??? 摘 要：設計一種工作于2.4 GHz 頻段的微功耗有源射頻識別系統的硬件結構，描述了閱讀器與射頻標簽的工作流程。射頻標簽工作模式為休眠喚醒模式，大大延長了射頻標簽的使用壽命。
??? 關鍵詞：有源；射頻識別；閱讀器；射頻標簽
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??? 射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。作為快速、實時、準確的高效采集與信息處理技術，已被公認為本世紀十大重要技術之一。根據供電方式不同，RFID可分為有源和無源2類。其中有源RFID射頻標簽自身具備電池，可提供全部器件工作的電源。正是因為如此，有源RFID才具備有低發射功率、通信距離長、傳輸數據量大、可靠性高和兼容性好等特點。隨著技術的愈加成熟，被廣泛地應用到公路收費、港口貨運等管理中[1-4]。
??? 本文提出了一種RFID系統設計，與以往的RFID系統設計相比，這個系統設計采用了一種微功耗無線射頻收發芯片，且該芯片將MCU和射頻模塊集成在一起，這樣就使系統簡單化、小型化、模塊化。
1 有源RFID系統組成及硬件設計
1.1? 系統工作原理
??? 在有源RFID系統中，標簽和讀寫器處于遠磁場區，通過電磁耦合方式傳輸信號。由于電子標簽自帶電池，當電子標簽進入讀寫器的識別范圍后，電子標簽不需要讀寫器發出激活信號，而是主動地將存儲的識別信息(ID)以電磁波的形式傳給讀寫器[3-4]。
1.2? 系統組成
??? 如圖1所示，有源RFID系統主要由讀寫器、有源電子標簽、計算機管理系統組成。該系統中，射頻標簽存儲著要被識別物品的相關信息，通常放在被識別物品上；讀寫器負責讀取或寫入標簽信息；計算機管理系統用于對數據的管理，完成通信傳輸功能。
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1.3 系統硬件設計
1.3.1芯片選擇
??? 目前用于低功耗的無線射頻收發芯片很多，考慮到設計成本及系統的功能特點，本文設計的微功耗有源RFID系統采用Chipcon公司的無線低功耗射頻收發芯片CC2510。CC2510為2.4 GHz單芯片系統，用于低功耗及低電壓無線通信。可提供4種功耗模式，用于降低電流損耗，適用于需求超低功耗的系統；同時CC2510芯片把MCU和射頻模塊集成在一起，大大降低了系統設計的復雜性[5]。
1.3.2 讀寫器的硬件構成
??? 如圖2所示，讀寫器主要是由數據接口、主控制器(8051 MCU內核)、無線收發模塊、天線幾部分構成。數據接口的主要功能是通過USB接口把讀寫器與PC機連接起來，實現高頻模塊與PC的通信；主控制器采用芯片CC2510內部自帶的微處理器8051 MCU，用于處理無線收發模塊收到的數據；無線收發模塊由芯片CC2510自身的射頻發射部分與外圍電路組成，用于完成與射頻標簽的無線數據通信；天線采用PCB天線，與無線收發模塊相連，是讀寫器與射頻標簽通信的橋梁。
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1.3.3 射頻標簽硬件構成
??? 與讀寫器一樣，射頻標簽同樣通過CC2510來實現無線通信。如圖3所示，其主要由主控制器(8051 CPU內核)、無線收發模塊、天線、電源幾部分構成。不同的是，射頻標簽的工作電源由電池或者電子提供，而讀寫器的電源由PC機提供。
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2? 系統通信協議設計
??? 通信協議設計是系統設計至關重要的部分，系統數據通信的雙方必須遵守相互約定的通信協議才能實現安全、可靠、有效的數據通信。在此系統中主要設計PC與讀寫器之間的通信協議，以及讀寫器與射頻標簽之間的通信協議。
2.1 PC與讀寫器之間的通信協議
??? 讀寫器與后臺PC機采用RS485 串口通信，工作在異步方式，傳輸速率為57 600 b/s。
2.2 讀寫器與射頻標簽之間的通信協議
??? 讀寫器與射頻標簽在初始化建立通信過程中以數據幀的形式封裝。一般采用需要4種幀，即尋卡命令幀、通信成功確認幀、通信失敗確認幀以及標簽信息幀。根據芯片CC2510自身規定好的通信協議可以定義其幀結構[5]，如圖4所示。
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??? 導言字段：導言采用交替序列1010…1010開始；
??? 同步字段：占用2 B，由芯片自身實現；
??? 長度字段：表明幀的長度，用二進制數表示，占用1 B；
??? 地址字段：在此字段標示幀的序號，即可以表示1～255(除去00000000情況，即全零情況)，占1 B(由讀卡器循環生成和管理，并在一次認證中保持不變)。目的是在多標簽的情況下防止碰撞。其原理為：讀卡器與射頻標簽之間在通信的過程中，按第一時間收到的幀的序號來排隊，只有等此幀通信結束，才去處理下一個幀號。如此就可以避免碰撞，實現多標簽識別。
