（交通信息工程及控制专业论文）基于RFID技术的人员定位系统硬件部分的研究.pdf

j e 塞窑煎太堂亟堂包诠塞生童擅要 中文摘要 摘要：本文主要研究了一种基于r f i d 的人员自动定位系统的硬件部分的设计，人 员定位跟踪系统针对不同情况下具体的需求，应用先进的r f i d 无线射频技术，采 用当前流行的数据通讯、数据处理技术和地理信息系统，通过结合p c 机数据库的 服务器和客户端，实时检测特定区域人员、设备所在的位置，统计井下人员的数 量和分布情况，监视r f i d 读卡器的工作状态，对闯入禁区的人员或通讯失败的读 卡器进行报警，查询并再现任一人员在指定时间段的活动轨迹，查询任一时刻所 有井下人员所在的位置。 本系统硬件部分由人员跟踪射频卡卡、读卡器、中继器、总控器和手持终端 组成。每个人员和重要的设备都配备一个无线卡，在定位区域的工作面每隔定 距离安装r f i d 读卡器。无线卡发送代表身份特征的射频信号，读卡器接收到射 频信号以后，传送身份特征电信号给相应的中继器，中继器将电信号转换成光信 号，通过光纤与总控器连接，总控制器将接收到的光信号转化成串行通信信号给 数据服务器。手持终端可作为系统的测试工具并可为管理者使用。 本文第一章先介绍了课题产生的背景和目的以及系统所要达到的技术指标和 要求，然后在第二章中简要介绍了r f i d 技术的基本知识及传统r f i d 系统的组成。 第三章首先描述了人员定位系统的组成结构及其工作的原理，然后重点阐述了射 频卡、读卡器、中继器、总控器和手持终端五部分的工作原理和软硬件设计方法。 第四章主要对系统中关键技术做了详细的理论分析并提出具体的实现方法，第五 章介绍了系统的连接和测试的方法，并分析了测试结果。最后一章简要分析了系 统的实际应用性，并列举了系统的一些不足之处。 关键词：射频识别技术；4 8 5 总线；m s p 4 3 0 单片机；通信协议 分类号：t p 3 6 8 1 毡塞窑煎塞堂亟堂位论塞垦s 卫坠鳗 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i ti ss t u d i e dt h a tad e s i g no fh a r d w a r es y s t e mp a r te m p l o y e do nt h e i m p l e m e n t a t i o no fp e o p l et r a c k i n gs y s t e mo nt h eb a s i so fr f i di nt h i se s s a y s u c h p e o p l et r a c k i n gs y s t e ma i m sa ts p e c i f i cn e o c l qo nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s i te m p l o y st h e a d v a n c e dr f i dw i r e l e s s r a d i o f r e q u e n e yt e c h n o l o g y a n dr e c e n t l y p o p u l a r d a t a c o m m u n i c a t i o n , d a t aa n a l y s i sa n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mt e c h n o l o g i e sw i 妇ht h e c o m b i n a t i o no fs e r v e ro nh a r d w a r es y s t e mo fd a t a b a s ea n dc l i e n t , w h i c hc o u l d r e a l t i m e l yd e t e c tt h ep o s i t i o no f t h ew o r k e r sa n de q u i p m e n t sa n dc o u n tt h en u m b e ra n d d i s t r i b u t i o no ft h e m m o r e o v e r , i ti sa b l et om o n i t o rt h ew o r k i n gs t a t u so fr f i dr e a d e r m a c h i n e l a t e r , i tw o u l dr e p o r to nt h ep e o p l ew h ob r e a ki n t ol i m i t e da r c ao rt h ef a i l u r e o fc o m m u n i c a t i o no bt h ec a r dr e a d e r t h e ni tc o u l di n q u i r ya n dr e c r e a t e st h et r a i l so f m o t i o na b o u ta n ys t a f fi na l l o c a t e dt i m e b e s i d e s ，i tc o u l di n q u