基于NRF2401的RFID读卡系统的设计与实现Word格式.docx
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由于射频标签的读取依靠辐射电磁场而不是依靠可见光，这就克服了条码技术由于恶劣天气环境、条码污损等限制带来的识别难，甚至不能识别的问题，从而实现自动读取数据的目的。
又由于不用近距离接触，甚至阅读距离可以长达近百米，而且电子标签可以粘附在任何动态目标上，只要运动速度在读写器识别速度限制之内，就可以远距离读取运动物品标签上的信息。
射频识别系统从狭义的角度说，由两个部分组成，即电子标签和读写器。
广义的射频识别系统还应该包括实际应用中的后台软硬件，甚至包括所构建的数据传输网络。
在实际的应用中，电子标签附着在待识别的物品上，当附着有电子标签的待识别物品通过读写器可识读范围时，读写器会以无接触的方式自动将电子标签中的约定识别信息取出，从而实现自动识别物品或者自动收集物品标识信息的功能。
电子标签是射频识别系统真正的数据载体，读写器是射频识别系统实现的基础保证。
1.2基本工作原理
射频识别系统的基本模型如图1-1所示。
其中，电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；
阅读器又称为读卡器、扫描器、读头、读写器。
电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合；
在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。
图1-1射频识别系统
由图1-1可以看出，在射频识别系统的工作过程中，应答器与阅读器之间的数据传输是通过空气介质以无线电波的形式进行的。
一般地，可以利用两个参数衡量数据在空气介质中传播，即数据传输的速度和数据传输的距离。
由于应答器的体积、电能有限，从应答器发出的无线信号很弱，因而信号传输的速度与传输的距离就很有限。
为了实现数据远距离、高速度传输，必须把要传输的数据信号叠加在一个规则变化、信号比较强的电波上，这个过程就是调制，规则变化的电波即载波。
在RFID系统中，载波一般由阅读器发出并进行调制，而实现数据的调制也有许多方法，如用数据信息改变载波的波幅即调幅、改变载波的频率即调频、改变载波的相位即调相。
射频识别系统一般采用调幅或调频方式。
实际应用中，RFID标签除了具有数据存贮量、数据传输速率、工作频率、多标签识读特征等电学参数之外，还根据其内部是否需要加装电池及电池供电的作用而将电子标签分为无源标签（passive）、半无源标签（semi-passive）和有源标签（active）三种类型。
无源标签没有内装电池，在阅读器的阅读范围之外时，标签处于无源状态，在阅读器的阅读范围之内时标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电能。
半无源标签内装有电池，但电池仅对标签内要求供电维持数据的电路或标签芯片工作所需的电压作辅助支持，标签电路本身耗电很少。
标签未进入工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源标签。
标签进入阅读器的阅读范围时，受到阅读器发出的射频能量的激励，进入工作状态时，用于传输通信的射频能量与无源标签一样源自阅读器。
有源标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分地转换为标签与阅读器通信所需的射频能量。
射频识别系统的另一主要性能指标是阅读距离，也称为作用距离，它表示在最远距离上，阅读器能够可靠地与电子标签交换信息，即阅读器能读取标签中的数据。
实际系统这一指标相差很大，取决于标签及阅读器系统的设计、成本的要求、应用的需求等，范围从0～100m左右。
典型的情况是，在低频125kHz、13.56MHz频点上一般均采用无源标签，作用距离在10～30cm左右，个别有到1.5m的系统。
