基于nRF24LE1的有源RFID電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

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(kuò)展芯片的有源RFID電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)，包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程設(shè)計(jì)。該電子標(biāo)簽工作在2.4GHzISM頻段，通過功率擴(kuò)展芯片RFX2401C提高了標(biāo)簽的發(fā)射功率和接收靈敏度，利用接收功率檢波（RPD）實(shí)現(xiàn)載波監(jiān)聽，解決多標(biāo)簽的碰撞問題，采用無線喚醒技術(shù)有效降低了系統(tǒng)的功耗，利用電源監(jiān)管功能提高工作穩(wěn)定性。測(cè)試結(jié)果表明：該標(biāo)簽抗干擾能力強(qiáng)，傳輸穩(wěn)定，工作距離遠(yuǎn)且可調(diào)。

【關(guān)鍵詞】 無線射頻技術(shù) 電子標(biāo)簽 nRF24LE1 RFX2401C

一、引言

射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)是一種無線自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，是現(xiàn)在最具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。目前在我國許多方面都用到了射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)，像鐵路車號(hào)識(shí)別、身份證和票證管理、動(dòng)物標(biāo)識(shí)、危險(xiǎn)物品管理、公共交通以及生產(chǎn)過程管理等多個(gè)領(lǐng)域。RFID系統(tǒng)一般包括終端機(jī)、RFID中間件、讀寫器和標(biāo)簽幾個(gè)部分。其中電子標(biāo)簽是其中重要的組成部分。標(biāo)簽分為有源標(biāo)簽（主動(dòng)式）和無源標(biāo)簽（被動(dòng)式）。無源標(biāo)簽有利于減小標(biāo)簽尺寸和降低成本，但是限制了讀取范圍和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。而有源標(biāo)簽不但具有無源標(biāo)簽的特征，還有性能更可靠、距離更遠(yuǎn)、壽命更長等優(yōu)點(diǎn)。本文利用nRF24LE1和RFX2401C芯片設(shè)計(jì)了一種有源RFID電子標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)了與閱讀器的低功耗、遠(yuǎn)距離通信。

二、使用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 防碰撞的設(shè)計(jì)

通信的可靠性是設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵，在多標(biāo)簽工作時(shí)要保證通信的穩(wěn)定，防碰撞算法的設(shè)計(jì)尤為重要。利用nRF24LE1隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生功能和接收功率檢波（RPD）功能，可以的設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)隙ALOHA算法來解決標(biāo)簽的防碰撞問題。通過載波監(jiān)聽的方式來實(shí)現(xiàn)防碰撞算法。當(dāng)有標(biāo)簽信號(hào)發(fā)生碰撞時(shí)，信號(hào)可以隨機(jī)退避一個(gè)時(shí)隙T0的整數(shù)倍（nT0），來防止標(biāo)簽碰撞問題，該時(shí)隙T0是讀寫器與標(biāo)簽的完成一次交換的時(shí)間，倍數(shù)n是隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)。當(dāng)再次碰撞后，同樣退避一段時(shí)間，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功為止。

2.2 低功耗的設(shè)計(jì)

由于RFID有源標(biāo)簽為電池供電，為延長電池使用壽命，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)功耗性能要求嚴(yán)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(shè)置來切換。無線喚醒的設(shè)計(jì)，通過讀取讀寫器對(duì)標(biāo)簽工作模式的切換：主動(dòng)發(fā)送狀態(tài)和被動(dòng)接收狀態(tài)。同時(shí)，通過它的實(shí)時(shí)鐘RTC定時(shí)，可以作為芯片掉電休眠的周期喚醒源，實(shí)現(xiàn)最大化減小功耗。

2.3 電源監(jiān)管

電子標(biāo)簽采用的是電池供電，長時(shí)間使用會(huì)消耗電量，使得供電電壓不達(dá)不到要求的工作電壓，使得工作不穩(wěn)定甚至停止工作。nRF24LE1的電源監(jiān)管功能（Brown-out）可以保證電子標(biāo)簽的正常工作，在電源失效檢測(cè)器檢測(cè)到電源失效時(shí)不進(jìn)行FLASH擦寫。

2.4 功率擴(kuò)展

nRF24LE1可以單獨(dú)完成標(biāo)簽的功能，但是在PCB天線的條件下，其工作距離并不遠(yuǎn)。為了增加在PCB天線的情況下增加發(fā)射距離，本設(shè)計(jì)增加了RFX2401C集成電路，對(duì)nRF24LE1進(jìn)行功率擴(kuò)展。

RFX2401C是一款高性能的射頻前端集成電路，配有一個(gè)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(fā)射功率，提高接收靈敏度，擴(kuò)大了通信的覆蓋范圍，提供了更可靠通信。發(fā)射功率可以提高25～26dB，接收靈敏度可提高26dB～32dB[2]。

三、標(biāo)簽總體設(shè)計(jì)方案

標(biāo)簽設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮小體積、低成本、低功耗、閱讀距離長且距離可調(diào)、電池供電等特性。基于這些因素的考慮，本設(shè)計(jì)選擇了以nRF24LE1為核心的設(shè)計(jì)方案。

射頻芯片nRF24LE1是整個(gè)標(biāo)簽設(shè)計(jì)最核心的部分，它是一款高性價(jià)比且內(nèi)置微控制器的智能2.4GHz射頻收發(fā)器的芯片。nRF24LE1采用了抗干擾能力強(qiáng)的GFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼，具有出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)的功能，構(gòu)成的無線傳輸系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單、成本低、速率高等優(yōu)點(diǎn)。

