微波频段的主动式射频识别系统的通信模块设计方案

1　引　言

射频识别（RFID）是利用射频频段实现非接触双向通信进行识别和交换数据的一种自动识别技术。根据射频卡的数据调制方式可分为主动式和被动式2种。主动式RFID系统由于其信息实时性强、数据容量大、读写速度快、可远程读取等优点适用于供应链管理、军事物流、实时定位系统等领域。过去由于主动式射频卡体积和功耗较大、电池寿命有限等因素，严重限制了主动式RFID系统的应用和普及;近年来，得益于微型集成电路技术和微机械加工制造技术的进步，微型智能射频卡得到了发展，在低功耗IC技术方面的突破，为发展小型、低功耗主动射频卡创造了条件。

本文以新型射频芯片nRF905为例，设计了一个工作在微波频段的主动式射频识别系统，给出了系统中关键的通信模块设计方案。

2　RFID系统概述

基本的RFID系统包括阅读器和射频卡（应答器）2部分。阅读器可以是只读或读写装置，通常包含射频模块（发射和接收）、控制单元及与射频卡耦合的元件（电感线圈或天线等），此外还应有连接上位机的通信接口以便将所获得的数据传给上位机。射频卡放置在待识别的物体上，他是RFID系统真正的数据载体。射频卡通常由耦合元件和微电子芯片组成。其结构框图如图1所示。

图1　主动式可读写RFID系统示意图

RFID系统根据工作频率的不同分为低频、中频和微波系统，微波系统工作频率主要有433MHz，869MHz，915MHz，2145GHz 和518GHz等。微波RFID系统为电磁耦合系统，适用于识别距离远，读写速率高的场合。此外，根据射频卡的数据调制方式还可分为主动式和被动式 RFID系统。一般无源系统为被动式，有源系统采用主动式，即射频卡用自身的射频能量主动发送数据给阅读器，调制方式可为调幅、调频或调相。被动式系统中射频卡采用调制反向散射方式发射数据，读写器的能量必须来回穿过障碍物2次，因此要求阅读器有较大的发射功率。主动式RFID系统，射频卡采用电池供电，工作可靠性高，作用距离更远。

3　主动式RFID系统设计

射频芯片应用于RFID系统设计可以实现RFID产品的小型化、模块化和智能化;使得RFID系统成本更低，作用距离更远，可扩展性更好，极大地促进了RFID系统（特别是主动式RFID系统）的发展和应用。下面是以无线射频芯片nRF905为例的主动式RFID系统设计。

3.1　无线收发芯片nRF905简介

nRF905是NordicVLSI公司推出的高性能单片无线收发芯片，工作在ISM（工业、科学、医疗）频段433MHz/868MHz /915MHz三个频道，119～316V低工作电压，集成了频率合成、射频发射接收、调制解调、多频道切换等功能，采用抗干扰能力强的GFSK调制解调技术，传输速率达100kb/s，天线接口为差分形式易于连接低成本的PCB环形天线或单端天线。

nRF905采用32脚QFN封装（5×5mm）体积小巧，外围元件少，工作频率稳定可靠，功耗极低，曼彻斯特编解码由片内硬件完成，内建待机和掉电模式，通过SPI（串行外设接口）与微控制器通信，特别适合低成本、低功耗但同时性能和集成度要求高的应用场合。

如表1所示，nRF905有2种工作模式和2种节能模式，由PWRUP，TRXCE，TXEN三个引脚控制。由于采用先进的 ShockBurst技术，使得数据能够在微控制器中低速处理，在nRF905中高速发送，中间有很长的空闲时间，因此能够节约存储器和微控制器资源，减少编程时间。

nRF905通过SPI接口进行配置，共有5个内部配置寄存器。其中，状态寄存器包含数据就绪（DR引脚）和地址匹配（AM引脚）信息，射频配置寄存器包含工作频率和输出功率等信息，发送地址寄存器包含发送目标地址和数据字节长度信息，有效发送数据寄存器包含待发送的有效ShockBurst数据包信息，有效接收数据寄存器包含接收到的有效ShockBurst数据包信息。掉电模式下nRF905的工作电流仅为215μA且寄存器内容不变。值得注意的是，只有在待机或掉电模式才能激活nRF905的SPI接口与MCU通信，这点在设计通信协议时应充分考虑到。

3.2　主动式RFID系统硬件设计

以往的射频识别系统硬件设计通常基于分立元件，设计工作量大、硬件集成度低、成本高、开发周期长。而现有的基于复杂可编程逻辑器件（CPLD） 或数字信号处理（DSP）芯片的设计通常需要完成复杂的通信模块软件设计，成本也相对较高［5］。而本文应用nRF905设计的主动式RFID系统，充分发挥了射频芯片高集成度、低功耗、工作频率稳定、无需曼彻斯特编解码及通信协议设计简洁等优点;大大降低了设计成本，缩短了开发周期，并且硬件更加易于调试可扩展性好。RFID系统的硬件设计框图如图2所示。

图2　采用nRF905的主动式RFID系统硬件设计框图