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基于MSC1211单片机的RFID接收系统设计
作者：朱兵 龙侃 周旭艳 彭宣戈
来源：RFID世界网
日期：2007-04-29 15:10:13
摘要：为了满足现有和新兴RFID标准的要求，设计了一种以MSC1211单片机为控制核心的高频RFID接收系统。介绍了MSC1211单片机的特点与性能，阐述了RFID接收系统基带电路的工作原理，叙述了接收器的程序设计方法并给出了程序流程图。
关键词：MSC1211单片机
1引言
射频识别技术RFID（Radio Frequency Identification，）是一种非接触的自动识别技术，利用射频信号及其空间耦合和传输特性进行的非接触双向通信，数据交换不是通过电流的触点接通而是通过电场与磁场，即通过无线的方式通信，实现对静止或移动物体的自动识别。目前我国对于RFID技术的研究仍然停留在低频RFID领域的初级阶段，其低频RFID接收器存在识别距离近、精度低、功耗大以及抗干扰差等缺点。为了适用于要求识别距离长、读写数据率高、抗干扰性强的各种场合，我们设计了一种高性能的超高频率射频识别接收系统。该系统可直接转换解调800MHzZH至1.5GHz的频率范围，完全覆盖了RFID阅读器所使用的UHF频段，并在射频接收电路中采用了4片功耗低、高精度、强抗干扰性的凌特芯片，达到了简化系统电路的目的，提高了接收系统的可靠性。
2接收系统整体设计
射频识别接收系统主要功能是接收和解码电子标签的代码信息并加以处理，因此接收系统主要由信号接收电路、放大电路、低通滤波电路与信息处理单元MSC1211四部分组成，其中信号接收电路、放大电路、低通滤波电路构成了射频接收系统的基带电路。系统总体结构如图1所示。
图1 接收系统总体结构图
由图1可知，发送器与接收器所共用的天线负责检测RF载波并通过一个带通滤波器将信号传送至解调器的RF输入，解调器将信号解调后送入运算放大器放大输出，再用于驱动低通滤波器的单端输入，低通滤波器对信号进行基带滤波处理后送入MSC1211单片机的A/D引脚进行模数转换。
2.1 MSC1211单片机
MSC1211单片机是美国德州仪器公司最新推出的集成数字/模拟混合信号的高性能芯片，具有很高的计算速度，时钟频率达到33MHZ，降低了系统噪声和电源功耗，提高了对接收的信号射频数据处理能力；MSC1211内部集成了一个24位分辨率的模数转换器，使A/D转换精度达到24位，提高了转换数据的精确度。MSC1211芯片是整个系统的控制核心，其主要功能是负责对来自多个标签的接收信号进行分析处理，并提供附加的滤波处理。
2.2 解调器与运算放大器
RF解调器采用了凌特公司的LT5516芯片，该芯片直接转换解调器800MHzZH至1.5GHz的频率范围。LT5516超群的线性提供了对低电平信号的高灵敏度，即使在很大的干扰信号下也不会受到影响。运算放大器采用了凌特公司的LT6231芯片，该芯片起一个差分至单端放大器的作用，用于驱动低通滤波器的单端输入。LT5516的差分I或Q输出转换为一个单端输出的LT6231差分放大器。电路如图2所示。
图2 基带接口电路
由图2可知，在60Ω电阻器的两端增设270pF外部电容可将解调器的输出限制为10MHz，以防止任何高频干扰传送至LT6231放大器。由于幅移键控RFID信号无需DC偶合，因此对基带放大器采用了AC偶合。其中 AC偶合电容器和放大器输入电阻器提供的高通极点被设定为8kHz，差分放大器的输入电阻其电阻值被设定为140Ω，可以最大限度地降低与输入相关的噪声。
2.3低通滤波电路
模拟基带滤波处理采用凌特公司LT1568芯片来完成，它是一个低噪声、精准RC滤波器单元式部件，并且它还提供了100kHz~10MHz截止频率的低通和带通滤波器的简单解决方案，对于UHF RFID系统中常用的250kHz~4MHz信号频谱，这些截止频率完全可以满足RFID通信的需要。在该系统设计中，采用了两个LT1568芯片连接成双通道、四阶滤波电路。其中LT1568滤波器的单端输入至差分输出转换增益为6dB，阻带衰减为34dB。I和Q滤波器匹配由LT1568的A和B侧的固有匹配进行保证，实现了一个椭圆低通滤波函数功能。电路如图3所示。
图3 双通道、四阶滤波电路
2.4 LCD显示与USB接口电路
LCD显示采用字符型LCD显示模块DMC24138芯片，该芯片把点阵液晶显示器FRD7168、点阵驱动器HD44100与控制器HD44780等芯片集成在同一块双面印刷电路板上。HD44780是日立公司生产的LCD显示器的专用控制芯片，通过该芯片的内部I/O缓冲器接收MSC1211单片机利用读写、RS等引脚上送来的控制命令，实现单片机与HD44780之间指令、数据和状态信息的传送。我们选择了无需外部元件的UART转USB芯片CP2101芯片。该芯片具有低功耗、高速度的特性，符合USB2.0规范，满足了MSC1211单片机与PC主机高速通信的需求。
