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UHF频段无源RFID读写器系统设计分析
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2017-11-14
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射频识别技术
RFID技术是利用无线射频方式进行非接触双向通信，自动识别目标对象并获取相关信息数据的无线通信技术。它可实现对运动目标的快速识别和多目标识别，识 别的距离可达几十厘米至几十米；根据读写的方式，可以输入数千字节的自定义信息到电子标签，间接管理附带有电子标签的产品的信息；RFID技术具有非接触 性，识别工作无须人工干预，具有极高的保密性；RFID电子标签不同于磁卡或IC卡，无暴露的触点，且不易损坏，使用寿命长，可工作于各种恶劣环境。
基于以上特点，RFID技术在世界各地得到了广泛的应用，主要有商品防伪、交通运输、自动控制、工业生产、身份识别、仓库管理、安全管理、医疗、卫生、畜牧业管理、图书档案管理和国防军事等诸多应用领域。
射频识别系统一般由读写器、电子标签、天线和主机四部分组成，如图1所示。
图1 无源RFID系统框图
射频识别系统的工作流程并不复杂：主机通过与读写器的数据传输通道发送用户命令；读写器接收命令，对信号进行编码和调制后，通过发射天线在一定的区域内发 送出去；标签进入磁场后，接收到读写器发出的射频信号，感应电流获得能量，完成数据的存储、发送或其他操作：读写器通过接收天线接收到电子标签返回的数 据，进行解码和解调，必要时将处理后的数据送至主机；主机接收到读写器送回的数据，进行相关的处理。
总体设计方案
为设计出能稳定工作在UHF频段的无源RFID读写器，并尽可能提高其读写距离，使该无源RFID读写模块能够跟建筑设备物联网很好地融合，实现对建筑设备内的人员检测、定位，给建筑用电设备节能提供人员信息。方案对射频识别系统的开发流程进行了细化。
该方案按照模块化的思想进行设计，方便开发、管理、系统升级和维护。总体来说，无源RFID读写器主要由三大部分构成：射频收发模块、MCU主控模块和外围电路。射频收发模块处理读写器与电子标签的数据通信。该模块的设计目标是设计出一款通用的应用于915MHz的射频收发模块，与控制部分通过自定义的I／O接口和函数联系。外围电路中，根据设计和实际应用的需要，又细分为：MCU控制模块、无源RFID射频模块、复位电路模块、电源管理模块、RS232接口、扩展I／O口等。
UHF频段无源RFID读写器系统结构如图3所示：
图2 UFH频段无源RFID读写器系统结构框图
在整个读写器系统中，RFID射频收发模块的功能是接收上位机的命令，根据命令对信息进行编码和调制，通过天线发送出去以控制电子标签进行相关的读写操 作，并接收来自电子标签的信号，对该信号进行解调和解码，确定是佩戴该电子标签的人员信息。在选择射频芯片时，主要参考以下指标：
芯片发射功率发射功率决定了射频芯片的信号覆盖范围，发射功率越高，信号覆盖范围也越广，因此，在同等条件下为保证有效通信，应该选择发射功率较高、功率调节范围更大的产品。芯片抗干扰能力无线通信易受干扰，因此，为保证数据通信的可靠性，应该选择抗干扰能力强的芯片。芯片功耗在保证数据有效通信的前提下，应该选用芯片功耗较小的产品。芯片外围元器件数目芯片外围元器件数目一方面影响产品成本，一方面对元器件的焊接和调试有影响，因此应该选用外围元器件较少的芯片。
使用方便性应该选用使用和编程都方便的芯片，降低产品开发的难度和周期。
根据以上指标原则，同时根据设计的实际需要，如价格、性能参数等多方面的考虑，nRF905在扩展功能、外围元器件和使用方便性等方面有较好的优势，因此，方案采用nRF905作为本设计射频收发模块采用的主芯片。
nRF905单片无线收发器工作在433／868／915 MHz的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成；可由片内硬件自动完成曼彻斯 特编码／解码，不用用户编写编码／解码程序；具有SPI接口，可以很容易通过该接口与具有SPI接口的微控制器通讯，编程配置非常方便；电流消耗很低。
该设计采用宏晶科技的STC12C5A60S2单片机，STC12C5A60S2单片机具有以下几个特点：STC12C5A60S2单片机与MCS-51 系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；片内有8k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；全静态工作，工作范围：0Hz～24MHz；三级程序存储器加 密；512字节内部RAM；32位双向输入输出线；两个十六位定时器/计数器；五个中断源，两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；间歇和掉电两种工作 方式。采用该款单片机足以满足本设计方案的需要。
