基于MSP430單片機(jī)控制的RFID設(shè)計(jì)

唐娣

摘?；要：本文介紹了基于無線射頻識(shí)別技術(shù)的一種近距離無線識(shí)別裝置，該裝置主要由閱讀器、應(yīng)答器和射頻耦合線圈三部分組成，采用MSP430單片機(jī)和AT89S52單片機(jī)作為主控器件。裝置單元包括：射頻讀寫模塊電路的設(shè)計(jì)、微控制單元電路的設(shè)計(jì)、串行通信電路的設(shè)計(jì)、射頻輸出功放電路的設(shè)計(jì)、射頻輸入信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)和天線的設(shè)計(jì)等。本系統(tǒng)最終可以實(shí)現(xiàn)近距離數(shù)據(jù)信息的傳輸和顯示，遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸有待進(jìn)一步研究開發(fā)。

關(guān)鍵詞：無線射頻識(shí)別技術(shù)?；MSP430?；AT89S52?；射頻耦合

無線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID，既Radio Frequency Identification。也稱為微波射頻識(shí)別技術(shù)）是從20世紀(jì)80年代起走向成熟的——非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的成熟，無線射頻識(shí)別系統(tǒng)的體積大大縮小，所以目前已進(jìn)入實(shí)用化的階段。它利用射頻方式進(jìn)行非接觸方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別的目的，并且可以交換數(shù)據(jù)。RFID與目前廣泛應(yīng)用的條碼技術(shù)不同，它可以提供自動(dòng)的數(shù)據(jù)采集，不需要人的干預(yù)。RFID有效地替代了文書操作，可以提供無可辯駁的電子數(shù)據(jù)驗(yàn)證和時(shí)間戳，因此其應(yīng)用更加廣泛。

一、系統(tǒng)概述

1.系統(tǒng)功能要求

設(shè)計(jì)制作一套無線識(shí)別裝置，該裝置由閱讀器、應(yīng)答器和耦合線圈組成，其方框圖如圖1所示。

在裝置圖中閱讀器、應(yīng)答器均具有無線傳輸功能，頻率和調(diào)制方式自由選定。閱讀器能識(shí)別應(yīng)答器的有無、編碼和存儲(chǔ)信息。在裝置中的耦合線圈為圓形空芯線圈，用直徑φ1mm的漆包線密繞10圈制成。線圈直徑為φ6.6cm（用直徑φ6.6cm左右的易拉罐作為骨架，繞好后取下）。線圈間的介質(zhì)為空氣。兩個(gè)耦合線圈最接近部分的間距定義為D。

圖1?；無線識(shí)別裝置方框圖

應(yīng)答器所需電源能量全部從耦合線圈獲得（通過對(duì)耦合到的信號(hào)進(jìn)行整流濾波得到能量），閱讀器采用單電源供電，采用發(fā)光二極管顯示識(shí)別結(jié)果。閱讀器能正確讀出并顯示應(yīng)答器上預(yù)置的四位二進(jìn)制編碼，能在D盡可能大的情況下，識(shí)別應(yīng)答器的有無。耦合線圈間距D≥2cm。應(yīng)答器增加編碼預(yù)置功能，可以用開關(guān)預(yù)置四位二進(jìn)制編碼。閱讀器能正確識(shí)別并顯示應(yīng)答器的預(yù)置編碼。耦合線圈間距D≥2cm。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基本射頻系統(tǒng)至少由兩部分組成：讀寫器和應(yīng)答器，另外還有耦合天線、主機(jī)等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和射頻系統(tǒng)的工作原理，我們?cè)O(shè)計(jì)的這套裝置由閱讀器和應(yīng)答器、射頻耦合線圈三部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)的基本工作原理：移動(dòng)應(yīng)答器線圈使它進(jìn)入閱讀器線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)后，若應(yīng)答器線圈收到閱讀器線圈發(fā)出的射頻信號(hào)，應(yīng)答器就可以憑借感應(yīng)電流所獲得的能量將存儲(chǔ)在其中的信息發(fā)送出去，閱讀器讀取并解碼后，就能還原出應(yīng)答器中的信息。

