基于nRF2401的有源RFID手持式读写器的设计

引言

本文设计了一款有源RFID便携式读写器。本读写器工作在2.4GHz~2.5GHz的频率范围内，其特点是读写距离远、数据传输量大、存储能力强，主要应用于大型的货物储仓中，能快速准确地对成千上万的货物进行清算，或应用于大型车库中，对繁忙的车辆出入进行快速有效地记录与管理。

基于nRF2401的读写器设计

RFID系统的基本结构

RFID系统主要包括射频读写器和射频识别标签(应答器)两部分。射频识别标签是射频识别系统的数据载体。通常，射频识别标签由耦合元件和微电子器件构成，可分为有源标签和无源标签两种类型。读写器可以发送射频信号到电子标签，并接收电子标签返回的射频信号，从而获取标签数据信息。不论是读写器还是应答器，它们都有一个重要的构成部分，即微型天线。微型天线可使读写器和应答器之间进行有效的信号和能量传输。

如图1所示，射频应答器和射频读写器的组成均包括微型天线、射频信号收发器、数据处理器和存储器。除此之外，读写器还包括存储器的读写控制、与计算机的通信、显示器控制等。

图1 RFID系统结构

本读写器采用nRF2401作为射频信号的收发器，W77E58作为总控制器，并负责数据的处理，选用非易失性的K9F5608作为存储器。同时选用了时钟芯片DS1302、串行口显示器FYD12864和RS-232驱动/接收器MAX233。

系统框图

本系统中各元件与单片机之间的连接如图2所示。

图2 基于nRF2401的便携式读写器系统框图

本系统的主控芯片W77E58指令执行速度快、读写速度快、功能庞大且设计方便。首先，根据键盘键入的指令，通过W77E58的控制，nRF2401向对应编号的电子标签进行查询，再将查询结果存入K9F5608中，同时将DS1302即时产生的时刻信息，也就是查询时刻信息存入K9F5608中，由FYD12864显示整个查询过程。系统可通过MAX233与计算机通信，实现数据上传与下载。

nRF2401功能强大且使用简便，只需利用SPI接口的3条信号线：DATA、CLK1、CS便可对其进行配置。4种不同工作模式的控制也只需使用PWR_UP、CE、CS三个引脚。其工作模式为：收发模式、配置模式、空闲模式和关断模式。

为了降低功耗，系统平时处于空闲模式，通过W77E58外部中断0来监测键盘的中断信号，一旦检测到有键盘键入，W77E58便进入正常工作模式，并接收与判别来自键盘的指令数据，若判别出数据为电子标签搜索指令，W77E58便通过输出高电平到nRF2401的 PWR_UP引脚激活nRF2401，通过设置CE与CS来选择nRF2401的工作模式。

W77E58通过其增强型全双工串口SCON1的RXD1、TXD1将数据传输给nRF2401。nRF2401对数据进行调制并向外发送后，立即进入接收模式，若在指定时间内无响应，则重复发送再转入接收模式，若指定发送次数内仍无响应，则判定搜索范围内无有效标签。DS1302提供搜索时刻信息，它和搜索结果一起存入K9F5608。

若nRF2401接收到来自电子标签的应答信号，便自动进行接收与检测，然后将数据解调后传输给W77E58。同理，W77E58将数据和搜索时刻信息存储到外存储器中。

另外，通过W77E58的另一组串口SCON的RXD、TXD，以及MAX233可进行本系统与计算机之间的数据通信。

K9F5608提供了32MB的数据存储空间，其存储量大、读写速度快、性能稳定。K9F5608有一组功能强大的复用8位I/O口，既可作为指令的输入口使用，也可作为数据和地址的输入/输出口使用，因此，只需占用W77E58的一组8位I/O口。K9F5608的使用非常方便，其片上写控制系统可使所有的编程和擦除功能自动完成。

系统工作流程

系统的工作流程如图3所示。系统开启后，首先进行系统的初始化，包括对W77E58各内部资源的初始化，如：定时/计数器、中断系统、串行口、存储器等；以及nRF2401初始状态的配置等。然后，系统进入空闲模式，等待键盘按键产生的外部中断输入信号，由键盘的中断信号激励系统进入正常工作状态；随后将键盘键入的RFID编号作为请求信号发送出去，并检测是否有应答信号，同时将结果显示在LCD显示器上。系统可将接收到的数据和时间保存到K9F5608记录存储器中，或通过串行口传到PC。

图3 系统工作流程图

结语

本文主要简述了基于nRF2401射频收发芯片的便携式RFID读写器的设计。系统具有体积小、传输速度快、性能稳定、功耗低等特点。■

参考文献：
1. 王晓华，周晓光，射频识别技术及其应用.《现代电子科技》2005年第11期总第202期，30-35