RFID技术是利用无线射频方式进行非接触双向通信，自动识别目标对象并获取相关信息数据的无线通信技术。它可实现对运动目标的快速识别和多目标识别，识 别的距离可达几十厘米至几十米；根据读写的方式，可以输入数千字节的自定义信息到电子标签，间接管理附带有电子标签的产品的信息；RFID技术具有非接触 性，识别工作无须人工干预，具有极高的保密性；RFID电子标签不同于磁卡或IC卡，无暴露的触点，且不易损坏，使用寿命长，可工作于各种恶劣环境。
基于以上特点，RFID技术在世界各地得到了广泛的应用，主要有商品防伪、交通运输、自动控制、工业生产、身份识别、仓库管理、安全管理、医疗、卫生、畜牧业管理、图书档案管理和国防军事等诸多应用领域。
射频识别系统一般由读写器、电子标签、天线和主机四部分组成，如图1所示。
图1 无源RFID系统框图
射频识别系统的工作流程并不复杂：主机通过与读写器的数据传输通道发送用户命令；读写器接收命令，对信号进行编码和调制后，通过发射天线在一定的区域内发 送出去；标签进入磁场后，接收到读写器发出的射频信号，感应电流获得能量，完成数据的存储、发送或其他操作：读写器通过接收天线接收到电子标签返回的数 据，进行解码和解调，必要时将处理后的数据送至主机；主机接收到读写器送回的数据，进行相关的处理。
总体设计方案
为设计出能稳定工作在UHF频段的无源RFID读写器，并尽可能提高其读写距离，使该无源RFID读写模块能够跟建筑设备物联网很好地融合，实现对建筑设备内的人员检测、定位，给建筑用电设备节能提供人员信息。方案对射频识别系统的开发流程进行了细化。
该方案按照模块化的思想进行设计，方便开发、管理、系统升级和维护。总体来说，无源RFID读写器主要由三大部分构成：射频收发模块、MCU主控模块和外围电路。射频收发模块处理读写器与电子标签的数据通信。该模块的设计目标是设计出一款通用的应用于915MHz的射频收发模块，与控制部分通过自定义的I／O接口和函数联系。外围电路中，根据设计和实际应用的需要，又细分为：MCU控制模块、无源RFID射频模块、复位电路模块、电源管理模块、RS232接口、扩展I／O口等。
UHF频段无源RFID读写器系统结构如图3所示：
图2 UFH频段无源RFID读写器系统结构框图
在整个读写器系统中，RFID射频收发模块的功能是接收上位机的命令，根据命令对信息进行编码和调制，通过天线发送出去以控制电子标签进行相关的读写操 作，并接收来自电子标签的信号，对该信号进行解调和解码，确定是佩戴该电子标签的人员信息。在选择射频芯片时，主要参考以下指标：
芯片发射功率发射功率决定了射频芯片的信号覆盖范围，发射功率越高，信号覆盖范围也越广，因此，在同等条件下为保证有效通信，应该选择发射功率较高、功率调节范围更大的产品。芯片抗干扰能力无线通信易受干扰，因此，为保证数据通信的可靠性，应该选择抗干扰能力强的芯片。芯片功耗在保证数据有效通信的前提下，应该选用芯片功耗较小的产品。芯片外围元器件数目芯片外围元器件数目一方面影响产品成本，一方面对元器件的焊接和调试有影响，因此应该选用外围元器件较少的芯片。
使用方便性应该选用使用和编程都方便的芯片，降低产品开发的难度和周期。
根据以上指标原则，同时根据设计的实际需要，如价格、性能参数等多方面的考虑，nRF905在扩展功能、外围元器件和使用方便性等方面有较好的优势，因此，方案采用nRF905作为本设计射频收发模块采用的主芯片。
nRF905单片无线收发器工作在433／868／915 MHz的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成；可由片内硬件自动完成曼彻斯 特编码／解码，不用用户编写编码／解码程序；具有SPI接口，可以很容易通过该接口与具有SPI接口的微控制器通讯，编程配置非常方便；电流消耗很低。
该设计采用宏晶科技的STC12C5A60S2单片机，STC12C5A60S2单片机具有以下几个特点：STC12C5A60S2单片机与MCS-51 系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；片内有8k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；全静态工作，工作范围：0Hz～24MHz；三级程序存储器加 密；512字节内部RAM；32位双向输入输出线；两个十六位定时器/计数器；五个中断源，两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；间歇和掉电两种工作 方式。采用该款单片机足以满足本设计方案的需要。
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