在高频UHF频段，无源标签的作用距离可达到3～10m。
更高频段的系统一般均采用有源标签。
采用有源标签的系统，其作用距离一般可以达到30~200m左右。
1.3应用现状及发展
RFID技术的应用范畴可分为四类：
商品电子防盗系统EAS（ElectronicArticleSurveillance）、移动数据采集（Portabledatacapture）、网络系统（Networkedsystems）、定位系统（Positioningsystems）。
1.3.1商品电子防盗系统
商品电子防盗系统已经不是一个陌生的名词了，现在的各大超市和零售店中都可以看到。
早期的EAS主要应用于防止贵重物品被盗，将射频电子标签附在贵重商品上，读卡器定时监测该物品是否在商店内，一旦监测到物品在射频电子标签未被使无效之前离开了商店，便会发出警钟。
而现在，EAS已经广泛的应用在各种个样的商品中。
1.3.2移动数据采集
比如说，在一种移动设备上安装感应器，可感应周围环境的温度、湿度、亮度或某种移动速度，这些数据均会自动存储在附在装置上的射频电子标签上，数据可由读卡器读取。
1.3.3网络系统此系统
使用的是固定读卡器，可对移动的目标进行跟踪，通常直接跟企业系统连接，是一种典型的目录管理技术。
1.3.4定位系统
可对目标进行定位，可提供导航作用。
目标可为各种各样的物体，如汽车、动物，还有人类等等。
具体的应用有：
动物身份标记、高速公路自动收费、动物的饲养、商品监控系统、有毒废弃药品的管理、门禁管理、邮件/包裹追踪、物品出入库记录、航空行李管理、生产过程监控、药物防伪标志、电子护照、车辆防盗系统等等。
射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多。
在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区及非洲南部，射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域：
汽车、火车等交通监控；
高速公路自动收费系统；
停车场管理系统；
物品管理；
流水线生产自动化；
安全出入检查；
仓储管理；
动物管理；
车辆防盗等。
而在我国，由于射频识别技术起步较晚，应用的领域不是很广，除了在中国铁路应用的车号自动识别系统外，主要应用仅限于射频卡。
总体而言，我国射频识别技术应用状况还处于初级阶段，市场前景非常广阔。
不久的将来，我国射频识别技术应用将在生产线自动化、仓储管理、电子物品监视系统、货运集装箱的识别以及畜牧管理等方面有所突破。
实现射频识别技术在我国逐渐成熟、全面应用将是一个长期的过程。
2、RFID系统的设计方案
2.1设计方案
2.1.1射频识别系统的传输协议
由于本文设计的电子标签为主动式标签，在工作中所需要的能量由标签内的电池提供，另外标签不需要阅读器的激活，阅读器和标签之间是单向通信，为了简化阅读系统的设计，通信方式只选择单工，即电子标签主动地每隔一定时间向外发射代表其自身编码的微波信号，阅读器不向电子标签发送指令和数据，只负责接收电子标签的信号。
由于读写器与标签之间的通信可能会受到其他数据终端或外界环境的干扰而发生错误，因此，需要通信协议来保证数据传输的可靠性。
nRF2401的协议格式见表所示，其中前导码是由nRF2401自动产生，地质包括标签地址和阅读器地址，用户数据可由用户自定义写入标签的信息，CRC校验码可选8位或16位，也由硬件自动产生。
前导码
地址位
标签ID
CRC位
表2-1RFID通讯协议
2.1.2系统各模块的设计方案
2.1.2.1电子标签
图2-1电子标签组成
从上图2-1可以看出，标签部分由以下各模块组成：
射频收发、存储器、微控制器和电源。
考虑到标签一般面积都不会太大，这里选用带有8051内核的nRF24e1芯片作为发送端，外部存储器选用25LC640存储24e1的驱动程序，每次上电后24e1通过SPI接口从存储器中注入驱动程序，进入工作。
