基于射频识别技术RFID的电子标签的设计.doc

基于射频识别技术RFID的电子标签的设计XXX（ XXXX大学自动化与电子工程学院，山东 青岛 266042 ）摘要: 本课题研究的是利用射频识别技术RFID识别有源电子标签（2.45GHz）。此标签可以用于港口码头环境下的集装箱远程自动识别，也可用于车辆出入信息采集与控制以及不停车收费系统等有远距离识别与控制需求的系统。射频识别（RFID）技术是利用射频信号通过空间耦合实现非接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别的目的。RFID技术与其他自动识别技术相比具有很多优点，在诸多领域得到应用并具有巨大的发展和应用潜力。在文中我们利用MSP430F2012和nRF24L01分别作为MCU和RF芯片设计并实现了RFID系统中有源电子标签的硬件部分，同时利用ALOHA防碰撞算法，解决多标签同时存在的识别问题，对应用到实际奠定了基础。关键词：自动识别技术；射频识别；有源电子标签中图分类号：TP273 文献标识码 ：ABASED on RFID Tags designZHANG Zhen-zhen（Qingdao University of Science and Technology Automation and Electronic EngineeringShandong Qingdao 266042）Abstract: This topic is the study of the active tags (2.45GHz). This tag can be used in the container port environment remote automatic identification; also can used for car out information gathering and control and no parking charge systems, etc have long distance identification and control needs of systems. Radio frequency identification (RFID) technology uses radio frequency signal through space coupling realize non-contact information transmission, and through the message to identify purpose. Compared with other automatic identification technology has many advantages, RFID technology is widely used in many fields, and has great development and potential application. In this paper we use respectively MSP430F2012 and nRF24L01 as MCU and RF chip design and realized the RFID system hardware components of active tags. And using the ALOHA prevent collision algorithms to the multi-tags collision problem，corresponding to use actual laid a foundation. Key words: Automatic identification technology; RFID; Active tags0引言射频识别技术（RFID，Radio Frequency Identification）是20世纪90年代产生的一种自动识别技术。它是利用空间信号（交变磁场或电磁场）的耦合来达到无接触式信息的传递并达到识别信息的目的。与传统的识别技术不同，射频识别解决了免接触等问题，并可同步实现运动目标识别、多目标识别。因此被广泛应用于物流系统、零售系统、身份识别、交通管理、农牧行业和医药行业等许多领域，成为20世纪最热门的技术之一。现今港口码头环境下的集装箱远程自动识别，车辆出入信息采集与控制以及不停车收费系统等有远距离识别与控制需求的系统变得越来越重要，这就需要它们自身带有能够远距离识别的有源标签。RFID技术应用于自动识别系统较其他技术有如下优势：受外界影响小，具有抗污染能力和耐久性；可重复使用；穿透性和无障碍阅读；安全性好。所以选择利用射频识别技术RIFD来识别它们。本文介绍了RFID系统的阅读器和应答器以及它们的工作原理。其中围绕RFID的工作原理、电子标签的配电方式、耦合方式，介绍RFID的系统特性。