i r yt h ep o s i t i o no fa l l s t a f f si na n ym o m e n t t h eh a r d w a r ep a r to ft h i ss y s t e mi n c l u d e sp e r s o n n e lw i r e l e s st r a c k i n gc a r d ( r f i dc a r d ) ，t r a c k i n gc a r dr e a d e r , t h er e p e a t e ra n dt r a c k i n gm a s t e r c o n t r o l l e r e v e r y p e r s o n n e la n di m p o r t a n te q u i p m e n t ss h o u l db eo u t f i tw i mw i r e l e s sc a r d s 。f u r t h e r m o r e , r f i dc a r dr e a d e r sm u s tb el o c a t e df r o ms p a c et os p a c ei np o s i t i o n i n gr e g i o u so ft h e w o r k i n gf a c e r f i dc a r d st r a n s m i tt h ew i r e l e s ss i g n a l sr e p r e s e n t i n gt h ei d e n t i t yf e a t u r e s o n c et h ec a r d sr e a d e r sr e c e i v et h e s er a d i o - f r e q u e n c ys i g n a l si no r d e rt oc o n v e yt h e mt o c o r r e s p o n d e dr e p c a t e l s ，t h es i g n a l sw i l lt r a n s f e rt oo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns i g n a l s f i n a l l y , b yag r o u n d m a s t e r c o n t r o l l e r , t h e yw o u l db et i a n s f e r r e dt os e r i a l c o m m u n i c a t i o ns i g n a l st h a tw o u l db ed e l i v e r e dt od a t ar e c e i v i n g $ e r v o r a tt h ev e r yb e g i n n i n g , t h ee s s a ya d d r e s s e st h eb a c k g r o u n da n dp u r p o s eo f r a i s i n gt h i si s s u ea n dt h et a 鹅e t i n gt e c h n o l o g i c a li n d e xa n dr e q u i r e m e n to ft h ss y s t e m s e c o n d l y , t h eb a s i ck n o w l e d g eo f r f i dt e c h n i q u es h a l lb ei n t r o d u c e d t h et h i r dc h a p t e r i sf o c u s e do nt h ee x p o s i t i o no fw o r k i n gp r i n c i p l e sa n ds o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n s o nf o u rp a r t sc o n s i s t e do fp e r s o n n e lw i r e l e s st r a c k i n gc a r d , p e r s o n n e lt r a c k i n gc a r d r e a d e r , p e r s o n n e lt r a c k i n gr e p e a t e ra n dp e r s o n n e lt r a c k i n gm a s t e r c o n t r o l l e r l a t e l y , t h e f o u r t hc h a p t e rw i l lm a k ead e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h es y s t e m i cp r o b l e m sa n d r e l a t e dr e s o l u t i o np l a n s t h el a s tb u tn o tt h el e a s t ，t h ef i l t