2.1.2.2读卡器
图2-2读卡器组成
如上图2-2，读卡器的设计包括有：
射频收发、微控制器、存储器、通信接口和电源。
读卡器通过射频收发模块接收到标签数据后，微控制器将数据通过串口传送到后方PC机中。
考虑到与PC机有串口连接，同时又不像标签有大小限制，这里选用nRF2401作射频收发，AT89S52作微控制器，与PC机采用RS232的串口通讯协议，选用MAX232作电平转换。
2.2主要元器件的选择
2.2.1收发器——nRF24e1/nRF2401
本设计使用了NORDIC公司所推出的nRF24e1/nRF2401来实现射频信号收发，它们都是功能强大的单片射频GFSK收发芯片，工作在2.4～2.5GHzISM频率，其通讯频道可多达125个，满足多点通信和跳频通信需要，工作速率为0～1Mbps，最大发射功率0dBm，外围元件极少，内置硬件CRC（循环冗余校验）和点对多点通信地址控制。
简单来说，nRF24e1可以看作是带有8051内核的nRF2401的收发芯片，故这里以nRF2401简单作下介绍，具体细节可参考相关资料。
图2-1为nRF2401的功能模块图，如图2-3所示，nRF2401的收发前端配置了功率放大器和低噪声放大器，还有频率合成器以及GFSK滤波器。
另外，nRF2401还内置解调器、时钟恢复数据限幅器、地址解码器、CRC编码解码器，以及先入先出堆栈区。
图2-3nRF2401的功能模块图
nRF2401的使用非常方便，可以工作在四种不同工作模式下，其控制也只需使用PWR_UP、CE、CS三个引脚，如下表2-2所示。
其工作模式为：
收发模式、配置模式、空闲模式和关断模式，各工作模式的具体情况可参考相关资料。
表2-22401工作模式控制
2.2.1.1ShockBurstTM收发模式
nRF2401芯片有个很突出的特点，即拥有两种通信模式：
直接模式（DirectMode）和猝发模式（ShockBurstTMMode）。
直接模式的工作方式与传统射频收发器的工作方式一样，在发送时，收发器自动在地址码和数据的后面添加校验码。
猝发模式利用芯片内部的先入先出堆栈区，使数据从低速微控制器送入，再以高速发射出去（最高可达1Mbps），地址和校验码由硬件自动添加和去除，使用这种收发模式，不仅可使微控制器控制芯片更有效地工作；
使射频信号以高速发射，抗干扰性强；
还减小整个系统的平均电流。
因此，本课题中选择ShockBurstTMMode进行数据传输，提高了系统整体的性能和效率。
在ShockBurstTM收发模式下，nRF2401自动处理字头和CRC校验码。
在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去。
在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。
ShockBurstTM发射流程（接口引脚为CE，CLK1，DATA）
A.
当微控制器有数据要发送时，其把CE置高，使nRF2401工作；
B.
把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nRF2401；
C.
微控制器把CE置低，激发nRF2401进行ShockBurstTM发射；
D.
nRF2401的ShockBurstTM发射
²
给射频前端供电；
射频数据打包（加字头、CRC校验码）；
高速发射数据包；
发射完成，nRF2401进入空闲状态。
ShockBurstTM接收流程（接口引脚CE、DR1、CLK1和DATA）
配置本机地址和要接收的数据包大小；
进入接收状态，把CE置高；
200us后，nRF2401进入监视状态，等待数据包的到来；
当接收到正确的数据包（正确的地址和CRC校验码），nRF2401自动把字头、地址和CRC校验位移去；
E.
nRF2401通过把DR1（这个引脚一般引起微控制器中断）置高通知微控制器；
F.
微控制器把数据从nRF2401移出；
G.