圖2?；無線識(shí)別裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

二、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

1.閱讀器電路設(shè)計(jì)

閱讀器電路主要由閱讀器微控制單元與顯示模塊，振蕩電路模塊，發(fā)射模塊及數(shù)字信號(hào)調(diào)節(jié)幾部分組成。

（1）閱讀器微控制單元與顯示模塊設(shè)計(jì)。微控制單元使用AT89S52單片機(jī)。使用該單片機(jī)作為主控器成本較低，且完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）振蕩電路模塊實(shí)現(xiàn)。用反相器CD4069產(chǎn)生4.096MHz的頻率，經(jīng)過CD4024分頻得到128kHz的振蕩頻率。

（3） 發(fā)射模塊設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中考慮到由于閱讀器是通過耦合發(fā)射功率給應(yīng)答器供電，所以對(duì)閱讀器的發(fā)射功率有一定的要求，故采用3DA1C來實(shí)現(xiàn)閱讀器的發(fā)射功率。

（4）數(shù)字信號(hào)解調(diào)。通過對(duì)閱讀器發(fā)射線圈上的信號(hào)檢波得到了應(yīng)答器發(fā)出的數(shù)字信號(hào)，由于信號(hào)較弱不能直接被閱讀器讀取，所以采用運(yùn)算放大器放大，又經(jīng)4069反相器整形，最后得到數(shù)字信號(hào)送入閱讀器單片機(jī)串口。

2.應(yīng)答器電路設(shè)計(jì)

應(yīng)答器電路主要由耦合供電模塊及微控制撥碼模塊兩部分組成。

（1）耦合供電模塊設(shè)計(jì)。在應(yīng)答器中采用橋式整流電路，整流二極管采用的是硝特基超低壓降高頻二極管用來增加能量的利用率。濾波電容采用微封裝高內(nèi)阻鉭電容，以減少濾波時(shí)的能量損耗。在后級(jí)增加3.3V穩(wěn)壓塊防止感應(yīng)電壓過高，保證電路穩(wěn)定工作。

肖特基整流管僅用一種載流子（電子）輸送電荷，在勢(shì)壘外側(cè)無過剩少數(shù)載流子的積累，因此，不存在電荷儲(chǔ)存問題（QRR→0），使開關(guān)特性獲得明顯改善。其反向恢復(fù)時(shí)間已能縮短到10ns以內(nèi)。但它的反向耐壓值較低，一般不超過100V。因此適宜在低壓、大電流情況下工作。利用其低壓降這一特點(diǎn)，能提高低壓、大電流整流（或續(xù)流）電路的效率 。

（2）微控制撥碼模塊設(shè)計(jì)。微控制電路采用MSP430作為主控器件，既可實(shí)現(xiàn)與閱讀器的通信任務(wù)，又可對(duì)閱讀器發(fā)回的信息進(jìn)行存儲(chǔ)，該單片機(jī)為極低功耗的微處理器。

（3）MSP430單片機(jī)的特點(diǎn)。MSP430系列單片機(jī)的迅速發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，主要取決于以下特點(diǎn)。

一是強(qiáng)大的處理能力。MSP430系列單片機(jī)采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125 ns。

二是在運(yùn)算速度方面，MSP430系列單片機(jī)能在8MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)125ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如FFT等）。

三是MSP430系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)求將它喚醒只用6us。

四是超低功耗。MSP430單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷杭办`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。

三、軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的主要作用是用來控制MSP430以及AT89S52，當(dāng)應(yīng)答器中有電流后，程序開始采集撥碼、編碼、串口發(fā)送，把信號(hào)送回閱讀器部分，閱讀器開始數(shù)據(jù)的接收、解碼到最后的顯示。

