(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

射頻識別技術(shù)[1](radio frequency identification，RFID)是近年迅速發(fā)展起來的一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它利用射頻在空間耦合的方式實現(xiàn)非接觸式信息傳遞。RFID技術(shù)的標簽具有耐高溫、識別距離遠、多卡識別、防水、防磁、容量大、抗干擾能力強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于身份識別、物流管理、工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、動物識別和圖書館等領(lǐng)域。本文采用超低功耗的STC10L16XE單片機和CC2500射頻芯片，設(shè)計了一種具有讀取距離遠、可靠性高、成本低、功耗低等特點的集收發(fā)一體的有源電子標簽結(jié)構(gòu)。

1 系統(tǒng)框架和芯片選型

1.1 系統(tǒng)框架

本文設(shè)計的有源標簽主要由射頻前端、微控制器、存儲器和電源模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。射頻前端負責(zé)對收發(fā)信號進行調(diào)制解調(diào)；微控制器用于配置射頻芯片寄存器，使其正常工作，同時實現(xiàn)讀取接收信息和寫入發(fā)送信息，完成標簽間的通信；EEPROM存儲器用于存儲射頻標簽相關(guān)信息；電源模塊為整個系統(tǒng)提供3.3 V電源。

圖1 電子標簽結(jié)構(gòu)框圖

1.2 芯片選型

1.2.1 微處理器芯片

STC10L16XE[2-3]是一款針對高速通信和強干擾場合的8位微型計算機，與工業(yè)標準MCS-51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容，STC10L16XE速度比普通的51單片機快8～12倍。STC10L16XE具有以下功能： 16 kB Flash存儲器、2個16位可編程定時器/計數(shù)器、128 B RAM、40個I/O引腳、5路外部中斷口、1.8～3.6 V的工作電壓。該芯片滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

1.2.2 無線射頻收發(fā)芯片

針對有源標簽設(shè)計的功耗問題，一般有以下兩種途徑實現(xiàn)低功耗設(shè)計的要求：一種是選擇低功耗的元器件，另一種是利用科學(xué)的軟件實現(xiàn)。

本文從這兩個方面入手，首先選用CC2500超低功耗射頻芯片[3-6]，當速率為250 kbit/s時，CC2500芯片接收的電流消耗僅為13.3 mA，與業(yè)界同類芯片相比功耗相對很低；然后合理使用該芯片的4種主要狀態(tài)，即TX、RX、Idle、Sleep。當CC2500芯片處于Sleep狀態(tài)時，功耗僅為900 nA。因此，只要保證在一個完整的工作周期內(nèi)，標簽絕大部分時間都處于休眠狀態(tài)，就可以大大降低標簽的功耗。CC2500的工作電壓為1.9～3.6 V，支持FSK、GFSK、OOK和MSK等多種調(diào)制方式，沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達500 kbit/s，糾錯能力強、誤碼率低，只需極少外圍元件即可工作[7]。

CC2500芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、相位轉(zhuǎn)換器、調(diào)制解調(diào)器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。無線射頻收發(fā)過程如圖2所示。

圖2 射頻收發(fā)模塊系統(tǒng)框圖

本文選用的CC2500射頻芯片具有數(shù)據(jù)白化和清理信道訪問(clear channel assessment，CCA)功能。

① 數(shù)據(jù)白化

現(xiàn)實中通信的數(shù)據(jù)通常含有很長序列的0和1。對于這種情況，一般采用在傳輸數(shù)據(jù)之前將其白化、在接收端對其反白化的方法，以提高性能。將CC2500芯片中PKTCTRL0.WHITE_DATA位設(shè)置為1，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)白化。該過程由CC2500芯片自動完成。

除前導(dǎo)和同步詞匯外，所有數(shù)據(jù)在傳輸前將同一個9位偽隨機的隨意序列(PN9)進行異或運算，實現(xiàn)數(shù)據(jù)白化。在接收端，數(shù)據(jù)被同一偽隨機的隨意序列異或。這樣，白化被反運算得到原始數(shù)據(jù)。

② 清理信道訪問

清理信道訪問(CCA)用來指示當前信道是否忙碌。信道的當前CCA狀態(tài)在任一GDO腳上均可知。當CC2500芯片處于RX狀態(tài)且STX或SFSTXON命令濾波被給出時，若滿足清理信道要求，則進入TX狀態(tài)；否則保持在RX狀態(tài)。利用這個功能可以檢測出信道是否被占用，從而有效地防止信息碰撞的發(fā)生。