并对电子标签的结构中的天线、芯片技术等进行简单分析。还介绍了电子标签的设计，其中选择RFID控制芯片MSP430F2012和射频RF芯片nRF24L01，这有利于达到低功耗，高效率。通过protel99se对芯片和电路连接的设计。利用纯ALOHA算法防碰撞算法解决多个标签同事发送的碰撞问题。1射频识别系统射频识别（RFID）技术是利用空间信号通过空间耦合（电压器/雷达原理）实现信息的传递并通过所传递的信息达到识别的目的的技术， 一般来说，射频识别系统主要由应答器（电子标签）、阅读器和计算机组成，RFID中的信号通过阅读器与应答器之间的天线达到无线电波或微波的无线传递实现非接触识别，再将所得信息反馈到计算机以供工作人员利用、分析。从信息的传递方式来看，RFID技术存在两种耦合方式，在低频段RFID采用变压器耦合模型（在初、次级线圈之间传递能量及信号），RFID技术在高频段则采用雷达探测目标的空间耦合模型（电磁波在空间的发射在碰到目标后携带目标信息返回到雷达）。图2.1.1 RFID系统结构图Figure 2.1.1 RFID system structure上图所示为RFID系统结构图，其中当应答器进入到阅读器场能后通过各自耦合天线来实现信号的传递。1.1射频识别系统的组成1） 应答器（电子标签）应答器是RFID系统中真正的数据载体，它也称作射频标签或射频卡。根据发送射频信号的方式不同，分为主动标签和被动标签。主动标签通常有内置电池，这类标签需要的电源不完全由阅读器提供，因此又被叫做有源标签。相对于主动标签（有源标签）另外一种标签则为无源标签，这种标签发射能量和内部处理器的运行所需的能量都由阅读器提供，当应答器进入到阅读器电磁场范围则开始工作。电子标签通常是由耦合元件（天线）和微电子芯片组成。电子标签有区别于其他构造形式的独特优点：小、薄、柔韧、可植入多种材料内部。芯片模块是电子标签的核心。天线的作用是和阅读器天线相耦合，利用变压器原理或雷达技术原理达到信号的空间传播与识别的目的。2） 阅读器阅读器主要包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元和应答器连接的耦合元件。阅读器控制射频模块向标签发射读取信号，并接收来自标签的应答，对标签的信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其他相关信息传送到计算机进行处理。3）计算机系统计算机系统主要于阅读器通信，通过应用程序，相关软件来完成应答器信息的阅读、存放、处理等操作。1.2 RFID系统的工作原理电子标签粘贴在待识别的物体上，其中存有约定格式的电子数据。阅读器通过耦合天线发出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时感应电流，同时利用此能量发出自身编码等信息，阅读器读取信息并解码后传送至主机并进行相关处理，从而达到自动识别物体的目的。当今RFID的运用上主要有低频（LF）30kHz-200kHz、高频（HF）3MHz-20MHz和超高频（UHF）300MHz-3GHz三个层次，其中低频近距离主要集中在125kHz、13.56MHz；高频远距离主要集中在915MHz、2.45Ghz和5.8GHz。本文使用的有源电子标签又称主动电子标签，标签在工作时所需要的能量不完全由阅读器提供，而外加了一个内部电源供电。标签在未进入工作状态时期处于休眠状态，整个系统除关键部分外基本不耗能。而当标签进入阅读器区时，将受到阅读器的射频信号激励，进入到工作状态，此时标签内部的系统在微处理器的控制下将进入工作状态，接收阅读器信号进行相关处理和完成与阅读器的通信。1.3 RFID电子标签的信息储存状态一存储器概述电子标签芯片为非接触式智能卡，无源标签芯片工作所需要的能量均由模拟前端耦合阅读器发出的电磁波产生，因而要求存储器具有非挥发性和低功耗的特点，对于这样的要求，用于电子标签芯片的存储器是具有数据保存时间长，可反复进行擦写的能力、低功耗EEPROM。 1.4 RFID电子标签的能量供应与耦合方式电感耦合电子标签是由电子数据作载体，通常由单个微型芯片以及用作天线的大面积线圈组成。电感耦合几乎是无源工作的。这就是说，芯片工作所需要的能量全部由阅读器提供，在这种情况下，获取能量的方式可以看作是变压器原理。阅读器和应答器通过各自的天线线圈来达到能量和信号的传递与识别。图1.1 电感耦合原理示意图 Figure 1.1 Inductance coupling principle diagram上图示为电感耦合原理示意图，发射磁场的一部分磁力线穿过距离阅读器天线线圈一定距离的应答器天线线圈。通过感应在应答器的天线上产生一个电压Ui，将其整流后作为数据载体的电源。