??? 數據字段：在尋卡命令幀、通信成功確認幀和通信失敗確認幀這3種幀中，數據字段包含對應的命令數據；在標簽信息幀中，數據字段包含的是標簽的信息。
??? 校驗字段：采用CRC-16校驗。
3? 系統軟件設計
3.1 讀寫器軟件及流程
??? 讀卡器工作過程中，首先上電復位初始化，然后開始發送尋卡命令，等待標簽響應。當有標簽響應時，收到標簽發來的標簽信息，首先判斷發送的數據是否出現錯誤。如果有，就返回一個確認失敗信息給標簽，并等待標簽重新發送數據；若檢驗數據無錯，則開始向主機發送標簽信息驗證請求。未得到PC返回的信息時，則繼續向PC發送標簽信息請求驗證(如果連續3次沒有得到驗證結果返回，就向標簽發送一個驗證失敗信息);有驗證信息返回時，判斷驗證結果。成功，則向標簽發送一個確認成功信息；若失敗，向標簽發送一個確認失敗信息。其流程如圖5所示。
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3.2? 標簽軟件及流程圖
??? 標簽工作過程中，首先是標簽冒頭探測有無讀卡器發送過來的尋卡命令；若無，則轉入休眠；若有，則發送自身信息至讀卡器，然后等待讀卡器返回信息；若沒有得到讀卡器返回信息，需要重新發送標簽信息至讀卡器；若有確認信息，要注意是否是讀卡器直接發現傳輸過程中出現了數據錯誤而給標簽的確認失敗信息，其錯誤位標識為0，這時需要重新傳送標簽信息至讀卡器；若確認信息是讀寫器轉發PC的驗證結果，要判斷驗證結果，然后根據不同的結果發送標簽不同的確認信息。此次通信結束，轉入休眠，準備下次通信。其流程圖如圖6所示。???
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4? 射頻標簽低功耗設計
??? 提高有源射頻標簽的使用壽命，必須要盡量減少不必要的功耗，充分利用電池中的能量，這樣才能實現較長的使用周期。
??? 為降低功耗，射頻標簽采用休眠工作方式。休眠時，芯片CC2510中除MCU 定時器外，所有器件均停止工作，只消耗極小的電流。并且在進入休眠狀態前，微控制器將所有I/O 腳置成輸出狀態，以避免其處于高阻態時產生開關電流損耗。
??? 在芯片CC2510中睡眠定時器用來控制芯片從睡眠模式PM0/PM1/PM2中退出，返回到主動模式(active mode)。可以對睡眠定時器定義一個0事件(Event 0)，當0事件發生時，芯片從PM0/PM1/PM2返回到激活模式。睡眠定時器不能在PM3模式和激活模式下工作。2次連續的0事件之間的時間tEvent0由下面的公式決定[5]。
??? 若使用低功耗RC振蕩器：
??? tEvent0＝750/fref×EVENT0 ×25×WOR_RES
??? 若使用晶振：
??? tEvent0＝1/32768 × EVENT0×25×WOR_RES
??? 使芯片CC2510休眠的參考主函數程序：
??? void main( )
??? {
???? ? uchar count = 0；
????? ?Initial( )；
????? ?Init_clocks(0，0，0，4)；
????? ?led1 = 0； //開紅色LED，系統工作指示
????? ?Delay( )；??? //延時
????? ?Delay( )；
????? ?Delay( )；
????? ?Delay( )；
????? ?while(1)
????? ?{
??????????? ??led2 = !led2；
??????????? ??count++；
????????????? if(count == 20)PowerMode(3)；//10次閃爍后進入睡眠狀態
????????????? Delay( )；
?????? ?};
??? }
??? 低功耗無線射頻收發芯片應用于RFID系統設計，不但降低了功耗，實現RFID 產品的小型化、模塊化和智能化，同時降低了系統成本，增大了系統識別距離，促進了RFID技術的發展和應用。希望有源RFID技術能夠越來越受重視，使其蓬勃發展，為社會經濟建設做出更大的貢獻。
參考文獻
[1]?周曉光，王曉華.射頻識別(RFID)技術原理與應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2006.
[2]?游站清，劉克勝.無線射頻識別技術(RFID)規劃與實施[M].北京：電子工業出版社，2005.
[3]?鄭賢忠.基于有源RFID技術的車輛識別與控制終端系統研究[D].武漢理工大學，2008.
[4]?HYUNTAE C，YUNJU B.Design and implementation of an active RFID system platform.IEEE 2005.
[5]?霍宏偉，牛延超，徐曉羽.基于RF芯片CC2510的無線傳感器網絡節點設備設計[J].國外電子元器件，2006(9)：44-47.