3 软件设计
射频识别接收系统的主要任务是：当电子标签进入阅读器有效距离范围内时，从标签中解读出信息。所读取的信息在LCD上显示，也可通过USB接口传送到PC主机作进一步的处理。程序的主要流程如图4所示。
图4 主程序流程图
3.1 初始化程序
将程序用到的I/O口与寄存器进行分配和初始化，避免发生冲突。
3.2 采样及处理程序
先判断是否进入睡眠时间范围。如果进入了，就开始检测是否有高电平到来；如果高电平到来就准备采样。采样点必须大致位于每一位的中间，因此要适当的延长一段时间，一共要检测完电子标签的有效ID位。为了提高RIFD的可靠性与安全性，对于同一标签必须连续采样5次。如果每次采样所得到的有效ID位均相同，则采样成功。
3.3 LCD显示程序
对LCD液晶屏要使用到的I/O口进行分配与初始化，根据处理结果将相应的电子标签信息进行显示。
3.4 USB与主机通信程序
当PC机向阅读器发送一个读取电子标签ID的控制命令后，阅读器开始采样，并将读取到的数据送入缓冲器中，然后通过USB接口电路将数据上传到PC机后再作进一步处理。
3.5数据校验
使用RF技术传输数据时很容易受外界的干扰，使传输的数据发生改变导致错误。校验是用以识别并以一定的措施进行数据校正的方法。在电路设计中经常使用的校验方法有循环冗余校验法(CRC)、海明码、奇偶校验码等，我们的设计中采用了最为简单的检错码——奇偶校验码。奇偶校验是一种简单的广泛使用的校验方法。这种方法是把个奇偶校验位组合到每一字节中，并被传输，即每字节发送九位，在数据传输前必须确定是用偶数校验还是用奇数校验，以保证发射器和接收器二者都用同样的方法进行校验。本设计采用偶数校验。
4总结
本系统创新点在于设计了一种直接转换RF射频识别信号的UHF射频接收系统，无需中频下变频转换电路，简化了接收系统电路，达到了提高RF接收器可靠性的目的,并且该接收系统可以根据不同的应用场合对系统的基带电路进行适应调整与优化，满足了现有和新兴RFID技术标准的要求。
参考文献:
[1]余雷.基于RFID电子标签的物联网物流管理系统[J].微计算机信息，2006.2:233-235
[2]彭宣戈.一种嵌入式Internet接口系统[J].微计算机信息，2005.2: 8-9
[3]孙传友.孙晓斌.测控系统原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002
[4] 彭宣戈.A/D转换器MAX194与单片机的接口技术[J].井冈山学院学报， 2003.5:58-59
射频识别技术RFID（Radio Frequency Identification，）是一种非接触的自动识别技术，利用射频信号及其空间耦合和传输特性进行的非接触双向通信，数据交换不是通过电流的触点接通而是通过电场与磁场，即通过无线的方式通信，实现对静止或移动物体的自动识别。目前我国对于RFID技术的研究仍然停留在低频RFID领域的初级阶段，其低频RFID接收器存在识别距离近、精度低、功耗大以及抗干扰差等缺点。为了适用于要求识别距离长、读写数据率高、抗干扰性强的各种场合，我们设计了一种高性能的超高频率射频识别接收系统。该系统可直接转换解调800MHzZH至1.5GHz的频率范围，完全覆盖了RFID阅读器所使用的UHF频段，并在射频接收电路中采用了4片功耗低、高精度、强抗干扰性的凌特芯片，达到了简化系统电路的目的，提高了接收系统的可靠性。
2接收系统整体设计
射频识别接收系统主要功能是接收和解码电子标签的代码信息并加以处理，因此接收系统主要由信号接收电路、放大电路、低通滤波电路与信息处理单元MSC1211四部分组成，其中信号接收电路、放大电路、低通滤波电路构成了射频接收系统的基带电路。系统总体结构如图1所示。
图1 接收系统总体结构图
由图1可知，发送器与接收器所共用的天线负责检测RF载波并通过一个带通滤波器将信号传送至解调器的RF输入，解调器将信号解调后送入运算放大器放大输出，再用于驱动低通滤波器的单端输入，低通滤波器对信号进行基带滤波处理后送入MSC1211单片机的A/D引脚进行模数转换。
2.1 MSC1211单片机
MSC1211单片机是美国德州仪器公司最新推出的集成数字/模拟混合信号的高性能芯片，具有很高的计算速度，时钟频率达到33MHZ，降低了系统噪声和电源功耗，提高了对接收的信号射频数据处理能力；MSC1211内部集成了一个24位分辨率的模数转换器，使A/D转换精度达到24位，提高了转换数据的精确度。MSC1211芯片是整个系统的控制核心，其主要功能是负责对来自多个标签的接收信号进行分析处理，并提供附加的滤波处理。
2.2 解调器与运算放大器