将一个电容器Cr与阅读器的天线线圈并联，电容器电容的选择是：与天线线圈的电感在一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联谐振回路。该回路的谐振使得阅读器天线线圈产生一个非常大的电流，这种方法也可用于生产供远距离应答器工作所需要的场强。由于电感耦合是无源的，且系统的效率不高，所以一般只用于的低电流电路。只有功耗极低的只读应答器(135kHz)可用于1m以上的距离。而具有写入功能和复杂安全算法的应答器的功率消耗较大，因而一般的作用距离为15cm，个别有的能达到80cm。调制的反射横截面从雷达技术中得知：电磁波被大小超过波长一般的物体反射。一个物体反射电磁波的效率是通过其反射横截面来说明的。物体同达到它的波前产生谐振时，其反射横截面尤其大，这正是处于适当的频率的天线所用的场合。图1.2反向散射应答器的作用原理 Figure1.2 The response of backscatter mechanism功率P1从阅读器发射出来，它的一小部分达到应答器天线，到达应答器的功率P1作为HF电压在天线接口处使用。经二极管D1和D2整流后，可作为操作电压以去活化省电的“低功耗”模式。所获得的电压足够用于短距离作用的能量供应。到达的功率P1，一部分被天线反射，返回功率P2。天线的反射性能会受到连接的天线的负载变化的影响。为了从应答器到阅读器传输数据，与天线并联的附加负载电阻R的接通和断开要和传输的数据流一致，从而完成对由应答器反射的功率P2振幅的调制。对应答器来说，由应答器反射的功率P2在空间自由辐射，其中一小部分被阅读器天线接收，反射信号以“相反方向”进入阅读器的天线连接处，被定向耦合器解耦后送到阅读器接收入口。2 UHF RFID有源电子标签的设计本次设计是UHF 2.45GHz的有源电子标签设计。它是一种RFID主动标签，不但具备被动式标签的多种特征，还兼具读取距离远、性能可靠、寿命长的特点。有源电子标签又称主动电子标签，标签在工作时所需要的能量不完全由阅读器提供，而外加了一个内部电源供电。标签在未进入工作状态时期处于休眠状态，整个系统除关键部分外基本不耗能。而当标签进入阅读器区时，将受到阅读器的射频信号激励，进入到工作状态，此时标签内部的系统在微处理器的控制下将进入工作状态，接收阅读器信号进行相关处理和完成与阅读器的通信。而当整个通路考虑具有以下几点特点：微型化、成本低、功耗低过程完成后，标签又重新回到休眠状态。主动标签的设计应功耗低、可靠性高、阅读距离可调、电池供电等特点。因此在有源标签这方面的研究是值得一提的。并且当今在低功耗IC技术的突破性发展也为发展小型、低功耗主动标签创造了条件。2.1标签的硬件设计2.45GHz的有源电子标签由电源、控制单元和无限收发单元三部分组成，具体结构形式可由下图示出：图 2.1 2.45GHz 有源电子标签的组成Figure 2.1 2.45GHz active tag parts其中控制芯片选MSP430F2012，由于有源标签是由外加电池供电，为了延长电池使用时间，因此对于系统的低功耗性能要求很高。MSP430F2012（MSP430系列芯片）是德州仪器公司推出的低功耗系列Flash型16位RISC指令集单片机，其设计结构完全以系统低功耗运行为核心。由于它的低功耗、片内设计丰富和方便灵活的开发手段，MSP430已成为众多单片机系列中的一颗明星。MSP430的主要特点：（1）MSP430系列是一个16位并且拥有强大的处理能力的单片机，采用的是RSIC指令集结构，丰富的寻址方式、简洁的内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算。高速的处理能力，高效的查表处理指令。这些特点保证了可编出高效率的源程序。（2）运行速度快，MSP430单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。125ns的指令周期、16位的数据宽度以及多功能的硬件乘法器相配合，能实现数字信号处理的一些算法（FFT等）。MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以实现任意嵌套，使用灵活方便。当系统处于省电的备用状态时。用中断请求将其唤醒只需6us。（3）MSP430系列单片机之所以超低功耗是由于其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟都有独到之处。MSP430具有低功耗的原因：（1）MSP430系列单片机将很多外围模块集成到MCU芯片中，增加了硬件冗余。用户通过特殊的寄存器选择使用不同的功能电路，依靠软件选择不同的外围功能模块，对于不使用的模块将停止工作，减小了芯片的功耗。（2）为了进一步降低芯片功耗单片机采用了两套独立的时钟源：外部时钟和DCO片内时钟。通常情况，系统运行的频率越高，功耗消耗也就越大。但在MSP430中单片机可以在满足功能需求的情况下按一定比例降低MCU主时钟频率，以降低电源功耗。