hc h a p t e rm a i n l yd i s p l a y st h e t e s t i n gr e s u l to f h a r d w a r eo f t h es y s t e ma n dt h el a s tc h a p t e rm a k e sf e a s i b i l i t ys t u d i e so f t h i ss y s t e ma p p l i c a t i o n m o s ti m p o r t a n t l y , c e r t a i nl i m i t a t i o n sa t el i s t e di nt h i sc h a p t e r j 塞交亟太堂亟堂缱论塞垦望显笪：! k e y w o r d s ：r f i d ；4 8 5b u s ；m s p 4 3 0m c u ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s c l a s s n 0 ；t p 3 6 8 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全7 解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 春 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：二勇素谛捐 鳓期：唧嗍歹只 | 导师签名：锄? 签字同期：7 。，口多1 ，夕讨r ip 0 3 韭塞銮通厶堂亟堂缝论奎独剑挂虚嘎 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：掾缃签字隰叼年) 月歹日 6 1 致谢 本论文的工作是在我的导师王俊峰副教授的悉心指导下完成的，王俊峰教授 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年 半来王俊峰老师对我的关心和指导。 王俊峰教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向王俊峰老师表示衷心的谢意。 王俊峰教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张琨、蔡弘等同学对我论文中的软硬件设计 工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 j e 立交通厶堂亟堂位论窑 ! 绪论 1 绪论 1 1 课题产生的背景及意义 r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 射频识别技术，是一种利用射频通信实 现的非接触式自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象，并获取相关数 据，识别过程无需人工干预，可以工作在各种恶劣的环境下。随着微型集成电路 的进步，微型智能r f i d 标签得到了很大应用发展。尤其是在产品资源的管理和 可跟踪性方面，它将条形码及无线技术的优势带入资产管理、产品跟踪、海运及 运输识别、库存控制和定位检测中，体现出它巨大的优势。 近年来，煤矿事故时有发生，如何加强安全生产的防范措施，正确处理安全 与生产、安全与效益的关系，如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测职能，保 证抢险救灾、安全救护的高效运作，都是急待解决的问题。同时如何改变目前煤 矿企业对井下人员落后的管理模式，如何实现管理的现代化、信息化也成为所有 煤矿企业关心的问题。 随着无线通信、自动识别和计算机网络技术在煤矿安全生产监测应用领域中 的不断发展，如何确定灾害事故中遇险人员的具体情况和分布位置计得到进一步 地解决。特别是随着射频识别技术在国内的引进和发展，使得对下井人员进行实 时跟踪变得可行。基于r f i d 的人员定位系统其优势主要体现在可以对作业人员进 行实时监测，充分利用了现有资源，加强了企业人员管理机制，减轻工作量，提 高了工作效率。除此之外，当事故发生时，救援人员也可根据人员及设备定位系 统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措 施，提高应急救援工作的效率。 1 2 射频识别技术的发展 射频识别技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面射频识别技术 的成功应用反过来又将极大地促进应用需求的扩展。从技术角度说，射频识别技 术的发展体现在若干关键技术的突破。从应用角度来说，射频识别技术的发展目 的在于不断满足日益增涨的应用需求。 射频识别技术的发展得益于多项技术的综合发展。所涉及的关键技术大致包 括：芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁传播特性。 北塞窑亟厶堂亟堂鱼监塞! 绪论 随着技术的不断进步，射频识别产品的种类将越来越丰富，应用也越来越广 泛。可以预计，在未来的几年中，射频识别技术将持续保持高速发展的势头。射 频识别技术的发展将会在电子标签( 射频标签) 、阅读器、系统种类等方面取得新进 展。 