2 系統(tǒng)原理及電路設(shè)計

2.1 有源標簽原理

微控制器部分采用STC10L16XE最小系統(tǒng)，微控制器通過P1.0～P1.5分別與CC2500芯片相連接，由CS、CLK、SI、SO組成SPI接口，負責(zé)微控制器與CC2500芯片之間數(shù)據(jù)的傳送。

射頻部分采用CC2500芯片，該芯片的外圍器件相對簡單。CC2500芯片的RF-N與RF-P是差分射頻信號輸出引腳，由一對電容電阻組成一個平衡轉(zhuǎn)換器，將CC2500芯片上的RF端口轉(zhuǎn)換成單端RF信號。射頻部分偏置電阻R1用于設(shè)置一個精確的偏置電流；通過去藕電容為PCB板提供精確的功率供給；通過一個π型LC濾波器網(wǎng)絡(luò)作用，與天線達到最佳的阻抗匹配。

系統(tǒng)天線部分采用在PCB板上設(shè)計的倒F型天線。倒F型天線具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、輻射效率高、容易實現(xiàn)多頻段工作等獨特優(yōu)點。有源標簽電路原理圖[8-9]如圖3所示。

圖3 有源標簽電路原理

2.2 有源電子標簽PCB

射頻電路中，印制電路板設(shè)計的合理性至關(guān)重要。印制電路板設(shè)計不當，則會影響電子設(shè)備的可靠性和功能。

設(shè)計中，當有源電子標簽PCB板布局和布線時，要優(yōu)先對RF端口的元件進行布局，用以保證RF端口布線最短，達到最佳的阻抗匹配和信號傳輸。為了將數(shù)字信號和模擬信號分開，濾波網(wǎng)絡(luò)必須就近連接，最后，退藕電容要盡量靠近芯片引腳。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于CC2500芯片沒有復(fù)雜的數(shù)據(jù)協(xié)議要求，因此軟件設(shè)計主要實現(xiàn)如下操作[10]：①初始化CC2500芯片，對寄存器進行配置；②無線數(shù)據(jù)收發(fā)和處理。

系統(tǒng)在實現(xiàn)STC10L-16XE單片機具體的功能要求時采用C語言編程。

CC2500芯片采用電磁激活方式，當有數(shù)據(jù)包接收或發(fā)送時，無線收發(fā)系統(tǒng)被喚醒；當數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，系統(tǒng)將自動進入休眠模式。系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖

系統(tǒng)上電后，首先進行定時器和串口的初始化，通過CC2500芯片的寄存器配置射頻收發(fā)器的傳輸速率、發(fā)送頻率、收發(fā)模式、數(shù)據(jù)白化以及CRC校驗的長度和有效數(shù)據(jù)的長度等信息；然后進入激活模式，等待發(fā)送接收信息。當進入發(fā)送模式時，首先進行CCA判斷，當信道未被占用時則發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后系統(tǒng)進入休眠模式。當進入接收模式時，首先將接收的數(shù)據(jù)進行反白化處理，即將接收到的信號還原成原始數(shù)據(jù)。當接收完畢后，將數(shù)據(jù)保存在EEPROM中，通過串口打印接收信息，以檢驗數(shù)據(jù)的正確性。系統(tǒng)通過配置寄存器配置不同的發(fā)送速率，發(fā)送一定長度的信息，檢測數(shù)據(jù)收發(fā)的誤碼率，以驗證系統(tǒng)的可靠性。

3.1 發(fā)射端軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用模塊化編程，包括主函數(shù)、串口中斷函數(shù)和發(fā)射子函數(shù)。主程序為順序結(jié)構(gòu)，依次完成射頻模塊、中斷、串口的初始化設(shè)置和循環(huán)調(diào)用串口中斷服務(wù)和發(fā)射子程序。當PC機向串口發(fā)送數(shù)據(jù)時，中斷程序接收PC機所發(fā)數(shù)據(jù)；然后射頻發(fā)射模塊進入發(fā)射狀態(tài)，芯片自動為發(fā)送數(shù)據(jù)添加前導(dǎo)碼和同步碼，并封裝需發(fā)送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)域中的數(shù)據(jù)具體格式如下：第一個字節(jié)為數(shù)據(jù)長度L，第二個字節(jié)為常數(shù)1，第三個字節(jié)為L-2，從第四個字節(jié)開始為所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。如發(fā)送數(shù)據(jù)長度為100，主程序代碼如下。

send_buf[100]={100,1,98,1,2,3,4,5……};

while(1)

{spi_strobe(CCxxx0_SIDLE);