当不需要高速运行时，可选用副时钟低速运行，进一步降低功率消耗。通过软件对特殊功能寄存器赋值可改变CPU的时钟频率，或进行主时钟和副时钟切换从而是实现总体功耗的控制。（3）系统在运行时使用的功能模块不同，采用不同的工作模式，芯片的功耗消耗有较大的差异。MSP430单片机有5种节能模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4。这5种模式为其功耗管理提供了很好的性能保证。当在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200-400uA左右，在等待方式下，耗电只有0.7uA，节电方式下，最低可达0.1uA。射频芯片是整个RFID卡最核心的部分，直接关系着标签的读写距离与可靠性，同时也直接影响到整个系统的功耗问题。本文中选用是nRF24L01射频芯片。nRF24L01是Nordic公司生产的是一款新型单片机射频收发器件，其工作于2.4GHz-2.5GHz ISM频段，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流仅9mA；在接收时，工作电流也只有12.3mA，多种低功耗工作模式使其节能设计更方便。nRF24L01的特点及其工作原理1） 低电压工作：1.9-3.6V低电压工作；2）高速率：2Mpbs，由于空中传输时间短，极大地降低了无限传输中的碰撞问题；3）多频点：125频点，满足多点通信和跳频通信的需要；4）体积小：体积约为5mm*5mm5）功耗低：当工作在应答模式通信时，快速地控制传输及启动时间，极大地降低了电路消耗；6）成本低：nRF24L01的SPI接口可以利用单片机的硬件SPI口连接或用单片机I/O口进行模拟，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机。表2-1 nRF24L01快速参考数据列表Table 2-1 Quick reference data list of nRF24L01参数数值单位最低供电电压1.9V最大发射功率0dBm最大数据传输率2000Kpbs发射模式下电流消耗 0dBm11.3mA接收模式下电流消耗 2000kpbs12.3mA温度范围-40到+85数据传输率为1000kpbs下的灵敏度-85dBm掉电模式下电流消耗900nAnRF24L01最突出的特点是存在两种通信模式：直接模式和突发模式。直接模式的使用与其他传统射频收发器的工作相同，需要通过软件在发送端添加校验码和地址码，在接收端判断是否为本机地址并检测数据是否传输正确；突发模式使用芯片内部的先入先出堆栈区，数据可以从低速微控制器送入，高速（2Mpbs）发射出，地址和校验码硬件自动添加和去除，这种模式的特点是：可使用低速微控制器控制芯片工作；减小功率消耗；射频信号高速发射，抗干扰性能好；减小了整个系统的平均电流。因此使用nRF24L01芯片特有的突发模式使得系统整体性能和效率提高。nRF24L01引脚功能及描述，芯片引脚排列如图3.2.2所示：图2.2 nRF24L01引脚功能及描述，芯片引脚排列Figure 2.2 NRF24L01 pins function and description，chip pins arrangementCE：使能发射或接受；CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚断，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01；IRQ：中断标志位；VDD：电源输入端；VSS：电源地；XC2，XC1：晶体振荡器引脚；VDD_PA：为功率放大器供电，输出1.8V；ANT1，ANT2：天线接口；IREF：参考电流输入。nRF24L01射频芯片的工作模式通过配置寄存器可将nRF24L01配置为发射、接受、空闲和掉电四种工作模式，具体工作模式如下表2-2：表2-2 nRF24L01 工作模式Table 3-2 NRF24L01 work pattens模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接受模式111-发射模式101数据在TXFIFO寄存器中发射模式1010停留在发送模式，直至数据发送完成待机模式2101TX FIFO为空待机模式11-0无数据传输掉电0-待机模式1主要用于降低电流损耗，该模式下晶体振荡器仍然工作；待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；待机模式下，所有配置仍然保留；在掉电模式下电流顺号最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值这时仍然保留。