AT89C51與nRF401芯片在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用

文章出處：http://compasssalessolutions.com 作者：劉栗舟 王豪才 段 銳 李海華   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月29日

1 RFID系統(tǒng)簡(jiǎn)述

RFID即為非接觸的識(shí)別系統(tǒng)，它是一種從20世紀(jì)90年代興起的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電子數(shù)據(jù)載體（稱應(yīng)答器）之中。然而，應(yīng)答器的能量供應(yīng)以及應(yīng)答器與閱讀器之間的數(shù)據(jù)交換不是通過(guò)電流的觸點(diǎn)接通而是通過(guò)磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)，這方面采用了無(wú)線電和雷達(dá)技術(shù)。射頻識(shí)別是無(wú)線電頻率識(shí)別的簡(jiǎn)稱，即通過(guò)無(wú)線電波進(jìn)行識(shí)別。同其他識(shí)別系統(tǒng)相比，射頻識(shí)別系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)。因此，射頻識(shí)別系統(tǒng)開(kāi)始占據(jù)了巨大的銷售市場(chǎng)。這方面的例子有:用非接觸Ic卡作短距離公共交通車票、公路收費(fèi)系統(tǒng)以及在安全系統(tǒng)、銀行、醫(yī)院、商店、賓館及個(gè)人通信等場(chǎng)所廣泛應(yīng)用的無(wú)線呼叫系統(tǒng)，該系統(tǒng)與其他有線通信系統(tǒng)相比有著性能及成本的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于該系統(tǒng)在后而我們將較為詳細(xì)地?cái)⑹觥?/P>

2 基于AT89C51與nRF401的RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1  AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)述

AT89C51是一種低功耗高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)帶有一個(gè)4k字節(jié)的Flash可編擦除只讀存儲(chǔ)器(PEROM），它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器(NURAM)技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)和MCU_51系列單片機(jī)兼容。片內(nèi)的Flash存儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序或用常規(guī)的非易失性的存儲(chǔ)器編程器來(lái)編程。同時(shí)已具有三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密的性能:

在眾多的51系列單片機(jī)中，要算ATMEI公司的AT89C51更實(shí)用，因?yàn)樗粌H和MCU_51系列單片機(jī)指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4k程序存儲(chǔ)器是Flash工藝的，這種下藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。所以說(shuō)這種單片機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫入單片機(jī)的程序還可以加密，這又很好地保護(hù)了所有者的勞動(dòng)成果。


2.2  無(wú)線收發(fā)芯片nRF401簡(jiǎn)介

發(fā)射接收芯片采用挪威Nordic公司新推出的集發(fā)射接收為一體的nRF401無(wú)線數(shù)傳芯片，它是一個(gè)為433MHz ISM頻段設(shè)計(jì)的真正單片機(jī)UHF無(wú)線收發(fā)芯片，采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)。最高工作速率可達(dá)20k,發(fā)射功率可以調(diào)整，最人為+lOdBm。 nRF401集成度高，工作頻率穩(wěn)定可靠，外圍元器件少，功耗極低，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。在以下設(shè)計(jì)的電路中(如圖3所示)通過(guò)AT89C51的P2.5口控制射頻芯片的PWR_UP，使其為“1”時(shí)表示進(jìn)人正常工作模式，為“0”時(shí)表示進(jìn)人待機(jī)模式;P2.6接射頻芯片的CS,控制發(fā)送接收頻率，為“1”表示工作頻率為434.32MHz.為“0”表示工作頻率為433.92MHz . P2.7控制射頻芯片的TXEN端，使其為“1”表示進(jìn)人發(fā)送模式，為“0"表示進(jìn)人接收模式。

2.3  系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如前所述，AT89C51單片機(jī)片內(nèi)帶有一個(gè)4k字節(jié)的Flash可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器，這就決定了在某些方面其自身的優(yōu)越性。眾所周知，編寫程序絕大多數(shù)需要反復(fù)調(diào)試，數(shù)次修改，AT89C51的可擦除可編程特性極大地方便了編程者的調(diào)試修改工作因此，在RFID系統(tǒng)中，AT89C51單片機(jī)得到了充分的應(yīng)用。下面將以作者參與設(shè)計(jì)的無(wú)線呼叫系統(tǒng)為例詳細(xì)說(shuō)明。

