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射頻識別(RFID)是近年來成長最快的無線技術之一，它將條形碼及無線技術的優勢帶入資產管理、產品跟蹤、海運及運輸識別、庫存控制和定位檢測中。大多數RFID系統采用通過RF從閱讀器獲取電源的被動式標簽。這樣有利于減小標簽尺寸和降低成本，但是會限制讀取范圍和數據存儲能力。帶電池的主動式標簽可以提供較大范圍的讀取能力和更強的可靠性，不過其尺寸較大，也更貴一些。采用最新的低功耗單片機和無線數傳芯片，設計一種不僅讀取距離遠、可靠度高，而且成本更低、壽命更長的主動式RFID標簽是本設計研究的目的。 設計方案分析 本設計完成的主動式RFID應具有：低成本、低功耗、閱讀距離長及距離可調、電池供電等特性。分析主動式RFID的這些特性要求，形成設計方案如下： 低成本：以通常的基于RFID的電子識別系統來講，用于標示物體的RFID標簽總是有較大的使用量。標簽的單價直接影響到系統整體造價的高低。雖然主動式RFID相比被動式RFID具有：識別距離遠、識別速度快、防沖突性能好等優勢，但如果價格差別較大，也會成為應用推廣中的障礙。所以，應盡可能降低標簽成本。 從器件選型入手，選用集成度高的MCU和無線數傳芯片，盡量減少外圍器件的數量，不僅可以降低硬件成本，還避免了生產過程中的統調工作，降低了生產成本。本設計選用MSP430F2012單片機，內部PLL電路可以節省一般單片機必需的外部晶振；內建電源電壓監測/欠壓復位模塊(BOR)省去了外部復位電路；選用IA4420無線數傳芯片，是目前同類無線數傳芯片中外圍元件最少的一種(僅需一個10MHz晶振)；差分天線接口可直連設計在PCB上的微帶天線。這些都使得本設計的硬件成本降到了最低。 低功耗：由于主動式RFID標簽為電池供電，為了延長電池使用壽命，系統對低功耗性能要求嚴格。MSP430單片機擁有0.5mA的保持模式待機電流和250mA/MIPS的運行功耗，是目前業界公認的低功耗單片機；IA4420的低功耗待機模式電流消耗低至0.3mA。為本設計的低功耗性能提供了基礎保證。 低功耗設計，一方面從元器件的選擇入手，另一方面要設計優化合理的運行時序，在完成標簽功能的前提下，使電路在大多數時間處于待機狀態。 長距離及距離可調：無線信號在自由空間中的視距傳輸距離，與系統總增益的log對數成正比，在不增加發射信號強度的情況下，選擇高接收靈敏度無線數傳芯片可以達到增加傳輸距離的效果。 IA4420具有-109dBm的接收靈敏度和最大8dBm射頻信號輸出功率，室外開闊地實測傳輸距離達200米以上。按“6dB”法則，在無線系統中，總增益每增加或減少 6dB ，傳輸距離延長或縮短一倍。IA4420的信號輸出功率具有0，-3dBm，-6 dBm，-9 dBm，-12 dBm，-15 dBm，-18 dBm，-21 dBm共8級可調，配合0、-6、-14、-20可調的接收端LAN增益，實現了標簽閱讀距離的大范圍多級可調。 電池供電：本設計選用單節CR2032紐扣式鋰錳電池，該電池公稱電壓3V，容量200mAh，建議間歇放電電流<15mA。CR2032具有每年低于1%的內在超低漏電以及極其平坦的放電曲線(這兩種特性是延長電池使用壽命的理想選擇)。本設計省去電池到器件之間的穩壓電路，直接由電池給系統供電。也節省了穩壓電路所帶來的靜態電流消耗，使電池壽命進一步延長。為防止發射狀態較大的電流造成電池電壓瞬態降低，使用較大容量電容與電池并聯。 直接用電池為單片機供電，一個值得注意的問題是：更換電池時電池導線的機械接觸會產生電源噪聲，使單片機復位不完全而產生隨機錯誤操作。MSP430F2012內部集成零功耗欠壓復位 (BOR) 保護功能，可以在電壓低于安全操作范圍時執行完全復位，很好地解決了這一問題。 硬件電路設計 MSP430F2011 MSP430是TI公司的一個超低功耗單片機系列，完美地整合了低功耗、速度和片上外圍器件：CPU采用16位精簡指令集，集成了16個通用寄存器和常數發生器，極大提高了代碼的執行效率；該系列單片機還將大量的外圍模塊整合到片內，適合構成較完整的片上系統；提供了5種低功耗模式，主要面向電池供電的應用。本設計選用的MSP430系列中更低成本，更高性能的新型單片機—MSP430F2012。 IA4420 IA4420是Integration公司推出的一體化無線數傳芯片，RF功能全內置，外部只要一個10MHz晶振即可工作。 主動式RFID標簽的電路圖見圖1。 圖1 主動式RFID標簽電路圖 通訊協議 所有的標簽和閱讀器的無線數據傳輸均工作在同一個無線電頻率。在標簽閱讀器的讀取范圍(無線信號覆蓋范圍)內只有一個標簽的情況下，標簽與閱讀器進行點對點無線通訊，無線電信號不會產生沖突。但如果閱讀器的讀取范圍有多個標簽存在，則需要考慮多個標簽同時發送數據(多路存取)時產生的無線電信號沖突，并制定相應的防沖突機制加以解決。 本設計遵從ISO/IEC 18000-7《433 MHz有源RFID空中接口通信參數》中關于主動式RFID標簽通訊協議的物理層、數據鏈路層的所有約定。 結語 本設計通過合理選擇元件，圍繞低成本、低功耗、長距離、電池供電等特性要求優化電路以及在設計中遵從ISO/IEC標準通訊協議，設計完成的主動式RFID標簽在性能指標、穩定性、兼容國際標準和低硬件成本方面具有非常大優勢。 以本設計完成的RFID標簽，與配套的閱讀器可以組成人員或物品電子識別/定位系統，廣泛應用于采礦、工業生產、道路交通、物流運輸、醫療、醫藥、國防安全等眾多領域。 |
