基于nRF24LE1的有源RFID電子標簽的設計

陳齊慧　文雅　常春

【摘要】 本文提出了一種基于nRF24LE1射頻芯片和RFX2401C功率擴展芯片的有源RFID電子標簽的設計，包括硬件電路設計和軟件編程設計。該電子標簽工作在2.4GHzISM頻段，通過功率擴展芯片RFX2401C提高了標簽的發射功率和接收靈敏度，利用接收功率檢波（RPD）實現載波監聽，解決多標簽的碰撞問題，采用無線喚醒技術有效降低了系統的功耗，利用電源監管功能提高工作穩定性。測試結果表明：該標簽抗干擾能力強，傳輸穩定，工作距離遠且可調。

【關鍵詞】 無線射頻技術 電子標簽 nRF24LE1 RFX2401C

一、引言

射頻識別（RFID）技術是一種無線自動識別技術，是現在最具有發展潛力的技術之一。目前在我國許多方面都用到了射頻識別（RFID）技術，像鐵路車號識別、身份證和票證管理、動物標識、危險物品管理、公共交通以及生產過程管理等多個領域。RFID系統一般包括終端機、RFID中間件、讀寫器和標簽幾個部分。其中電子標簽是其中重要的組成部分。標簽分為有源標簽（主動式）和無源標簽（被動式）。無源標簽有利于減小標簽尺寸和降低成本，但是限制了讀取范圍和數據存儲能力。而有源標簽不但具有無源標簽的特征，還有性能更可靠、距離更遠、壽命更長等優點。本文利用nRF24LE1和RFX2401C芯片設計了一種有源RFID電子標簽，實現了與閱讀器的低功耗、遠距離通信。

二、使用的關鍵技術

2.1 防碰撞的設計

通信的可靠性是設計中的一個關鍵，在多標簽工作時要保證通信的穩定，防碰撞算法的設計尤為重要。利用nRF24LE1隨機數產生功能和接收功率檢波（RPD）功能，可以的設計一個時隙ALOHA算法來解決標簽的防碰撞問題。通過載波監聽的方式來實現防碰撞算法。當有標簽信號發生碰撞時，信號可以隨機退避一個時隙T0的整數倍（nT0），來防止標簽碰撞問題，該時隙T0是讀寫器與標簽的完成一次交換的時間，倍數n是隨機數發生器產生的隨機數。當再次碰撞后，同樣退避一段時間，直到數據發送成功為止。

2.2 低功耗的設計

由于RFID有源標簽為電池供電，為延長電池使用壽命，設計時對功耗性能要求嚴格。nRF24LE1本身就是一款低功耗芯片，在2Kbps采樣速率下電流僅為0.1mA。

nRF24LE1有多種工作模式且其工作模式可以由軟件設置來切換。無線喚醒的設計，通過讀取讀寫器對標簽工作模式的切換：主動發送狀態和被動接收狀態。同時，通過它的實時鐘RTC定時，可以作為芯片掉電休眠的周期喚醒源，實現最大化減小功耗。

2.3 電源監管

電子標簽采用的是電池供電，長時間使用會消耗電量，使得供電電壓不達不到要求的工作電壓，使得工作不穩定甚至停止工作。nRF24LE1的電源監管功能（Brown-out）可以保證電子標簽的正常工作，在電源失效檢測器檢測到電源失效時不進行FLASH擦寫。

2.4 功率擴展

nRF24LE1可以單獨完成標簽的功能，但是在PCB天線的條件下，其工作距離并不遠。為了增加在PCB天線的情況下增加發射距離，本設計增加了RFX2401C集成電路，對nRF24LE1進行功率擴展。

RFX2401C是一款高性能的射頻前端集成電路，配有一個高功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）。給nRF24LE1射頻電路加上RFX2401C可以提高發射功率，提高接收靈敏度，擴大了通信的覆蓋范圍，提供了更可靠通信。發射功率可以提高25～26dB，接收靈敏度可提高26dB～32dB[2]。

三、標簽總體設計方案

標簽設計時，應重點考慮小體積、低成本、低功耗、閱讀距離長且距離可調、電池供電等特性。基于這些因素的考慮，本設計選擇了以nRF24LE1為核心的設計方案。

射頻芯片nRF24LE1是整個標簽設計最核心的部分，它是一款高性價比且內置微控制器的智能2.4GHz射頻收發器的芯片。nRF24LE1采用了抗干擾能力強的GFSK調制解調技術，片內自動生成報頭和CRC校驗碼，具有出錯自動重發的功能，構成的無線傳輸系統具有電路簡單、成本低、速率高等優點。

功率擴展部分，采用RFX2401C對其進行功率擴展，天線采用PCB天線，電源部分采用3.3V紐扣電池供電，如圖1所示。RFX2401的加入，大大增加了標簽的傳輸距離，使信號的傳輸更加穩定可靠。