1.應(yīng)答器軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)答器在該系統(tǒng)中的功能是采集系統(tǒng)撥碼開關(guān)狀態(tài)及轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)編碼發(fā)送到閱讀器，具體流程圖如圖3所示。

圖3?；應(yīng)答器流程圖

系統(tǒng)在上電復(fù)位后開始初始化設(shè)置，初始化設(shè)置包括對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)端口的初始化，對(duì)看門狗的初始化和對(duì)定時(shí)捕獲功能的初始化。數(shù)據(jù)口P0對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)撥碼開關(guān)，在系統(tǒng)初始化完成后開始采集P0口數(shù)據(jù)，單片機(jī)系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)據(jù)編碼，系統(tǒng)開始發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送起始位0XAA，循環(huán)發(fā)送采集數(shù)據(jù)。

2.閱讀器程序設(shè)計(jì)

主要是將從應(yīng)答器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信號(hào)接收并解碼顯示，具體流程圖如圖4所示。系統(tǒng)在上電復(fù)位后開始初始化程序，初始化程序主要包括對(duì)串口的初始化，主要設(shè)定串口波特率及串口中斷。在初始化后等待數(shù)據(jù)接收，當(dāng)有數(shù)據(jù)接收后進(jìn)入中斷程序，將接收數(shù)據(jù)解碼并顯示。

圖4?；閱讀器流程圖

四、系統(tǒng)調(diào)試及測(cè)試結(jié)果

1.硬件調(diào)試

（1）按照題目要求先將線圈繞好后，再使用電感測(cè)量?jī)x將其電感值測(cè)出，根據(jù)預(yù)定頻率計(jì)算后確定并聯(lián)電容值。

（2）采用并聯(lián)諧振法對(duì)整個(gè)諧振LC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)量和微調(diào)，使其共振頻率正好在128kHz。

（3）在制作整個(gè)諧振放大電路后，輸入128kHz方波信號(hào)，接通電源（同時(shí)監(jiān)視工作電流值，防止功放管的擊穿）。在另一諧振回路并入發(fā)光二極管靠近諧振放大回路，觀察發(fā)光二極管的亮度。

（4）測(cè)量流過的電流值，對(duì)LC諧振回路進(jìn)行微調(diào)，使其處于最佳工作狀態(tài)。

（5） 先對(duì)應(yīng)答器諧振回路進(jìn)行功率調(diào)制，然后在閱讀器端取出信號(hào)進(jìn)行處理后，使用示波器觀察波形，最后進(jìn)行編碼調(diào)制。

2.軟件調(diào)試

首先使用偉福編譯軟件，源程序編譯及仿真調(diào)試應(yīng)分段或以子程序?yàn)閱挝灰粋€(gè)一個(gè)地進(jìn)行，最后結(jié)合硬件實(shí)時(shí)運(yùn)行調(diào)試。

3.測(cè)試結(jié)果

耦合線圈距離D對(duì)顯示正確率的影響如下表所示。

表?；耦合線圈距離D與顯示率的關(guān)系

D（cm） 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

正確顯示（%） 98 98 96 93 92 90 89 88 86 84

響應(yīng)時(shí)間（s） 0.7 1 1 1.2 1.2 2 2 2.1 2.3 2.3

五、小結(jié)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成題目要求，但還存在不足之處。在諧振回路當(dāng)中，回路未處于最佳工作狀態(tài)，其原因是線圈存在分布電容不能完全耦合，使回路效率不夠高，限制了耦合線圈距離的進(jìn)一步加大，未獲得理想的調(diào)試結(jié)果。由于電路采用128kHz工作頻率，所以會(huì)使應(yīng)答器獲得較大功率，但是存在效率較低的現(xiàn)象，因此采用集成化制作工藝可使功耗降低、效率提高。本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)近距離數(shù)據(jù)信息的傳輸和顯示，但遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸有待進(jìn)一步的研究開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1]游戰(zhàn)清，李蘇劍.無線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]蔣甲生.無線射頻識(shí)別技術(shù)探討[J].科技信息，2007（24）.