在电子标签方面，电子标签芯片所需的功耗更低，技术更趋成熟。其作用距 离将更远，无线可读写性能也将更加完善，并且能够适合高速移动物品识别，识 别速度也将更加快，具有快速多标签读写功能。与此同时，在强场强下的自保护 功能也会更加完善、智能性更强，成本更低。在读写器方面，多功能读写器，包 括与条码识别集成、无线数据传输、脱机工作等功能将被更多的应用。同时，多 种数据接口包括r s 2 3 2 ，r s - 4 2 2 4 8 5 ，u s b ，红外，以太网口也将得到应用。而 读写器将实现多制式多频段兼容，能够兼容读写多种标签类型和多个频段标签。 读写器会朝着小型化、便携式、嵌入式、模块化方向发展，成本将更加低廉，应 用范围更加广泛。在系统方面，低频近距离系统将具有更高的智能、安全特性； 高频远距离系统性能将更加完善，成本更低。 1 3 国内外射频识别技术应用状况对比 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。 车辆自动识别方面，早在1 9 9 5 年北美铁路系统就采用了射频识别技术的车号 自动识别标准，在北美1 5 0 万辆货车、1 4 0 0 个地点安装了射频识别装置。近年来， 澳大利亚开发了用于矿山车辆的识别和管理的射频识别系统。 在高速公路收费及智能交通方面，香港“驾易通”采用的就是射频识别技术。 装有射频标签的汽车能被自动识别，无须停车缴费，大大提高了行车速度和效率。 虽然我国很多地区高速公路都采用了射频卡，但是大部分还是应用人工停车收费 的方式。最近，锦山的一条高速公路上应用了射频卡自动收费，但是与香港“驾 易通”相比，差距显而易见。利用射频识别技术的不停车高速公路自动收费系统 是将来的发展方向，人工收费包括i c 卡的停车收费方式也终将被淘汰。 在货物的跟踪、管理及监控方面，澳大利亚和英国的西思罗机场将射频识别 2 i l 塞窑煎厶堂亟堂僮i 金室! 绪j 幺 技术应用于旅客行李管理中，大大提高了分拣效率，降低了出错率。在几年前， 欧共体就要求从1 9 9 7 年开始生产的新车型必须具有基于射频识别技术的防盗系 统。而我国铁路行包自动追踪管理系统还只是在计划推广之中，真正应用还要假 以时日。 在射频卡应用方面，1 9 9 6 年1 月韩国就在汉城的6 0 0 辆公共汽车上安装射频 识别系统用于电子月票，实现了非现金结算，方便了市民出行。而德国汉莎航空 公司则开始试用射频卡作为飞机票，改变了传统的机票购销方式，简化了机场人 关的手续。在我国，射频卡主要应用于公共交通、地铁、校园、社会保障等方面。 上海、深圳、北京等地陆续采用了射频公交卡。在未来的一两年，我国射频卡应 用最大的项目将是第二代公民身份证。 在生产线的自动化及过程控制方面，德国b m w 公司为保证汽车在流水线各 位置准确的完成装配任务，将射频识别系统应用在汽车装配线上。而m o t o r o i a 公 司则采用了射颏识别技术的自动识别工序控制系统，满足了半导体生产对于环境 的特殊要求，同时提高了生产效率。在动物的跟踪及管理方面，许多发达国家采 用射频识别技术，通过对牲畜个别识别，保证牲畜大规模疾病爆发期间对感染者 的有效跟踪及对未感染者进行隔离控制。而在生产线的自动化及过程控制以及动 物的跟踪及管理方面，我们离国际水平的差距就更大，甚至在有些方面根本就没 有应用。 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 我国成熟、全面的应用将是一个长期的过程，需要业内人士共同的努力。 1 4 本文研究的主要内容 基于r f i d 的人员定位系统是r f i d 的典型应用之一。这种人员定位系统可以 广泛的应用在很多方面例如：学生到离校自动识别管理、机关大院的车辆出入管 理、高速公路全自动收费、煤矿井下人员的定位【3 1 、跟踪、查询管理等等。系统能 够及时、准确的将限定各个区域人员及设备的动态情况反映到机房的计算机工作 站，使管理人员能够随时掌握人员、设备的分布状况和每个佩戴r f i d 标签的人员 的运动轨迹，以便于进行更加合理的调度管理。 本文所研究的就是基于r f i d 技术的人员及设备定位系统。包括系统框架的搭 建，r f i d 射频卡、读卡器、中继器、总控制器和手持终端的硬件设计和软件设计。 同时，对系统设计中出现的问题进行分析，并给与相应的解决方案，最后通过系 j e 夏交遁厶堂亟堂位监塞! 绮论 统的测试得出一定的结论。 1 5 本人所做的工作 l 设计系统框架，对关键元器件选型 2 设计射频卡、读卡器、中继器，总控制器、手持终端的原理图 3 焊接调试各电路板 4 编写调试的相应硬件上的固件 5 搭建系统进行联调和测试 4 北京变道太堂亟堂焦j 金毫2 丞统厘理企纽 2 系统原理介绍 2 1r f i d 技术简介 2 1 1r f i d 的系统组成 一套完整的r f i d 系统。是由电子标签( t a g ) 、读写器( r e a d e r ) 及计算机通信网 络和应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是电子标签发射一特定频率的无 线电波能量给读写器，将内部的数据送出，这个能量用以驱动读写器中的电路，此 时读写器便依序接收解读数据，通过计算机网络送给应用程序做相应的处理，如图 2 1 所示。 