C5A60S2單片機具有以下幾個特點：STC12C5A60S2單片機與MCS-51 系列的單片機在指令系統和引腳上完全兼容；片內有8k字節在線可重復編程快擦寫程序存儲器；全靜態工作,工作范圍:0Hz～24MHz；三級程序存儲器加密；512字節內部RAM；32位雙向輸入輸出線；兩個十六位定時器/計數器；五個中斷源,兩級中斷優先級；一個全雙工的異步串行口；間歇和掉電兩種工作方式。采用該款單片機足以滿足本設計方案的需要。

射頻收發模塊NRF905通過TRX_CE、PWR_UP、CD、AM、DR、MISO、MOSI、SCK、CSN、TX_EN等控制引腳以及數據和始終引腳分別與單片機的P1.0～P1.7以及P2.0、P2.1等一腳相連，實現對NRF905的控制。硬件電路如圖4所示。

　　控制部分模塊給出了STC12C5A60S2單片機的外圍電路，如圖5所示。T擴展部分引出了部分I/O以便以后擴展應用以及通過串口和上位機通信。該部分硬件電路如圖6所示。NRF905工作電源硬件是用來產生一個3.3V電源給NRF905射頻芯片供電。其硬件電路如圖6所示。

　　該方案針對UHF射頻模塊進行了深入的研究和設計開發，主要設計了NRF905射頻模塊硬件電路、RFID主控制模塊硬件電路以及其他輔助、擴展部分的硬件電路。在設計開發的過程中順利完成了射頻模塊部分的資料收集和設計工作，取得了一定的成果。