功率擴(kuò)展部分，采用RFX2401C對(duì)其進(jìn)行功率擴(kuò)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(biāo)簽的傳輸距離，使信號(hào)的傳輸更加穩(wěn)定可靠。

另外，加入了蜂鳴器報(bào)警部分，當(dāng)電源電源過低時(shí)，蜂鳴器鳴叫報(bào)警。

四、標(biāo)簽的硬件設(shè)計(jì)

電子標(biāo)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(shù)手冊(cè)[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(fù)位端，其余的腳為IO口，可接豐富外設(shè)[3]。

單獨(dú)使用nRF24LE1時(shí)，在貼片天線的情況下，發(fā)射距離只在10m～30m，這里采用關(guān)鍵技術(shù)中的功率擴(kuò)展技術(shù)。如圖3所示，RFX2401C的10腳ANT所連接的C15，C16，L4，構(gòu)成了一個(gè)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(gè)部分。C6起到低通濾波的作用，也是一個(gè)可選項(xiàng)。

圖中，蜂鳴器是用來起到欠壓報(bào)警的作用，當(dāng)電源監(jiān)管檢測(cè)到電源電壓低于預(yù)設(shè)值時(shí)，P0.6會(huì)給三極管一個(gè)低電平，驅(qū)動(dòng)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(diào)試時(shí)，只要有發(fā)射此腳就會(huì)有一個(gè)脈沖。RXEN由nRF24LE1的一個(gè)IO口控制，這里我們選擇的是P1.4。在接收狀態(tài)時(shí)將RXEN置高即可。

PCB的設(shè)計(jì)對(duì)標(biāo)簽性能影響很大，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)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(gè)元件的接地腳都要單獨(dú)加一個(gè)過孔。為保證晶振起振穩(wěn)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(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

標(biāo)簽系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖3所示。在標(biāo)簽進(jìn)入正式工作前先進(jìn)行電源監(jiān)管，一旦發(fā)生電壓不夠，馬上進(jìn)入掉電模式，當(dāng)電壓正常時(shí)，進(jìn)入工作狀態(tài)，同時(shí)不斷檢測(cè)信道狀態(tài)，在信道空閑時(shí)發(fā)射數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到射頻（RF）數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生RF中斷，處理接收數(shù)據(jù)。

為達(dá)到低功耗的要求，本次設(shè)計(jì)采用的是主動(dòng)式標(biāo)簽，通過設(shè)置RTC定時(shí)，標(biāo)簽工作在掉電休眠的周期性喚醒狀態(tài)。同時(shí)標(biāo)簽可配置四種工作模式：掉電模式、待機(jī)模式、接收模式、發(fā)射模式，通過配置CONFIG寄存器來切換[5]。通過定時(shí)休眠和工作模式的切換以及nRF24LE1芯片本身的特性，實(shí)現(xiàn)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(shè)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(jī)會(huì)；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(shè)置。為確保通信成功，接收方和發(fā)送方必須設(shè)定為同一速率和同一頻道。

5.1 欠壓保護(hù)子程序

采用關(guān)鍵技術(shù)中的電源監(jiān)管技術(shù)，在軟件上實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)，通過蜂鳴器報(bào)警。通過設(shè)置欠壓比較寄存器POFCON，打開電源欠壓比較器，并設(shè)置比較電壓，如果供電電壓低于設(shè)置值時(shí)，將發(fā)出欠壓復(fù)位信號(hào)，電子標(biāo)簽進(jìn)入欠壓保護(hù)模式，蜂鳴器報(bào)警，然后進(jìn)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(hào)之間的干擾而產(chǎn)生誤碼，增強(qiáng)信號(hào)的可靠性十分必要。這里采用載波監(jiān)聽和時(shí)隙ALOHA防碰撞算法的設(shè)計(jì)，完成了標(biāo)簽防碰撞的處理。防碰撞流程圖如圖5所示，當(dāng)監(jiān)聽到信道忙時(shí)，隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，配合定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)退避時(shí)間，直到信道空閑時(shí)再發(fā)送信息。

5.3 RF中斷處理子程序

在接收模式和發(fā)射模式下，允許RF中斷。RF中斷處理子程序是在檢測(cè)到寄存器STATUS狀態(tài)值時(shí)產(chǎn)生的。中斷處理子程序流程圖如圖6所示。程序進(jìn)入中斷后，標(biāo)簽將接收到的數(shù)據(jù)存在數(shù)組rx_buf中，并清空接收緩存區(qū)FIFO的值。完成后退出中斷。

六、結(jié)束語

本文對(duì)基于nRF24LE1射頻芯片和RFX2401C功率擴(kuò)展芯片的RFID有源標(biāo)簽的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，由于傳統(tǒng)的基于nRF24LE1射頻芯片設(shè)計(jì)的標(biāo)簽無法滿足遠(yuǎn)距離傳輸，因此，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的結(jié)合了RFX2401C的功率擴(kuò)展的特點(diǎn)，合理的利用nRF24LE1的電源監(jiān)管、載波監(jiān)聽、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器、定時(shí)器等功能，并借助軟件的設(shè)計(jì)，對(duì)耗能低的nRF24LE1的進(jìn)行了最大化減小功耗。此外，這種RFID有源標(biāo)簽還在很大程度上解決了遠(yuǎn)距離、高速移動(dòng)、抗干擾等問題。本RFID標(biāo)簽與配套的閱讀器可以組成物品識(shí)別或人員定位系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于物流運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)、采礦、車輛識(shí)別等眾多領(lǐng)域[8]。