图2 - 1 系统的结构框图 f i g 2 1s y s t e ms u u c t r u e 1 电子标签 电子标签存储着需要被识别物品的相关信息，通常被放置在需要识别的物品 上，它所存储的信息通常可被射频读写器通过非接触方式读写获取。 2 读写器 读写器是可以利用射频技术读写电子标签信息的设备。读写器读出的标签 信息可以通过计算机以及网络系统进行管理和信息传输。 3 计算机通信网络 在射频识别系统中，计算机通信网络通常用于对数据进行管理，完成通信传 输功能。读写器可以通过标准接口与计算机通信网络连接，以便实现通信和数据 5 j b 塞交通太堂硒堂焦i 金塞2 丞统厦理金绍 传输功能。 由图2 - 1 可以看出，在射频识别系统工作过程中，始终以能量作为基础，通过 一定的时序方式来实现数据交换。因此，在射频识别系统工作的信道中存在有三 种事件模型： ( 1 ) 以能量提供为基础的事件模型 读写器向电子标签提供工作能量。对于无源标签来说，当电子标签不在读写 器的工作范围内，电子标签由于没有能量激活而处于休眠状态。当电子标签进入 读写器的工作范围以后，读写器发出的能量激活了电子标签，电子标签通过整流 的方法将接收到的能量转换为电能存储在电子标签内的电容器里，从而为电子标 签提供工作能量。对于有源标签来说，有源标签始终处于激活状态，和读写器发 出的电磁波相互作用，具有较远的识别距离。 ( 2 ) 以时序方式实现数据交换的事件模型 时序指的是读写器和电子标签的工作次序。通常有两种时序，一种是 r t f ( r c m d e rt a l k s f i r s t ，读写器先发言) ；另一种是t i t ( t a gt a l k sf i r s t ，标签先发言) ， 这是读写器的防冲突协议方式。 在一般状态下，电子标签处于“等待”或“休眠”工作状态，当电子标签进 入读写器的作用范围时，检测到一定特征的射频信号，便从“休眠”状态转到“接 收”状态，接收读写器发出的命令后，进行相应的处理，并将结果返回读写器。 这类只有接收到读写器特殊命令才发送数据的电子标签被称为r t f 方式；与此相 反，进入读写器的能量场就主动发送自身序列号的电子标签被称为t r f 方式。 ( 3 ) 以数据交换为目的的事件模型 读写器和标签之间的数据通信包括了读写器向电子标签的数据通信和电子标 签向读写器的数据通信。在读写器向电子标签的数据通信中，又包括了离线数据 写入和在线数据写入。 在电子标签向读写器的数据通信中，工作方式包括以下两种：是电子标签 被激活以后，向读写器发送电子标签内存储的数据；二是电子标签被激活以后， 根据读写器的指令，进入数据发送状态或休眠状态。 电子标签和读写器之间的数据通信是为应用服务的，读写器和应用系统之间 通常有多种接口，接口具有以下功能：应用系统根据需要，向读写器发出读写器 配置命令；读写器向应用系统返回所有可能的读写器的当前配置状态；应用系统 向读写器发送各种命令；读写器向应用系统返回所有可能命令的执行结果。 2 1 2r f i d 的基本工作流程 6 j e 塞銮道友堂亟堂僮论塞 2 系统厘堡企绍 1 读写器将无线电载波信号经过发射天线向外发射； 2 当电子标签进入发射天线的工作区时，电子标签被激活，将自身信息的代 码经天线发射出去： 3 系统的接收天线接收电子标签发出的载波信号，经天线的调节器传输给读 写器。读写器对接收到的信号进行解调解码，送往后台的电脑控制器； 4 电脑控制器根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应 的处理和控制，发出指令信号控制执行机构的动作； 5 执行机构按照电脑的指令动作； 6 通过计算机通信网络将各个监控点连接起来，构成总控信息平台，可以根 据不同的项目设计不同的软件来完成要实现的功能。 2 1 3 射频卡的分类 1 按供电方式分为有源卡和无源卡。 有源是指卡内有电池提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、体积较大、 成本高；无源卡内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流 电源为卡内电路供电，其作用距离相对有源卡短，但寿命长且对工作环境要求不 高。 2 按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。 低频射频卡主要有1 2 5 k h z 和1 3 4 2 k h z 两种，主要用于短距离、低成本的应 用中，如多数的门蔡控制、校园卡、货物跟踪等； 中频射频卡频率主要为1 3 5 6 m h z ，用于门禁控制和需传送大量数据的应用系 统； 高频射频卡主要为4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等，应用于需要较 长的读写距离和高读写速度的场合，如在火车监控、高速公路收费等系统。 3 按调制方式的不同分为主动式和被动式。 主动式射频卡用自身的射频能量主动地发送数据给读写器。 被动式射频卡使用调制散射方式发射数据，它必须利用读写器的载波来调制 自己的信号。 4 按作用距离可分为密藕合卡( 作用距离小1 厘米) 、近耦合卡( 作用距离小于 1 5 厘米) 、巯耦合卡( 作用距离约i 米) 和远距离卡( 作用距离从1 米到l o 米，甚至 更远) 。 