RF解调器采用了凌特公司的LT5516芯片，该芯片直接转换解调器800MHzZH至1.5GHz的频率范围。LT5516超群的线性提供了对低电平信号的高灵敏度，即使在很大的干扰信号下也不会受到影响。运算放大器采用了凌特公司的LT6231芯片，该芯片起一个差分至单端放大器的作用，用于驱动低通滤波器的单端输入。LT5516的差分I或Q输出转换为一个单端输出的LT6231差分放大器。电路如图2所示。
图2 基带接口电路
由图2可知，在60Ω电阻器的两端增设270pF外部电容可将解调器的输出限制为10MHz，以防止任何高频干扰传送至LT6231放大器。由于幅移键控RFID信号无需DC偶合，因此对基带放大器采用了AC偶合。其中 AC偶合电容器和放大器输入电阻器提供的高通极点被设定为8kHz，差分放大器的输入电阻其电阻值被设定为140Ω，可以最大限度地降低与输入相关的噪声。
2.3低通滤波电路
模拟基带滤波处理采用凌特公司LT1568芯片来完成，它是一个低噪声、精准RC滤波器单元式部件，并且它还提供了100kHz~10MHz截止频率的低通和带通滤波器的简单解决方案，对于UHF RFID系统中常用的250kHz~4MHz信号频谱，这些截止频率完全可以满足RFID通信的需要。在该系统设计中，采用了两个LT1568芯片连接成双通道、四阶滤波电路。其中LT1568滤波器的单端输入至差分输出转换增益为6dB，阻带衰减为34dB。I和Q滤波器匹配由LT1568的A和B侧的固有匹配进行保证，实现了一个椭圆低通滤波函数功能。电路如图3所示。
图3 双通道、四阶滤波电路
2.4 LCD显示与USB接口电路
LCD显示采用字符型LCD显示模块DMC24138芯片，该芯片把点阵液晶显示器FRD7168、点阵驱动器HD44100与控制器HD44780等芯片集成在同一块双面印刷电路板上。HD44780是日立公司生产的LCD显示器的专用控制芯片，通过该芯片的内部I/O缓冲器接收MSC1211单片机利用读写、RS等引脚上送来的控制命令，实现单片机与HD44780之间指令、数据和状态信息的传送。我们选择了无需外部元件的UART转USB芯片CP2101芯片。该芯片具有低功耗、高速度的特性，符合USB2.0规范，满足了MSC1211单片机与PC主机高速通信的需求。
3 软件设计
射频识别接收系统的主要任务是：当电子标签进入阅读器有效距离范围内时，从标签中解读出信息。所读取的信息在LCD上显示，也可通过USB接口传送到PC主机作进一步的处理。程序的主要流程如图4所示。
图4 主程序流程图
3.1 初始化程序
将程序用到的I/O口与寄存器进行分配和初始化，避免发生冲突。
3.2 采样及处理程序
先判断是否进入睡眠时间范围。如果进入了，就开始检测是否有高电平到来；如果高电平到来就准备采样。采样点必须大致位于每一位的中间，因此要适当的延长一段时间，一共要检测完电子标签的有效ID位。为了提高RIFD的可靠性与安全性，对于同一标签必须连续采样5次。如果每次采样所得到的有效ID位均相同，则采样成功。
3.3 LCD显示程序
对LCD液晶屏要使用到的I/O口进行分配与初始化，根据处理结果将相应的电子标签信息进行显示。
3.4 USB与主机通信程序
当PC机向阅读器发送一个读取电子标签ID的控制命令后，阅读器开始采样，并将读取到的数据送入缓冲器中，然后通过USB接口电路将数据上传到PC机后再作进一步处理。
3.5数据校验
使用RF技术传输数据时很容易受外界的干扰，使传输的数据发生改变导致错误。校验是用以识别并以一定的措施进行数据校正的方法。在电路设计中经常使用的校验方法有循环冗余校验法(CRC)、海明码、奇偶校验码等，我们的设计中采用了最为简单的检错码——奇偶校验码。奇偶校验是一种简单的广泛使用的校验方法。这种方法是把个奇偶校验位组合到每一字节中，并被传输，即每字节发送九位，在数据传输前必须确定是用偶数校验还是用奇数校验，以保证发射器和接收器二者都用同样的方法进行校验。本设计采用偶数校验。
4总结
本系统创新点在于设计了一种直接转换RF射频识别信号的UHF射频接收系统，无需中频下变频转换电路，简化了接收系统电路，达到了提高RF接收器可靠性的目的,并且该接收系统可以根据不同的应用场合对系统的基带电路进行适应调整与优化，满足了现有和新兴RFID技术标准的要求。
参考文献:
[1]余雷.基于RFID电子标签的物联网物流管理系统[J].微计算机信息，2006.2:233-235
[2]彭宣戈.一种嵌入式Internet接口系统[J].微计算机信息，2005.2: 8-9
[3]孙传友.孙晓斌.测控系统原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002
[4] 彭宣戈.A/D转换器MAX194与单片机的接口技术[J].井冈山学院学报， 2003.5:58-59
