基于nRF24O1的腕带式电子标签设计

　　0引言

　　射频识别(FRID)技术作为物联网的一个核心技术，因其广泛的应用性及其带来的经济效益，正在各个领域发挥着重要的作用。它是一种非接触式自动识别技术，能穿透雪、冰、雾、涂料、尘垢等条形码无法使用的恶劣环境，通过无线射频方式对目标进行自动识别和数据信息获取。

　　其基本工作原理并不复杂，主要有两种方式：

　　1)电感耦合(Inductive Coupling)。依据电磁感应定律，一般工作在较低频段。对于无源标签(PassiveTag,或被动标签)，本身没有供电电压，标签进入磁场后，接收读卡器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量来唤醒芯片使之工作，并与读卡器进行数据交换。

　　2)电磁后向散射耦合(Backscatter Coupling)。属于雷达原理模型，工作在较高频段。

　　有源标签(Active Tag，或主动标签)自主向阅读器发送某一频率的信号，阅读器读取信息并解码后，送至控制器进行数据处理。

　　按照发射频率的不同，IUID系统可以分为低频(135kHz以下)、高频(13.56MHz)、超高频UHF(860~960MHz)和微波(2.4GHz以上)等几大类。其中，低频和高频的系统目前应用较为广泛。而超高频和微波的识别距离远，这两种频段的RFID系统具有更广阔的应用前景。另外，有源式RFID系统的速写能力，可用于流程跟踪和监控定位等领域。

　　1硬件电路设计

　　1.1微控制器电路设计

　　MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RjSC)的混合信号处理器。它将多个不同功能的模电、数电模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供单片解决方案。该系列单片机在需要电池供电的便携式仪器仪表中应用比较广泛。

　　MsP430单片机的特点如下：

　　(1)处理能力强：16位数据处理能力;指令系统精简、功能强大;寻址方式丰富;内含大量寄存器以及片内数据存储器可以参加多种运算等。

　　(2)运算速度快：能在25MHz晶体的驱动下，实现指令周期达40ns.

　　(3)超低功耗：电源电压采用1.8~3.6V,可使其在1Ⅻz的时钟下运行时，芯片最低电流在165 uA左右，删保持模式下的最低电流只需O.1 u A;时钟系统丰富，可以在指令的控制下打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。另外，有五种低功耗模式(LPM0~LPM4)。

　　(4)片内资源丰富：如看门狗、模拟比较器、定时器、12C、SPI、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ。△ADC、DMA、实时时钟(IHc)、I/O端口和USB控制器等若干外围模块的不同组合。片内资源丰富带来的直接好处，就是大大减少了外围电路的需要。

　　另外，MSP430系列单片机的中断源较多，可任意嵌套且使用灵活方便。当系统处于低功耗模式时，中断唤醒只需5 u s。

　　对于FLASH型的MSP430系列单片机，片内集成了JTAG模块和可电擦写的FLAsH存储器，用户在开发时先下载程序到FLAsH内，然后经过JTAG接口由仿真器实现对CPU仿真调试。全部JTAG接口只有很少的7根引脚。其中，除掉电源和地，有5根引脚需要与单片机相连，分别是TD0、TDl、TMS、TCK和RST。

　　仿真器的选择要和调试软件配合。本项目的开发采用IAR的Embedded Wbrkbench作为开发环境，并配有MSP430-JTAG仿真器，能实现如下功能：

　　1)程序下载;

　　2)断点设置;

　　3)现场观察与修改寄存器的值。

　　标签的微控制器选用MSP430F110lA,具有如下功能：5种省电模式;唤醒时间小于6 u s;16位精简指令集，125ns指令周期;16位定时器A;片上比较器;串行在线编程;lkB+128B Flash Memory和128B RAM等。

　　MSP430F110lA接线图如图1所示：

图1 MSP430F110lA接线图

　　为单片机提供的晶振为32.768kHz;引脚8~16为控制线(P1.0~P1.3,P2.0~P2.4)，与射频芯片nRF2401相连;引脚l、7、17~20为JTAG连接线。

　　其中，引脚1 TEST可以不连;引脚7为单片机的复位脚，一直处于高电平。

　　1.2射频模块

　　nRF2401是射频收发芯片，工作于2.4~2.5GHz,芯片内置功率放大器、低噪声放大器、频率合成器、先入先出堆栈区、调制器和晶体振荡器等功能模块，工作状态通过编程进行配置。芯片功耗低，正常工作电流为18mA,以一5dBm的功率发射时，工作电流仅为10.5mA,并设计有多种低功率工作模式。

　　nRF2401适用于多种无线通信的场合，主要特点如下：

　　·最高数据传输速率达lMbps,可设置125个频道;