5 按芯片分为只读卡、读写卡和c p u 卡。 7 j e 塞窑亟太堂亟堂僮j 金塞 2 丕统厘垄佥缉 2 2m s p 4 3 0 单片机简介 本系统的m c u 全部采用m s p 4 3 0 系列单片机。m s p 4 3 0 系列单片机是一款1 6 位的，采用了精简指令集结构，超低功耗的混合型单片机，具有丰富的寻址方式 ( 7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址) ：精简的2 7 条内核指令和大量的模拟 指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算；还有高效的查表 处理指令；有较高的处理速度，在8 m h z 晶体驱动下指令周期为1 2 5 n s 。这些特点 保证了可编制出高效率的源程序。 在运算速度方面，m s p 4 3 0 系列单片机在8 m h z 晶体的驱动下，能实现1 2 5 n s 的指令周期。1 6 位的数据宽度、1 2 5 n s 的指令周期以及多功能的硬件乘法器( 能实 现乘加) 相配合，能实现数字信号处理的某些算法( 如f f t 等) 。 m s p 4 3 0 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用灵活方便，当系 统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6 t s 。 m s p4 3 0 系列单片机的超低功耗，集中体现了现代单片机先进的低功耗设计 理念。它在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 m s p 4 3 0 系列单片机的电源电压采用的是1 8 v - 3 6 v 电压。在因而可使其在i m h z 的时钟条件下运行时，芯片的电流会在2 0 0 - 4 0 0 i ta 左右，而时钟关断模式的最低 功耗只有0 1p a 。 这种低功耗结构具体体现在以下三点： 1 内部电路可灵活选择。 m s p 4 3 0 单片机可以通过特殊功能寄存器选择使用不同的功能电路，即依靠软 件选择其中不同的外围功能模块，对于不使用的模块使其停止工作，以减少无效 功耗。 2 为更好地降低功耗，单片机可采用2 套独立的时钟源：外部时钟( 如 3 2 7 6 8 k h z ) 以及d c o 数字振荡器片内时钟。 系统运行频率越高，电源功耗就会相应增大。m s p 4 3 0 单片机可在满足功能需 要的情况下按一定比例降低m c u 主时钟频率，以降低电源功耗。在不需要高速运 行的情况下，可选用副时钟低速运行，进一步降低功耗。通过软件对特殊功能寄 存器赋值可改变c p u 的时钟频率，或进行主时钟和副时钟切换，从而实现对总体 功耗的控制“ 3 具有多种工作模式。 由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗 有着明显的不同。系统中共有一种活动模式( a m ) 和五种低功耗模式( l p m o l p m 4 ) 。在等待方式下，耗电为0 7 i ta ，在r a m 数据保持方式下耗电仅o 1i la 。 8 拙塞至通太堂亟堂焦j 盆塞 2 嚣绮厘垄金绍 活动模式耗电2 5 0 i l a m i p s ( m i p s ：每秒百万条指令数) ，i o 输入端口的漏电流 最大仅5 6 h a 。 单片机在上电复位后，首先由d c o c l k 启动c p u ，以保证程序从正确的位置 开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄 存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作c p u 时钟 m c l k 时发生故障，d c o 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可 以用看门狗将其复位。 m s p 4 3 0 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分剐是看门狗 ( w d t ) 、模拟比较器a 、定时器a ( t t m e ra ) 、定时器b ( 1 h e l b ) 、串口( u s a r t ) 、 硬件乘法器、a d d a 模块。液晶驱动器等等。 目前，m s p4 3 0 系列单片机有o p t 型、f l a s h 型和r o m 型三种类型的器件， 这些器件的开发手段不同。对于o p t 型和r o m 型是用仿真器开发成功后再烧写 或掩膜芯片；对于f l a s h 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有j t a g 调试接口，还有电可擦写的f l a s h 存储器。因此采用先下载程序到f l a s h 内， 再在器件内通过软件控制程序的运行，由j t a g 接口读取片内信息供设计者调试使 用的方法进行开发。这种方式只需要一台p c 机和一个j t a g 调试器，而不需要仿 真器和编程器。这样不仅使开发工具变得简便，而且价格也相对低廉，并且还可 以实现在线编程。