//芯片在空閑狀態(tài)

rf_send_packet(r_buf,r_buf[2]+3);

delay(3);

spi_strobe(CCxxx0_SFTX);}

為確保發(fā)送數(shù)據(jù)的可靠性，數(shù)據(jù)發(fā)送前芯片必須處于空閑狀態(tài)，且數(shù)據(jù)發(fā)送后需延時3 ms。

3.2 接收端軟件設(shè)計

接收軟件模塊主要由無線接收和液晶顯示兩部分組成。主程序在完成射頻通信、定時中斷、液晶顯示等初始化設(shè)置后，循環(huán)調(diào)用接收函數(shù)和液晶顯示函數(shù)。其中，顯示單元采用集成中文字庫和帶串行模式的LM12832液晶顯示。為保證接收到正確的數(shù)據(jù)，在接收數(shù)據(jù)前需將芯片設(shè)定在空閑狀態(tài)，之后準備接收數(shù)據(jù)，最后在液晶屏上依次顯示接收到的數(shù)據(jù)。接收端的主程序如下。

while(1)

{int i,len=255;

spi_strobe(CCxxx0_SIDLE);

if(rece_packet(rxBuffer,len))

{for(i=0;i< rxBuffer[2]:i++)

openshow(rxBuffer[i],0x83);

delay(3);}

spi_strobe(CCxxx0_SFRX);}

4 有源電子標簽測試結(jié)果

為了驗證本文介紹的基于CC2500芯片和STC10L16XE芯片的有源標簽系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸正確性，采用如下方法進行測試。

(1) 空曠環(huán)境下

① 收發(fā)相距35 m，每間隔3 ms發(fā)送長度為100 B的數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)是否正確接收。

測試結(jié)果如表1所示。

表1 相距35 m、間隔3 ms測試結(jié)果(空曠環(huán)境)

由表1可知，在數(shù)據(jù)完整性方面，當收發(fā)相距35 m時，所有數(shù)據(jù)全部被接收；在數(shù)據(jù)準確性方面，將隨機抽取接收到的數(shù)據(jù)樣品進行對比，數(shù)據(jù)也幾乎完全正確。

② 收發(fā)相距75 m，每間隔3 ms發(fā)送長度為100 B的數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)是否正確接收。

測試結(jié)果如表2所示。

表2 相距75 m、間隔3 ms測試結(jié)果(空曠環(huán)境)

由表2可知，當收發(fā)相距75 m時，系統(tǒng)仍然可以較穩(wěn)定可靠地工作，接收到的數(shù)據(jù)正確性仍可達到98%。

(2) 遮擋環(huán)境下

① 收發(fā)相距35 m、每間隔3 ms發(fā)送長度為100 B的數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)是否正確接收。

測試結(jié)果如表3所示。

表3 相距35 m、間隔3 ms測試結(jié)果(遮擋環(huán)境)

由表3可知，在有遮擋情況下,收發(fā)相距35 m時，系統(tǒng)仍可較穩(wěn)定可靠地工作，接收到的數(shù)據(jù)正確性依然較高。

② 收發(fā)相距50 m、每間隔3 ms發(fā)送長度為100 B的數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)是否正確接收。

測試結(jié)果如表4所示。

表4 相距50 m、間隔3 ms測試結(jié)果(遮擋環(huán)境)

由表4可知，在有遮擋情況下,收發(fā)相距50 m時，系統(tǒng)仍可較穩(wěn)定可靠地工作，接收到的數(shù)據(jù)正確性有所下降。

經(jīng)上述測試表明，系統(tǒng)在空曠環(huán)境下、間距75 m時可以實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸；當中間有障礙物遮擋、間距為50 m的苛刻條件下，系統(tǒng)依然可以較穩(wěn)定可靠的傳輸數(shù)據(jù)。由此可見，系統(tǒng)在傳輸距離、可靠性方面均優(yōu)于同類模塊。

5 結(jié)束語

本文選用低功耗的STC10L16XE單片機芯片和CC2500射頻芯片[11-15]，在設(shè)計本系統(tǒng)時從阻抗匹配、天線設(shè)計以及PCB板布局等方面進行優(yōu)化，設(shè)計了一款成本功耗低、傳輸距離遠、數(shù)據(jù)準確性高的有源標簽。實踐證明，本方案具有一定的使用價值和應(yīng)用前景。

未來的研究將基于本系統(tǒng)，通過優(yōu)化軟件設(shè)計進一步提升系統(tǒng)的傳輸性能，以及降低系統(tǒng)功耗。

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