另外，加入了蜂鳴器報警部分，當電源電源過低時，蜂鳴器鳴叫報警。

四、標簽的硬件設計

電子標簽電路圖如圖2所示。選用nRF24LE1 5×5mm 32腳QFN封裝的芯片，參照Nordic官方技術手冊[1]，選取合適的退耦電容，啟用外接16MHz的晶振。6腳PROG為程序燒寫使能端，19腳RESET為復位端，其余的腳為IO口，可接豐富外設[3]。

單獨使用nRF24LE1時，在貼片天線的情況下，發射距離只在10m～30m，這里采用關鍵技術中的功率擴展技術。如圖3所示，RFX2401C的10腳ANT所連接的C15，C16，L4，構成了一個諧波濾波器，可以濾掉高頻噪聲。在通信要求不高的情況下，可以去掉這個部分。C6起到低通濾波的作用，也是一個可選項。

圖中，蜂鳴器是用來起到欠壓報警的作用，當電源監管檢測到電源電壓低于預設值時，P0.6會給三極管一個低電平，驅動蜂鳴器工作。

RFX2401C的工作模式是由5腳TXEN和6腳RXEN控制，如表1所示。其中TXEN接nRF24LE1的20腳VDD_PA，調試時，只要有發射此腳就會有一個脈沖。RXEN由nRF24LE1的一個IO口控制，這里我們選擇的是P1.4。在接收狀態時將RXEN置高即可。

PCB的設計對標簽性能影響很大，在PCB設計時，應注意元件盡量靠攏芯片四周，底層不放置元件，在空余地方都要鋪銅，盡量多打一些過孔，每一個元件的接地腳都要單獨加一個過孔。為保證晶振起振穩定，晶振底下不能走線。焊接過程中要確保芯片底部接地。

五、系統的軟件設計

標簽系統軟件主程序流程圖如圖3所示。在標簽進入正式工作前先進行電源監管，一旦發生電壓不夠，馬上進入掉電模式，當電壓正常時，進入工作狀態，同時不斷檢測信道狀態，在信道空閑時發射數據。當接收到射頻（RF）數據時，產生RF中斷，處理接收數據。

為達到低功耗的要求，本次設計采用的是主動式標簽，通過設置RTC定時，標簽工作在掉電休眠的周期性喚醒狀態。同時標簽可配置四種工作模式：掉電模式、待機模式、接收模式、發射模式，通過配置CONFIG寄存器來切換[5]。通過定時休眠和工作模式的切換以及nRF24LE1芯片本身的特性，實現了低功耗，故紐扣電池供電即可。

空中速率通過寄存器RF_SETUP寄存器，可設定為250kbps，1Mbps或2Mbps。使用高速率可以獲得較低平均電流，減少空中受干擾和碰撞的機會；使用較低速率可以獲得更好的接收靈敏度。射頻頻道的頻率由RF_CH寄存器的設置。為確保通信成功，接收方和發送方必須設定為同一速率和同一頻道。

5.1 欠壓保護子程序

采用關鍵技術中的電源監管技術，在軟件上實現欠壓保護，通過蜂鳴器報警。通過設置欠壓比較寄存器POFCON，打開電源欠壓比較器，并設置比較電壓，如果供電電壓低于設置值時，將發出欠壓復位信號，電子標簽進入欠壓保護模式，蜂鳴器報警，然后進入掉電模式，其工作流程圖如圖4所示。

5.2 防碰撞子程序

為了避免信號之間的干擾而產生誤碼，增強信號的可靠性十分必要。這里采用載波監聽和時隙ALOHA防碰撞算法的設計，完成了標簽防碰撞的處理。防碰撞流程圖如圖5所示，當監聽到信道忙時，隨機數產生器會產生一個隨機數，配合定時器產生一個隨機退避時間，直到信道空閑時再發送信息。

5.3 RF中斷處理子程序

在接收模式和發射模式下，允許RF中斷。RF中斷處理子程序是在檢測到寄存器STATUS狀態值時產生的。中斷處理子程序流程圖如圖6所示。程序進入中斷后，標簽將接收到的數據存在數組rx_buf中，并清空接收緩存區FIFO的值。完成后退出中斷。

六、結束語

本文對基于nRF24LE1射頻芯片和RFX2401C功率擴展芯片的RFID有源標簽的設計進行了詳細的介紹，由于傳統的基于nRF24LE1射頻芯片設計的標簽無法滿足遠距離傳輸，因此，本設計設計的結合了RFX2401C的功率擴展的特點，合理的利用nRF24LE1的電源監管、載波監聽、隨機數產生器、定時器等功能，并借助軟件的設計，對耗能低的nRF24LE1的進行了最大化減小功耗。此外，這種RFID有源標簽還在很大程度上解決了遠距離、高速移動、抗干擾等問題。本RFID標簽與配套的閱讀器可以組成物品識別或人員定位系統，可廣泛應用于物流運輸、工業生產、采礦、車輛識別等眾多領域[8]。