RFID低功耗电子标签和手持阅读器设计开发

ＲＦＩＤ低功耗电子标签和手持阅读器设计开发

戴欣，邓湘，刘浩

（北京交通大学机电学院测控系，北京１０００４４）

摘要：设计了一种短距离２．４ＧＨｚ无线通信方案，基于此方案研制的手持阅读器和低功耗电子标签成功应用于油田设备上。电子标签和阅读器分别由ＡＲＭ和ＭＳＰ４３０系列单片机控制无线收发芯片

ＮＲＦ２４Ｌ０１实现身份识别与数据传输，相关参数由软件进行设置。手持阅读器具有好的人机接口，电子标签具有体积小、功耗低、性能稳定、抗干扰能力强的特点。可在一定距离范围内实现误码率低的快速通信。

关键词：射频识别；电子标签；低功耗；手持阅读器；油田设备

中图分类号：ＴＮ９１４．３

文献标识码：Ａ

文章编号：０２５８—７９９８（２０１３）０６—００２１—０３

Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ

ｌｏｗｐｏｗｅｒａｃｔｉｖｅＲＦＩＤｔａｇａｎｄＲＦＩＤｈａｎｄｈｅｌｄｒｅａｄｅｒ

ＤａｉＸｉｎ，ＤｅｎｇＸｉａｎｇ，“ｕＨａｏ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ，ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＣｏｎｔｍｌ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ

Ｊｉａｏｔｏｎｇ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４４，Ｃｈｉｎａ）

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲＦＩＤ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔａｇ；ｌｏｗ－ｐｏｗｅｒ；ｈａｎｄｈｅｌｄｒｅａｄｅｒ；ｏｉｌ

ｆｉｅｌｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔ

射频识别ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ

Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）是近

１硬件设计

１．１总体方案

本文设计开发的射频收发系统的组成如图１所示。计算机通过异步串１：３向ＡＲＭ控制器传送指令；ＡＲＭ控

２０年来蓬勃兴起的一种自动识别技术，它的应用领域十分广泛，如油田采油车出入自动识别管理与监测系统就是一个很好的例子，它能使管理人员及时掌握油田采油车辆和油井采油动态【１１，以便更好地进行合理调度与管理等。

本文设计开发的ＲＦＩＤ电子标签和阅读器应达技术参数指标如表ｌ和表２所示。

图１单一标签无线射频收发系统

表１ＲＦＩＤ有源电子标签技术参数指标

表２ＲＦＩＤ手持阅读器技术参数指标

《电子技术应用》２０１３年第３９卷第６期万方数据

２１

肷人ＩＬ玟不嵌入式技术

ＥｍｂｅｄｄｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

制器再通过ｎＲＦ２４Ｌ０１按照一定通信协议１２］将信号发送给指定地址的标签；若标签处于阅读器范围内【３】，经外部触发后，会发送标签的一些相关信息给阅读器；阅读器部分的无线收发模块通过串口将接收到的数据上传至上位机进行数据显示处理。１．２电路设计

１．２．１低功耗电子标签

单片机与ｎＲＦ２４Ｌ０１连接电路设计如图２所

示。

ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机的Ｐ１．６引脚接收来自ｎＲＦ２４Ｌ０１的中断，低电平有效；由Ｐ１．７引脚控制ｎＲＦ２４Ｌ０１的ＣＥ端，ＣＥ端的电平决定ｎＲＦ２４Ｌ０１工作在接收模式还是发送模式；由Ｐ５．０引脚控制ｎＲＦ２４Ｌ０１的片选使能ＣＳＮ，ＣＳＮ为低后ＳＰＩ接口等待执行指令，每一条指令的执行都必须经过一次ＣＳＮ由高到低的变化；ＭＩＳＯ和ＭＯＳｌ分别为串行输入和输出，分别由Ｐ５．１和Ｐ５．２引脚控制。

