一種帶低壓報(bào)警功能的低功耗有源RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈巖巖 許勝祥 劉煜

摘 要：內(nèi)置電池的供電時(shí)間決定了有源RFID的壽命長(zhǎng)短，降低有源RFID標(biāo)簽的功耗、及時(shí)欠壓告警并更換電池是延長(zhǎng)其使用壽命的常用方法。文中設(shè)計(jì)一種帶低壓報(bào)警功能的低功耗有源RFID系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF24LE1進(jìn)行RFID無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，通過(guò)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(bào)警、低功耗休眠的設(shè)計(jì)方法以及防碰撞通信協(xié)議，并進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)配置合理，通信協(xié)議簡(jiǎn)單，具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于RFID遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)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(bào)警;低功耗休眠;遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)傳輸

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277.1;TN91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(dòng)識(shí)別技術(shù)—射頻識(shí)別[1-2]（Radio Frequency Identification，RFID）逐漸興起并被應(yīng)用到社會(huì)的各行各業(yè)，它通過(guò)無(wú)限射頻信號(hào)的傳輸獲取數(shù)據(jù)以達(dá)到自動(dòng)識(shí)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(hào)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(wú)源電子標(biāo)簽和半無(wú)源電子標(biāo)簽[5]。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的有源電子標(biāo)簽，又稱(chēng)為主動(dòng)式電子標(biāo)簽，主要由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、天線(xiàn)及電池構(gòu)成。為了達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命以及降低功耗[6]的目的，本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的標(biāo)簽和閱讀器采用無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF24LE1，通過(guò)內(nèi)置51內(nèi)核和開(kāi)啟休眠狀態(tài)來(lái)滿(mǎn)足這一要求。

1 無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊[7]，具有2.4 GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，16 KB FLASH存儲(chǔ)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(mén)狗和喚醒定時(shí)器以及專(zhuān)門(mén)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(gè)頻點(diǎn)，能夠通過(guò)改頻或跳頻等方式來(lái)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(xiàn)等特殊端口，主要用于對(duì)大小有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)合，如圖1所示。

nRF24LE1芯片內(nèi)部存在一個(gè)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(zhǎng)期連續(xù)工作。另外，內(nèi)部RTC喚醒定時(shí)器是一個(gè)16位的可編程定時(shí)器，RC低功率振蕩器LP_OSC提供工作時(shí)鐘，其定時(shí)時(shí)間可編程為300 μs～80 ms，默認(rèn)值為

10 ms。喚醒定時(shí)器的啟?？捎捎脩?hù)程序進(jìn)行控制。nRF24LE1芯片的諸多優(yōu)點(diǎn)為設(shè)計(jì)帶來(lái)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(jì)

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(xiě)有源RFID系統(tǒng)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(wú)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(hào)搜索范圍后，電子標(biāo)簽會(huì)將自身存儲(chǔ)的身份識(shí)別碼（UID）以電磁波的形式主動(dòng)發(fā)送給閱讀器，閱讀器再將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS 232串口發(fā)送至PC進(jìn)行進(jìn)一步存儲(chǔ)和處理。

在電源模塊的設(shè)計(jì)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(jì)采用市場(chǎng)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(bào)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(shí)，發(fā)送光報(bào)警信號(hào)，提示用戶(hù)及時(shí)更換電池，從而有效避免由于電池臨時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽電源欠壓時(shí)雙重報(bào)警的任務(wù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 工作模式選擇

nRF24LE1芯片可以通過(guò)對(duì)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(jiàn)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(shí)處于此模式，所有配置字仍保留。掉電模式時(shí)nRF24LE1不工作，所有配置寄存器的值仍會(huì)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(wú)線(xiàn)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(fèi)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(shí)間短，具有很高的抗干擾性，且收發(fā)模式中能夠分別自動(dòng)產(chǎn)生和去除前導(dǎo)字符CRC效驗(yàn)碼，程序更加簡(jiǎn)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(yàn)保證了標(biāo)簽和閱讀器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，但無(wú)法從根本上解決多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的碰撞問(wèn)題。而nRF24LE1芯片特有的載波檢測(cè)功能和內(nèi)含隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的特性，采用載波檢測(cè)加隨機(jī)延時(shí)的方式能夠有效地避免數(shù)據(jù)包碰撞問(wèn)題。標(biāo)簽在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先檢測(cè)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(shí)后重新檢測(cè)，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(cè)程序?qū)崿F(xiàn)

nRF24LE1芯片內(nèi)部的電源失效比較器（POF）能夠?yàn)镸CU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(shí)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(shí)，warn位會(huì)被置1，并且同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷（POFIRQ）。通過(guò)對(duì)prog位進(jìn)行設(shè)置來(lái)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(shí)，程序通過(guò)檢測(cè)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(kāi)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(chēng)賦值，硬件地址，發(fā)射模式，設(shè)置ID號(hào)（每個(gè)標(biāo)簽唯一），打開(kāi)并配置RTC2喚醒時(shí)間，接著將生成的數(shù)據(jù)包通過(guò)射頻天線(xiàn)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(jiàn)表2所列。

3.5 閱讀器主程序

閱讀器程序開(kāi)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(chēng)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(kāi)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(guò)RS 232傳至PC。閱讀器主程序流程如圖5（b）所示。

4 測(cè)試與驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)RFID系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信的實(shí)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(xiě)功能正常。通過(guò)串口調(diào)試軟件在閱讀器串口接收端檢測(cè)到正常數(shù)據(jù)，如圖6所示，即判斷出接收到的一號(hào)標(biāo)簽（ID：00 00 00 01）、二號(hào)標(biāo)簽（ID：00 00 00 02）數(shù)據(jù)包接收正確。另外，將一號(hào)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(lèi)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(yàn)證50 m以上RFID無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，達(dá)到預(yù)期的遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

5 結(jié) 語(yǔ)

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

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