m s p 4 3 0 系列单片机的开发环境不仅支持自身的汇编语言，还支 持c 和c + + 语言，用户可根据自身的情况灵活选择”。 9 j e 塞銮煎厶堂硒堂包i 金室3 丕缝设让 3 系统设计 3 1 系统框架及工作原理 本课题提出的人员定位系统采用总线架构，系统硬件部分主要由五部分组成： 每个人身上佩戴的r f i d 射频卡、读卡器、中继器，手持终端以及总控制器。系统 的框架如图3 1 所示。 r 5 4 8 5i r s 4 8 5 i r 5 4 8 5 i ，广1 f 商i i 堡堡li 堡篓 图3 - 1 系统框架圈 f i g 3 1s y s t e mf t a m e w o r k 图3 - 2 现场示意图 f i g 3 - 2l o c a l es k e t c hm a p 1 0 北塞銮煎厶堂亟堂焦i 金奎3 丕统遨让 系统的工作原理如下： 如图3 - 2 所示，在特定的区域内一些特定的地点和可能经过通道中安放若干个 读卡器，具体数量和位置根据现场实际状况和要实现的功能要求而定，并且将它 们通过网络布线和地面控制中心的数据服务器联网。 在每个工作人员工作服或者帽子上安置一个射频卡，当工作人员进入该特定 区域内以后，只要通过或接近放置在区域内的任何一个读卡器，读卡器即会马上 感应到射频卡的信号同时立即将它的卡号存储下来。机房的计算机工作站会周期 性的对每个读卡器进行查询，每查询到一个读卡器，读卡器都会把它存储的射频 卡信息上传到工作站。每个读卡器都对应一个固定的位置，工作站马上可以根据 读卡器上传的信息作出具体的判断( 如：在哪个位置，具体时间，都有谁) ，同时 把它显示在电脑显示屏上并做好备份，同时管理者也可以根据电脑上的分布示意 图点击区域内的某一位置，计算机即会把这一区域的人员情况的历史信息统计并 显示出来。 同样该系统也可用于工作设备的管理上，原理大致相同。 下面详细介绍系统各个组成的部分的设计思想和软硬件的实现方法。 3 2 射频卡设计 人员定位系统射频卡( 即标签) 属于主动式的r f i d 标签。被动式标签无需 电池，由读写器产生的磁场中获得工作所需的能量，但读取距离较近，且单向通 信，局限性较大。主动式电子标签除了具备被动式电子标签的很多特性，而且还 具有读取距离更远，性能更可靠等优点，但是主动式r f i d 标签采用电池供电，为 了延长电池使用寿命，对标签功耗有很高要求。分析主动式r f i d 标签的这些特性 要求，选择合适的m c i j 和射频芯片是设计最关键的部分。 3 2 1n r f 2 4 0 2 芯片在本系统中的应用 n r f 2 4 0 2 是单片射频发射芯片，工作于2 4 2 5 g i - i zi s m 频段，芯片内置地址 解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、g f s k 滤波器、低噪声放大 器、频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通 信频道可通过程序进行配置，需要的外围元件很少，因此使用起来非常方便。该 芯片功耗非常低，以最大功率0 d b m 的功率发射时，工作电流只有1 0 5 m a ，同时 它拥有多种不同功耗的工作模式，节能设计更方便。此外，它采用q f n 2 4 引脚封 装，外形尺寸只有5 5 m m ，非常符合标签设计小巧的特点。n r f 2 4 0 2 功能模块 业瘟窑煎厶堂亟堂毽论塞3 丕统途让 结构见图3 3 。 图3 - 3n r f 2 4 0 2 功能模块结构 f i g 3 - 3n r f 2 4 0 2w i t he x t e r n a lc o m p o n e n t s n r f 2 4 0 2 的工作模式有四种：发送模式、配置模式、空闲模式和关机模式。 其工作模式由p w r u p 、c e 、和c s 三个引脚决定，可由单片机的三个i o 引脚 控制，具体的对应关系详见表3 1 。 表3 - 1n r f 2 4 0 2 的i ：作模式 工作模式p w ru p c e c s 发送模式 l lo 配置模式 lo l 空闲模式 l o0 关机模式oxx n r f 2 4 0 2 在进入其他工作模式之前，首先要进入配置模式。在配置模式下， 通过c s 、c l k 和d i n 三个引脚，将配置字送进n r f 2 4 0 2 的内部寄存器，配置字 直接决定了n r f 2 4 0 2 之后的工作状态。 在空闲模式下，配置字的内容会保持在n r f 2 4 0 2 片内，它是为了减小平均工 作电流而设计，其最大的优点是在实现节能的同时可以缩短芯片的起动时问。 在关机模式下，一般工作电流小于2 0 0 h a 。当芯片不向外发送数据时而工作 在此模式下可明显的延长电池的使用寿命。在此模式下，配置字的内容也会被保 持在n r f 2 4 0 2 片内，这是该模式与断电状态最大的区别。 j 塞銮通塞堂硒堂鱼论室丕统盈让 在发送模式下，n r f 2 4 0 2 有s h o e k b 嘲和d i r e c t 两种发送模式，发送模式 的选取由器件配置字决定。 本系统射频卡采用的是s h o c k b u 哑t m 发送模式，在s h o e k b u r s t t m 发送模式 下，利用片内的先入先出堆栈区，数据可以低速从微控制器送入，但高速( 1 m b p s ) 发射，见图3 4 。