传输的效率，同时为增强程序的运行效率，阅读器采用

图３阅读器电路设计图

表３ＲＦＩＤ通信协议

㈣２电子标签电路设汁Ｉ割

会发送一帧应答数据包，阅读器接收到应答数据包后，在ＰＤＡ显示出来，至此完成一次数据的传递。

当有多个标签时，阅读器采用分时发送识别指令方式，可知道哪个标签没有在阅读器范围内。但应注意的是，阅读器每次向标签发送指令后，都应随后再发送一包指令来清理标签自动应答缓冲区（Ｗ＿ＡＣＫ＿ＰＡＹＬＯＡＤ），避免下次发送不同的指令时出现应答错误。２．２．２标签指令接收子程序

标签上电后，首先进行初始化，使标签完成一些配置寄存器的设置，然后进入待机模式，当标签进入阅读器的范围内，经阅读器唤醒后，标签会产生接收中断跳入监听指令子程序，即从低功耗模式转入工作模式，开始监听空中的数据包。当自动应答有效时，ＡＣＫ消息将被发回。标签指令接收子程序流程图如图５所示。

１．２．２阅读器

ＡＲＭ系列单片机ＳＴＲ７１１ＦＲ２芯片与ｎＲＦ２４Ｌ０１连接电路设计如图３所示。由单片机的Ｐ０．７引脚来控制ＣＥ端；由Ｐ０．１０引脚接收来自ｎＲＦ＇２４ＩＪＤｌ的中断；由Ｐ１．９引脚控制ｎＲＦ２４Ｌ０１的片选使能ＣＳＮ；由Ｐ０．１２引脚控制串行输出口ＭＯＳＩ；由Ｐ０．１３引脚控制串行输入口ＭＩＳＯ。ＳＴＲ７１１ＦＲ２采

用１６ＭＨｚ有源晶振，与上位机采用串口通信。

２软件设计

２．１通信协议和串口中断

本文所设计的ＲＦＩＤ通信模块实现的功能包括广播识别、读／写标签编号、读／写标签密码、读／写标签数据信息。该通信协议如表３所示。

若在通信协议中设置较短的地址和校验可以提高

２２

欢迎网上投稿ｗｗｗ．ｃｈｉｎａａｅｔ．ｃｏｒｎ《电子技术应用》２０１３年第３９卷第６期

万方数据

Ｉ／Ｏ口及中断初始化

Ｊ≤》卫≤多

Ｉｌ进入待机模式１

“

上

●１

０

ＩｎＲＦ２４Ｌ０１应答及寄存器配置

０

，ｌ等待串口中断

Ｉ／Ｏ口初始化

●

ｎＲＦ２４Ｌ０１应答及模式配置

●

承、

∞∞∞

Ｎ≤今Ｎ《今

◇Ｎ－≤箩≤箩

ｎＲＦ２缸Ｄ１设为接收模式并延时

褂蠢餐地回

ｒ＋功耗１２．３加Ｌ＋功耗６

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［呔苌《

ｍＡ

Ｌｌ————ｊ————Ｊ————Ｌ————Ｌ—————ｊ—Ｌ

ｍＡ

ｌ一功耗１ ２以

ｌ

２

３

４

５

６７８９１０

有效距离／ｍ

图６外置标签通信测试结果比对图

ｌ配置数据包Ｉ

山

向指定地自Ｅ发送数据｝‘

调整软件相关参数使得功耗降低到１．２ｍＡ左右时，随着距离的增加通信成功率会明显降低，但在１０

Ｉｌｌ

Ｉ监听指令卜

以内仍能保证较高的通信成功率，此时功耗已降到最低，通过重复２—３次识别，其成功率完全能满足使用需求。

本文设计了一种由单片机控制、以ｎＲＦ２４Ｌ０ｌ为无线射频收发芯片的ＲＦＩＤ通信方案，其特点是通信快速和功耗较低。电子标签在不工作情况下，功耗可降到１．２ｍＡ左右。该设计还适用于多个电子标签场合，阅读器采用分时向标签发送指令的方式，每次发送后应再发送一包指令清理标签自动应答缓冲区（Ｗ－ＡＣＫ＿ＰＡＹＬＯＡＤ），以避免下次出现应答错误。