nRF24L01可以和不带SPI的接口的控制芯片MSP430F2012进行数据交换，MSP430F2012没有标准的SPI接口，但是它提供了USI接口与既有SPI接口的芯片通信，nRF24L01芯片的配置通过引脚CE/CSN/MOSI/SCK来完成。电子标签控制芯片MSP430F2012和射频芯片nRF24L01具体的硬件电路连接图与MCU和RF在protel99se上的设计图分别如图：图 2.3 MSP430F2012与nRF24L01两芯片连接图Figure 2.3 MSP430F2012 and nRF24L01 two chip connection diagram图.2.4 MSP430F2012在protel上的设计图Figure.2.4 MSP430F2012 designed on protel图 2.5 nRF24L01在protel上的设计图Figure 2.5 nRF24L01 designed on protel2.1软件设计目前没有2.45GHz有源RFID系统的通信协议标准，有源电子标签的通信协议可以参考ISO1800-4和ISO1800-7标准。nRF24L01可以通过SPI接口与控制芯片MSP430F2012进行数据交换，MSP430F2012没有标准的SPI接口，但是提供了USI接口与具有SPI接口的芯片通信，nRF24L01芯片的配置是通过CE、CSN、MOSI、SCK来完成的，两芯片接口图可看前面一节。本文的有源电子标签只具有发射功能，初始化过程中关闭自动重发功能，只采用Pipe0通道与阅读设备通信，2个字节的CRC校验，地址宽度4个字节，发射功率0，空中传输速率1Mpbs。nRF24L01的初始化程序如下：P5OUT&=CE;SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG,0xfe);SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA,0x00);SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_RSADDR,0x01);SPI_RW_Reg（WRITE_REG + SETUP_AW,0x10）;void Init_nRF24L01(void)SPI_RW_Reg（WRITE_REG + SETUP_RETR,0x00）;SPI_RW_Reg（WRITE_REG + RF_CH,0x10）;SPI_RW_Reg（WRITE_REG + RF_SETUP,0x07）;SPI_Write_Buf（WRITE_REG + TX_ADDR,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH）;SPI_RW_Reg（WRITE_REG + RX_PW_P0,TX_PLOAD_WIDTH）;SPI_Write_Buf（WRITE_REG + RX_ADDR_P0,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH）；P5OUT=CE;其中SPI_Write_Buf（BYTE reg，BYTE byte）；SPI_Write_Buf（BYTE reg，BYTE*pBuf，BYTE bytes）函数分别为写字节和写字符串函数。3系统的防碰撞算法RFID系统工作时，可能会出现多个标签同时处在阅读器范围内的情况，如果有多个标签同时向阅读器发送数据就会出现通信碰撞，数据相互之间干扰（碰撞），此时存在着两种通信方式：（1）阅读器到标签：在一个阅读器范围内有多个标签，阅读器发送的数据同时被多个标签接收，称之为无线广播式；（2）标签到阅读器：在阅读器范围内存在多个标签同时向阅读器发送数据，这称作多路存取式，每个信道有规定的容量，这是由信道的最大数据速率以及供其使用的时间片确定的，当多个标签同时把数据传输给一个单独的阅读器时就会出现相互碰撞。在RFID系统中最常用的是时分多路法，即把整个可供使用的信道容量按时间分配给多个用户，也就是使每个标签在单独的某个时隙内占用信道和阅读器进行通信，防止碰撞发生，从而使得数据可以准确地在阅读器和标签之间进行传输，这种协议称之为防碰撞协议（Collision Resolution Protocols）。本文中采用纯ALOHA算法，纯ALOHA算法的基本思想是标签发送数据的过程中，如果有其他标签也在发送数据，则发生信号重叠导致完全或者部分碰撞。阅读器检测接收信号是否发生碰撞，如果发生碰撞，则阅读器发送指令给标签，标签停止发送，随机等待一段时间后再重新发送，以减少发生碰撞的概率。算法如图所示：图3.1 纯ALOHA防碰撞算法时序图Figure 31 Pure ALOHA prevent collision sequence chart algorithm纯ALO