因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。 同时与射频协议相关的所有信号处理都在片内进行。这种做法有三大好处： ( 1 ) 大大降低了功耗。如图3 5 ，正是通过这种低速送入高速送出s h o c k b u r s t “ 技术同时减小了整个系统的平均工作电流。 ( 2 ) 较低的系统费用( 可以使用价钱低廉的低速微处理器) 。 ( 3 ) 数据在空中停留时间短，很大程度降低了信息冲突的可能性。 图3 - 4m 叫的数据输出和s h o c k b u r s t t m 发射技术 f i g 3 _ 4c l o c k i n gi nd a t aw i t hm c ua n ds e n d i n gw i t hs h o c k b u r s t t mt e c h n o l o g y 1 m b p s o2 04 06 0 6 0 1 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0 2 2 02 4 0 t i m er n s 图3 - 5 运用s h o c k b u r s t t m s h o c k b u r s t 俐技术的电流消耗对比 f i g 3 - 5c u r r e n tc o n s u m p t i o nw i t ha n dw i t h o u ts h o c k b t mt e c h n o l o g y 可见，n r f 2 4 0 2 芯片完全可以满足系统对低功耗的要求，除此之外，在 s h o c k b u r s t t m 发送模式下，n r f 2 4 0 2 自动加上字头和c r c 校验码，无需再进行软 件和硬件的设计，大大降低了射频模块的复杂性。同时，当它以最大功率0 d b m 的 功率发射时，识别距离可达到5 0 米，完全可以满足系统对射频卡识别距离的要求。 3 2 2 硬件设计 在本系统设计中，对n r f 2 4 0 2 芯片的控制只有五个引脚，芯片片选端( c e ) 、 模式配置片选端( c s ) 、传送数据时钟输入端( c l k ) 、传送数据输k 配置数据输 j b 应变通叁堂亟堂位j 金奎 丕统设迁 入端( d i n ) 、芯片唤醒端( p w r u p ) 。图3 - 6 所示为射频卡设计原理模块图 i 惦p 4 3 0 f 2 1 1 1 i 埘r 2 4 0 2 f 羹块 m ， (： j t a g 1- m 6 接el f o p 雠 图3 6 射频卡腺理图 h g3 - 6r f m c a r dp r i n c i p l ef i g u r e 图3 _ 6 中u 2 为n r f 2 4 0 2 芯片，外围电路的设计参考文献【8 】。u t 为单片机 这里选用的是f 2 1 x 1 系列单片机，它除了具有m s p 4 3 0 系列单片机的特点外，还 具有以下优点”1 ： ( 1 ) 内部有电源电压监测欠压复位模块( b o r ) 省去了外部复位电路； ( 2 ) m s p 4 3 0f 2 1 x l 内部有增强的看门狗电路，它具有时钟保护功能，即当 看门狗电路工作时，如果软件将看门狗电路的时钟关闭，那么将会启动看门狗的 动作，引起系统的复位。 ( 3 ) 可编程的时钟系统，只需3 2 k h z 的晶振就可以直接驱动一个低频的辅助 时钟( a c l k ) 。a c l k 可以工作于实时时钟模式，并具有能够自我唤醒功能。内 部集成了一个d c o ，使主时钟( m c l k ) 可有被c p u 和其他的高速外围设备所使 用。由于有了d c o ，使得一个窄脉冲在少于2 ps 的时间就可以将m s p 4 3 0 唤醒 c p u 工作。 利用m s p 4 3 0 f 2 1 1 1 a 单片机，可以方便地构建一个低电压的工作平台。通过 对n r f 2 4 0 2 芯片的智能运行管理和与单片机的节能模式控制相结合，可以解决运 行速度、数据流量与低功耗设计的矛盾，将各功能模块的电流消耗降至最低状态， 限制活动状态至最低要求。经过这样优化，可以实现整个系统的极低功耗p ”。 为了使射频卡的发射效果更好，在p c b 的设计中要考虑使高频的器件更为集 中【硐，这样也满足了射频卡对体积的限制要求。 3 2 3 软件设计 一s h o c k b u r s t “发送模式配置方法及流程 前面已经提到，当射频卡发送信号时，我们需要n r f 2 4 0 2 工作在s h o c k b u r s t l m 模式下，首先我们将在配置模式下写入s h o c k b u r s t t m 的配置字。 s h o c k b u r s t t m 的配置字使n r f 2 4 0 2 能够处理射频协议。在配置完成后，在 1 4 j e 复窑煎太堂亟堂位j 金窑丞统超吐 n r f 2 4 0 2 工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容，即可实现发送模式 载频的改变切换。n r f 2 4 0 2 的配置字是由3 2 b i t 组成的，