该设计所研制的样机具有功耗低、通信快速、误码率低、抗干扰性好、能识别多个标签等特点，能满足对体积和功耗要求较高的油田开发设备的实际使用要求。参考文献

［１］谈卫，肖菲菲，齐军．油田智能巡检系统在生产管理中的

应用【Ｊ］．自动化技术与应用，２０１１，３０（１０）：８３—８６．

串口传送及ＰＤＡ显示

ＭＣＵ通过ＳＰＩ口获取指令数据

‘

０

进入等待串行口中断

图４阅读器指令发送程序流程图

配置应答数据包并写入应答ＦＩＦＯ

●

进入待机模式１

图５标签指令接收程序流程图

２．３电子标签低功耗模式软件编程实现

低功耗标签子程序设计如下所示：

ｗｈｉｌｅ（１）｛ｉｆ（ｆｌａｇ＿ｒ＝＝０）

ＣＬＲ＿ＣＥ；

ＩＩ使ＮＲＦ２４Ｌ０１进入待机模式

／／定时器

ＷＤＴＣＴＬ＝ＷＤＴ＿ＭＤＬＹ一３２；ＩＥｌＩ＝ＷＤｌｒＩＥ：

ＢＩＳ—ＳＲ（ＬＰＭ０）；

ｗｈｉｌｅ（ｆｌａｇｗｒ＝＝１ＩＩｆｌａｇ＿ｒ＝＝１）

｛ＩＥｌＩ＝０ｘ００；

ｆｌａｇ＿ｗｒ＝０；ｌａｇ＿ｒ＝０；

／／单片机进入ＬＰＭ０模式

／，接收中断标志

［２］Ｄａｔａｓｈｅｅｔｆｏｒｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ

２．４ＧＨｚｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｎＲＦ２４０１

［ＥＢ／ＯＬ］．（２００３－３）［２００３－３】．ｈｔｔｐ：／／ｐｄｆ．ｄｚｓｃ．ｃｏｍ／ＮＲＦ／

ＮＲＦ２４０１％２０ＩＣ．ｐｄｆ．

［３］付炜，马建国．一种有源低功耗微波频段ＲＦＩＤ标签设｝Ｉ

／／接收标志清零

／，使单片机进入ＬＰＭ２模式

『４１陈华君，林凡，郭东辉，等．ＲＦＩＤ技术原理及其射频天线

【Ｃ】．四川Ｉ省电子学会半导体与集成技术专委会２００６年度学术年会论文集，２００６．

ＢＩＳ＿ＳＲ（ＬＰＭ２）；１

ｄｅｌａｙ（３０００）；）

３标签测试结果与分析

标签设计可根据需要设计出两种天线形式，本次测试设计出板载天线【４１和外置天线两种电路板。测试时可将毫安表串联于电路中，观察标签的功耗变化，在不同的功耗下分别进行测试。测试结果表明，外置天线和板载天线都能满足使用者要求。外置标签通信测试结果如图６所示。

从图中可以看出，功耗在１２．３ｍＡ时，随着阅读器与电子标签距离的增加，到达１０ｍ处通信成功率恒定为１００％，此时标签一直处于接收模式；设置并调整软件中相关参数使得标签功耗为６ｍＡ左右时，随着距离的增加，在６１１１以内通信成功率为１００％，大于６ｌＩＩ时通信成功率会有一定的下降，但能保证在９０％以上；设置并

设计［Ｊ】．厦门大学学报，２００５，“（Ｂ０６）：３１２—３１５．

（收稿日期：２０１３—０１—２９）

作者简介：

戴欣，男，１９８８年生，硕士，主要研究方向：射频设别及其应用，车载式动态称重技术。

邓湘，男，１９６５年生，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：机械电子测量，过程成像技术。

刘浩，男，１９８９年生，硕士，主要研究方向：块茎电阻成像，机械电子工程。

《电子技术应用》２０１３年第３９卷第６期万方数据

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RFID低功耗电子标签和手持阅读器设计开发

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

戴欣， 邓湘， 刘浩， Dai Xin， Deng Xiang， Liu Hao北京交通大学机电学院测控系,北京,100044电子技术应用

Application of Electronic Technique2013,39(6)

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