　　·所有工作参数通过软件设置完成;

　　·供电电压为1.9~3.6V,满足低功耗设计需要;

　　·片内设置专门的稳压电路，对电源要求不苛刻;

　　·可以通过软件设置达40位地址，只有收到本机地址时才输出数据;

　　·内置cRC纠错、检错硬件电路和协议;

　　·DuoCeiver技术可以同时接收两个频道的数据。

　　另外，由于nRF2401的内设如此丰富，所需要的外围电路很少，使用起来非常方便。QFN24引脚封装，外形尺寸只有5×5mm.nRF240lA拥有24个引脚，其详细的引脚功能可查看芯片手册。

　　这里将重点介绍n甜您401一些比较重要的引脚：

　　·CE:nI江2401的发送/接收模式选择端;

　　·DRl他R2:频道l/2接收准备好信号输出端;

　　·DAlWDOUT2:频道1/2收发数据端;

　　·CLKl/CLK2:传送数据时钟输入端、频道1/2 接收数据时钟输脯出端;

　　·CS:I心2401的配置模式选择端;

　　·PWR UP:芯片激活端。

图2 nRF2401匹配电路

　　nRF240l的匹配电路如图2所示。C1和C2为电源滤波电容;芯片外接16MHz晶振;PwILuP、CE、CS等控制线与微控制器相连;对于天线电路，要求在甜汀l和ANT2两个引脚间加入微分电路。

　　PCB设计对射频系统的性能影响很大，所以PCB设计十分关键。在进行PCB设计时，必须考虑电磁干扰的问题，注意调整电容、电阻和电感的位置，特别要注意电容的位置。

　　PCB设计要点如下：

　　(1)一般为双层板。底层为地层，一般不放置元件;顶层的空余地方都敷铜，并尽可能多的放置通孔，这些敷铜通过通孔与底层的地相连，使顶层与底层的地能够充分接触;

　　(2)应尽量第一时间将高频分量滤掉，并且为了使要滤除的分量所形成的环路尽量小，天线匹配电路部分的元器件靠得越紧越好;

　　(3)电源滤波电容尽量靠近ⅧD引脚。

　　射频模块nRF2401的PCB图如图3所示。图3 a)为PCB顶层，图3 b)为PCB底层，它们都需要大面积铺铜，且放置尽可能多的通孔。

图3 nRF2401PCB设计

　　2天线设计

　　由于本项目需要设计一种尺寸小、工艺简单、成本低的天线，使之能够在2.45GHz射频设备上正常使用，所以四分之一波长(根据天线原理四分之一波长，能够很好地调节阻抗匹配问题，具有较高的辐射效率)的单极天线是一种很好的解决方案。它与设备在同一块PCB板上被印刷出来，便于设计和后期微调。

　　单极天线必须一端接地平面，另一端形成一个单终结点，其长度则是由天线的谐振频率决定的。

　　由于单极天线的增益带宽范围很广，所以对天线的长度要求并不是非常苛刻。但与其他天线一样，这个增益会随着天线周围参数，比如材质、天线与地平面之间的距离、地平面大小和板材厚度等的改变而变化，所以对于每一个设备都需要对天线做微调以获得最佳的性能。

　　设备制版采用FR4基材，厚度为1.6mm.查得在2.45GHz频段下其介电常数和损耗率分别为4.4和O.02.波长公式如式(1)：

　　式中，c为光速3×1 08m/s,厂为载波频率2.45GHz,可以得到实际在天线介质上的波长应为12cm,从而天线的长度决定为波长的四分之一，也就是3cm左右。

　　本项目设计一种弯形天线，全长28mm,宽度1.27衄，并且与地平面距离为1lmm,实测通信距离可达70m。标签天线设计如图4所示。

图4 标签天线设计

　　3软件编程设计

　　3.1工作模式的配置

　　nRF2401有工作模式有四种，由PWR Im、CE和CS三个引脚决定，如表1所示。

表1 nRF2401工作模式

　　(1)收发模式：有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，由器件配置字决定。

　　(2)配置模式：1 5字节的配置字被送到nRF2401,通过CS、CLKl和DArA三个引脚完成。

　　(3)空闲模式：只剩下部分片内晶振仍在工作，工作电流不超过32 u A;配置字内容仍保持在nRF2401片内。

　　(4)关机模式：所有晶振停止，工作电流最小，一般小于l Il A;配置字内容仍然保持在nRF2401片内，这也是与断电状态最大的区别。

　　nRF2401通过CS、D脚rA和Cu三个引脚来完成其配置工作。本系统采用ShockBurstTM收发模式，这种模式配置简单，性能稳定。配置字长144位，18个字节(最高3字节不可配置，保留)，其中16~119位共1 3字节用来配置ShockBurstrIM收发模式，分为以下四个部分：

