- 微波频段的主动式射频识别系统的通信模块设计方案

系统电路硬件主要分为射频接口和控制系统2大部分。本设计中射频接口即为nRF905射频模块（包含外围元件及PCB环形天线）;控制电路基于 51系列微控制器搭建。微控制器通过SPI接口控制nRF905，其中微控制器（MCU）采用Atmel公司生产的低电压、高性能COMS8位单片机 AT89C2051，该微控制器兼容标准MCS51指令系统，内含128B的随机存取数据存储器RAM和2kB的可反复擦写FLASH只读程序存储器，可以将驱动及控制nRF905的程序写入该闪存，无需外接EPROM而简化了电路设计降低了系统功耗。本设计采用为MAX6821作为监控电路对MCU进行上电复位，比传统阻容复位更加可靠，该芯片还集成了看门狗定时器，可有效避免程序跑飞。

图3给出了核心部分的电路原理图，给出了AT89C2051与nRF905的电路连接及外围元件和PCB环形天线。图中D1是MAX232电平转换芯片，U1是MaximIntegratedProducts公司生产的MAX6821，低电压、SOT23封装、微处理器监视器，带有手动复位及看门狗定时器，能监控从+118～+510V的系统电压，有9个工厂预设的门限可供使用。当电源电压下降到复位门限以下时，复位输出产生并保持至少 140ms。

4　通信协议设计

数据通信的双方必须遵守相互约定的通信协议才能实现安全、可靠、有效的数据通信。本RFID系统中，通信协议设计是系统设计的一个至关重要的部分。阅读器与上位机采用RS232串口通信，工作在异步方式，传输速率9600b/s。射频卡与阅读器的非接触数据交换构成一个无线数据通信系统，数据通过nRF905在阅读器和射频卡之间无线传输，本文设计了以nRF905作为射频接口的主动式RFID系统的通信协议，可以将基本控制，通信等功能函数编程写入控制系统，通过调用函数功能模块以完成特定的功能，如物流跟踪、自动收费等。

4.1　数据帧格式

为减少无线通信中的相互干扰，提高通信效率，待传输的数据必须先打包成数据帧。数据帧的长度必须合适，太长则易被干扰，太短会导致通信效率低。本文设计了表2所示的数据帧格式，其中前导码为nRF905自动产生，用来进行接收和发射数据同步;地址（2B）是发送的目的地址，要求在本RFID系统内无重复;数据长度（1B）用来指明有效数据的长度;有效数据（4B）;校验字为8位的CRC校验，由nRF905中硬件电路产生。

4.2　数据通信流程

nRF905作为阅读器与射频卡的通信接口，采用半双工方式通信，在发射和接收模式间切换需要等待550μs的稳定时间。RFID系统中无线通信的软件流程如图4所示。

图4　阅读器与射频卡通信流程

数据通信采用传输前侦听的“载波检测协议”，即接收数据前先检测载波信息（nRF905的CD引脚）和地址匹配信息（AM引脚）只有当载波存在且发送地址正确（高电平）时才接收数据包;发送数据前也要先转到接收模式侦听CD引脚为低电平（要传输的频率通道未被占用）方转入发射模式发送数据;使用此协议可以实现简单有效的防碰撞。此外还可以根据需要对MCU编程实现更为复杂的防碰撞或加密解密算法。nRF905开始总是工作在待机状态，通过SPI 接口接收到控制系统的命令后选择进入发射或接收数据的模式，在阅读器与射频卡之间进行无线通信，接收或发射完有效的数据包后数据就绪引脚DR被置高，MCU检测到DR为高，即将nRF905转入低功耗的待机模式。此时MCU还可通过SPI口读出nRF905接收到的有效数据。

5　结　语

本文以nRF905芯片作为射频接口，设计了一种工作在微波频段的新型主动式射频识别系统，并给出了其通信模块实现方案。这种新型的基于射频芯片的主动式RFID系统信息实时性好、数据容量大、作用距离远，并具有集成度高、易于调试、低功耗、低成本和易扩展等特点，可以广泛应用于对数据实时性要求高及数据需反复读写的场合。