所有数据移完，nRF2401把DR1置低，此时，如果CE为高，则等待下一个数据包，如果CE为低，开始其它工作流程。
2.2.1.2器件配置工作
nRF2401的所有配置工作都是通过CS、CLK1和DATA三个引脚完成，把其配置为ShockBurstTM收发模式需要15字节的配置字，而如把其配置为直接收发模式只需要2字节的配置字。
由上文对nRF2401工作模式的介绍，我们ShockBurstTM收发模式，这样系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高，故这里着重介绍把nRF2401配置为ShockBurstTM收发模式的器件配置方法。
ShockBurstTM的配置字使nRF2401能够处理射频协议，在配置完成后，在nRF2401工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容，以实现接收模式和发送模式之间切换。
ShockBurstTM的配置字可以分为以下四个部分：
数据宽度：
声明射频数据包中数据占用的位数，这使得nRF2401能够区分接收数据包中的数据和CRC校验码；
地址宽度：
声明射频数据包中地址占用的位数，这使得nRF2401能够区分地址和数据；
地址：
接收数据的地址，有通道1的地址和通道2的地址；
CRC：
使nRF2401能够生成CRC校验码和解码。
当使用nRF2401片内的CRC技术时，要确保在配置字中CRC校验被使能，并且发送和接收使用相同的协议。
nRF2401配置字的各个位的描述如下表2-3所示。
表2-32401配置字
在配置模式下，注意保证PWR_UP引脚为高电平，CE引脚为低电平。
配置字从最高位开始，依次送入nRF2401。
在CS引脚的下降沿，新送入的配置字开始工作。
2.2.2主控制器——AT89S52
图2-4AT89S52功能模块图
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
考虑到本设计中控制器要求不是很高，而且对于AT89系列也比较熟悉，所以这里我们选择AT89S52单片机作为控制器。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
2.2.3串口电平转换器——MAX232
由于设计的读卡器是要与计算机连接，所以必须考虑到单片机的电平和计算机电平的转换，这里我们选择MAX232作接口电路设计。
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。
内部结构基本可分三个部分：
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道；
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；
DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。
15脚DNG、16脚VCC（+5v）。
图2-5MAX232引脚和功能模块图
3、有源式电子标签的设计
3.1硬件部分
电路原理图
图3-1电子标签电路图
标签部分采用nrf24e1，外围电路可参考Nordic公司的nAN24-01nRF2401ARFLayoutApplicationNotes绘制。
其中DIO0～DIO2和DIN0引脚作为SPI接口与外部存储器相接，上电后存储器中的程序通过SPI口进入nRF24e1，其引脚具体功能分配如下表3-1：
引脚
功能
作用
DIO0
串行时钟引脚
提供外部存储器时钟信号
DIO1
串行数据输出口
SPI数据输出，与外部存储器输入相接
DIO2
片选CS
GPIO口，控制外部存储器是否工作
DIN0
串行数据输入口
SPI数据输入，与外部存储器输出相接
表3-1SPI引脚功能表
3.2软件部分
3.2.1发送流程图
·
电子标签初始化
启动定时器，并进入配置模式
配置好进入发送模式，开始发送标签信息
检验发送是否超时，到规定时间继续下一发送周期
3.2.2配置字设定
根据之前的介绍，nRF2401/24e1的ShockBurstTM模式的配置字如下配置：
int8uRFConfig[15]={
0x80,//接收频道二有效数据长度
0x80,//接收频道一有效数据长度
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,//接收频道二地址
0x00,0xaa,0xbb,0x12,0x34,//接收频道一地址
0x82,//32位地址，16位CRC，不使能CRC
//bit7~2：
ADDR_W，最大40位
//bit1：
CRC_L，（0：
8bitCRC；
1：
16bitCRC）
//bit0：
CRC_EN
//Logic0:
On-chipCRCgeneration/checkingdisabled
//Logic1:
On-chipCRCgeneration/checkingenabled
0x4f,//ShockBurst模式，250kbps，16M晶振，0dBm最大功率
//Bit15：
RX2_EN
//Logic0：
Onechannelreceive
//Logic1：
Twochannelsreceive
//Bit14：
CommunicationMode
nRF2401operatesindirectmode.
nRF2401operatesinShockBurst.mode
//Bit13：
RFDataRate（0：
250kbps；
1Mbps）
//Bit12-10：
nRF2401crystalfrequency//D12D11D10CrystalFrequency[MHz]
//0004
//0018
//01012
//01116
//10020
//Bit9-8：
SetsnRF2401RFoutputpowerintransmitmode
//D9D8P[dBm]
//00-20
//01-10
//10-5
//110
0x04//2400+2*1=2402MHZ=2.402G,发送模式
//Bit7~1：
SetsthefrequencychannelthenRF2401operateson
//Channelrf=2400MHZ+RF_CH#*1.0MHz
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