　　(1)数据宽度：声明射频数据包中数据占用的位数，这使得nRF2401能够区分接收数据包中的数据和CRC校验码;

　　(2)地址宽度：声明射频数据包中地址占用的位数，这使得nRF2401能够区分地址和数据;

　　(3)地址：接收数据的地址，有通道1和通道2的地址;

　　(4)CRC:使nRF2401能够生成CRC校验码和解码。

　　配置字的最低一位用来配置接收或发送状态。

　　需要注意的是，在配置模式下要保证PWR UP引脚为高电平，CE引脚为低电平;配置字从最高位开始，依次送入nRF2401;在CS引脚的下降沿，新送入的配置字开始工作。

　　在ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据从微控制器低速送入(250kb/s1,然后高速发射(1Mb/s)，这样是为了尽可能的节能，因此，即使使用低速的微控制器也能获得很高的射频数据发射速率;与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，数据在空中停留时间短、抗干扰性好，也减小了整个系统的平均工作电流。

　　另外，在该模式下，nRF2401会自动处理字头和CRC校验码。发送数据时，自动加上字头和CRC校验码;接收数据时，又自动把字头和CRC校验码移去。

　　3.2数据收发程序设计

　　ShockBurstTM发射程序流程图如图5所示。

图5 ShockBurstTM发送模式流程图

　　ShockBurstTM发射需要接口引脚CE、CLKl、DATA,步骤如下：

　　(1)当MCU有数据要发送时，把CE置高，使nRF2401进入发送模式;

　　(2)把接收机地址和数据通过DATA匹配CLKl时序写入nRF2401的FIFO;

　　(3)MCU把CE置低，使nRF2401进行ShockBurst发射;

　　nRF2401的ShockBurstTM发射，包括给射频前端供电;射频数据打包(加字头、CRC校验码);高速发射数据包。发射完成后，nRF2401进入空闲状态。

　　ShockBurst接收程序流程图如图6所示。

图6 ShockBurstTM接收模式流程图

　　ShockBurstTM接收需要接口引脚CE、DRl、CLKl和DAl除，步骤如下：

　　(1)微控制器把CE置高，进入接收状态;

　　(2)延时200 u s,nRF2401进入监视状态，等待数据包的到来;

　　(3)接收到可识别的数据包后，nRF2401自动把字头、地址和CRC校验位移去;

　　(4)nRF2401把DRl置高(引起微控制器中断)通知微控制器;

　　(5)微控制器把数据从nRF2401读出;

　　(6)所有数据读取完毕后，DRl置低。

　　3.3低功耗程序设计

　　标签要考虑到电池更换周期的问题，所以需要一种尽可能省电的程序设计。MSP430F1101A中有五种省电模式，如表2所示。

表2 MSP430F1101A省电模式

　　ACLK为单片机的辅助时钟系统，是专为低功耗而设计的。它可以用一个32.768l(Hz的低功耗外部晶振进行配置，为系统提供一个稳定的时间基准和低功耗空闲操作，从而保证最佳的低功耗性能。所以由表2可知，LPM3模式完全符合设计要求。

　　标签采用单片机的定时器A来定时发送数据，在空闲时系统则处于LPM3省电模式。定时器设置为增模式，累加到TACCR0后归零。

　　标签的程序流程图如图7所示：

图7 标签程序流程图

　　4实验结果

　　本项目设计的腕带式电子标签，为一个直径为4cm的圆，为了减小体积，把多余的一部分切除，十分适合装入模具内，就像手表一样可以佩戴在手腕上;开发成产品后，上面的JTAG仿真口也可以切除，标签的体积也随之更小。实物图如图8所示。

图8 标签实物图

　　经测试，用两个普通的3V纽扣电池，在一直工作的状态下，可以连续使用3个月左右。根据不同的应用场合，可通过程序来控制标签的收发策略，更改标签工作的频率和时间，使得续航时间大大增加。

　　用相同的设计方案设计一个基于nRF2041的RFID阅读器，天线选用2.4G的橡胶天线，用于接收标签发出的数据。实测通讯距离可达70m。丢包率如表3所示：

表3 不同距离下的丢包率

　　5结论

　　本文设计的一种基于射频芯片nRF2401和MSP430单片机的新型腕带式电子标签，具有体积小、性能稳定、工作距离远且功耗低等优点。该标签可以广泛用于远程监控、定位识别、自动签到等各种领域，对物联网前端感知系统的研究和发展具有重要的现实意义。