有源射頻卡電路的設計

提要：本文介紹了一種基于Nordic公司開發的內嵌51內核的無線收發模塊NRF24E1的有源長距離射頻卡，收發芯片NRF24E1具有低成本、低功耗、端口可重設等優點。本射頻卡有以下主要特點：電池供電，無需外部電源；定時2秒后進入休眠模式，具有省電功能；方便攜帶：能自動發送自身工作電壓，及時更換電池。

關鍵詞：射頻識別 NRF24E1 射頻卡 2.4GHz 80C51 休眠模式

1、引言

射頻識別技術是無線電技術在自動識別領域應用中的具體運用。近年來，隨著芯片技術，天線技術以及計算機技術的不斷發展，RFID系統的體積，功耗越來越小，成本越來越低，操作快捷方便，加上其擅長多目標識別，運動目標識別，方便物品跟蹤和物流管理的突出特點，本文屬于無線射頻傳輸（RFID）技術研究，主要針對近期RFID研究的主流2.4GHz頻段的通信研究。RFID系統多采用主從通訊方式，讀卡器和射頻卡。該系統常用在倉儲、物流、交通、考勤等場合，具有廣闊的應用前景，且極具市場開發的潛力。

2、射頻識別系統的硬件設計

2.1、本系統從功能上可以劃分為以下幾個部分：

（1）電源模塊；（2）射頻通訊模塊（NRF24E1）；（3）鞭形天線；（4）EEPROM。

2.2、射頻卡通信協議

（1）本射頻卡能夠發送自身信息，包括用戶ID當前電壓，能夠進行上電自檢，發送當前工作電壓，每次發送3個字節1。

表2.1 射頻卡每次發送的字節數

（2）本卡采用卡呼叫的主動通訊方式，能夠支持10塊射頻卡同時工作，通訊距離達到20米（無遮擋）。

2.3 系統部分硬件的設計

2.3.1 電源模塊

由于本系統的核心模塊──無線收發芯片NF24E1只能工作在1.9～3.6V之間，所以，本系統采用的電源電壓：應是工作在3.6V以下，此外，由于本卡工作于無線方式，以攜帶方便、靈活為其最大特點之一，所以不宜采用變壓器，只能用電池供電。從經濟實用的角度考慮，采用3V的CR_2032紐扣（Ni）電池，最大供應電壓3V、電流220mA，其優點是工作-40℃～85℃之間、價格便宜、重量輕、通用性強且電流大。

2.3.2 射頻通訊模塊

本系統的射頻通訊模塊采用NRF24E1，NRF24E1是挪威Nordic公司2003年開發的一種嵌入了高性能單片機內核的高速單片無線收發模塊8051。36引腳QFN封裝；以NRF2401芯片結構為核心，將射頻發射、接收、GMSK調制、解調、增強型8051內核、9位輸入、12位ADC 、125頻道、DART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到單芯片中；內部有電壓調節器和VDD電壓監視，所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經全部集成在芯片內部，性能穩定且不受外界電磁干擾；工作在全球開放的2.4GHz頻段、勿需申請通信許可證。

2.3.3 天線的設計

對本系統這種定位于“低成本、低功耗、便攜”的短距離的基于2.4GHz的通信系統而言，設計天線需要考慮以下因素：體積小、成本低、方便攜帶。基于這個前提，我選擇了鞭形天線，根據鞭形天線理論，四分之一波長是理論上天線的最佳長度，所以有：

2.4 系統的PCB圖要點

PCB設計對NRF24E1等整體性能影響很大，在PCB設計時，必須考慮到各種電磁干擾，注意調整電阻、電容和電感的位置，特別要注意電容的位置。NRF24E1的PCB一般都是雙層扳，底層一般不放置元件，為地層，頂層的空余地方一般都敷上銅，這些銅通過過孔與地層的地相連。直流電源及電源濾波電容盡量靠近VDD引腳。NRF24E1的供電電源應通過電容隔開，這有利于給NRF24E1提供穩定電源。

3、射頻識別系統軟件設計

射頻識別系統在軟件設計上采用模塊化設計，具體可分為如下子模塊：初始化模塊、系統配置模塊、發送模塊（發送卡信息）、接收（接收卡地址）模塊、A/D轉換模塊和無線寫卡模塊等。射頻卡主程序流程圖附圖1。

4、射頻識別系統工作過程

4.1 射頻識別卡功能和性能測試結果

本射頻卡基本完成了畢設之初的各項要求，現將預期的功能和指標要求與射頻卡實際性能列附表1。射頻卡有一個I/O端口，工作于1、0兩種方式，在對射頻卡進行寫卡時，工作于0方式，接受來發送設備的寫卡信息，即卡自身的地址；工作于方式1時，是正常工作狀態。

4.2系統耗電量評測

“低功耗”是本卡的一大特點，以下是測試方式與結果(使用兩節普通的紐扣電池，電壓分別為2.99V和3.01V) 附表2中的數據為測試結果。

從表中的測試結果可以看出，本卡的耗電量相當低，一節電池就能支持卡工作很長的時間。本卡的“低功耗”特性，得益于卡所采用的芯片。本卡采用的芯片為低功耗型元件，芯

片所有的組成元件均可工作于3.6V電壓以下，且有NRF24E1中的組成元件具有休眠功能。本卡使用了NRF2401和ADC的休眠功能。

5、結論

目前國內對于RFID的研究才起步，本文的研究和設計是一次對RFID技術的重大探索，對于促進RFID技術的研究具有重大的意義。本文研究和設計的RFID電子標簽是一款應用于物流、門禁和身份識別等中距離識別的產品，它已具有廣泛的市場前景。

附表1 預期的功能和指標要求與射頻卡實際性能對比表

附圖1 射頻卡主程序流程圖

附表2 卡耗電量測試結果

參考文獻：

[1]NODIC. NRF24E1/E2設計手冊，NORDICLtd，2000.

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