在酒店等服務(wù)行業(yè)中，無(wú)線呼叫系統(tǒng)有很大的應(yīng)用前景，而把AT89C51作為控制部分應(yīng)用于無(wú)線呼叫系統(tǒng)中將使系統(tǒng)功能更加靈活。系統(tǒng)包括發(fā)射和接收兩部分:發(fā)射部分由按鍵、AT89C51單片機(jī)控制器和nRF401芯片組成;接收部分由nRF401、AT89C51一單片機(jī)控制器和LED顯示以及蜂鳴報(bào)警器組成。在發(fā)射器中有約定的數(shù)據(jù)代碼，當(dāng)按鍵時(shí)將數(shù)據(jù)代碼送入nRF401芯片，由它向外發(fā)射，同時(shí)接收部分由單片機(jī)控制nRF401芯片接收數(shù)據(jù)代碼并顯示報(bào)警，為了增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性，發(fā)射器中的數(shù)據(jù)代碼可以通過(guò)接口電路即時(shí)地輸入，并且接收器收到信號(hào)后反饋信息給發(fā)射器，即采用半雙工的工作方式。

圖2為復(fù)位電路，在此我們采取手動(dòng)復(fù)位的方式。圖3為發(fā)射控制部分電路，其實(shí)際功能是當(dāng)按鍵按下時(shí)，與之相連的發(fā)光二極管閃耀，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，從而在視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)上一起提醒呼叫者操作成功。其中的C14為退耦電容.可以為2.2 μF的電解電容。同時(shí)，因?yàn)锳T89C51內(nèi)部有程序存儲(chǔ)器，31腳接高電平（VCC），單片機(jī)啟動(dòng)后直接在內(nèi)部讀取指令。圖4為無(wú)線發(fā)射電路，采用環(huán)狀差分天線。

（2)接收電路

圖5為接收電路示意圖，它由接收芯片nRF401、并行接口芯片8155、單片機(jī)AT89C51及共陰極LED和語(yǔ)音報(bào)警提示電路等組成。CH1000是一種專為蜂鳴器設(shè)計(jì)的雙極型集成電路，當(dāng)RF401接收到信號(hào)之后，其輸出驅(qū)動(dòng)外接壓電片HD發(fā)出報(bào)警聲。單片機(jī)通過(guò)并行接口8155驅(qū)動(dòng)LED顯示。

2.3.2  系統(tǒng)軟件部分

軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要注意RF401模塊工作模式切換時(shí)，編程中要做相應(yīng)的延時(shí)處理。另外一個(gè)值得注意的問(wèn)題是在無(wú)線呼叫系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)同時(shí)有幾個(gè)發(fā)射器處于接收器的工作范圍內(nèi)，這樣當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的發(fā)射器同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)相互的干擾(碰撞)，所以就必須制定適當(dāng)?shù)耐ㄐ欧绞?。一般在RF1D系統(tǒng)中有兩種不同的基本通信方式：

第一種通信方式：從接收器到發(fā)射器的數(shù)據(jù)傳輸為第一種通信形式。發(fā)送的數(shù)據(jù)流同時(shí)被所有的發(fā)射器接收，此方式稱為“無(wú)線廣播”(Radio)。

第二種通信方式:在接收器的應(yīng)答范圍內(nèi)有多個(gè)發(fā)射器的數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸給閱讀器，這種通信方式稱為多路存取。這是RFID系統(tǒng)中的主要通信方式之一。

RFID系統(tǒng)是個(gè)小的無(wú)線局域網(wǎng)，所以應(yīng)選用比較簡(jiǎn)單的多路存取方法?？梢允褂迷赗FID系統(tǒng)中的多路存取方法有ALOHA法，時(shí)隙ALOHA法，動(dòng)態(tài)時(shí)隙ALOHA法，“二進(jìn)制搜索”算法和“動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索”算法等，在我們的無(wú)線呼叫系統(tǒng)中使用的是“動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索”算法，這種算法有效地避免了通信碰撞問(wèn)題。

使用RF技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)很容易受外界的千擾：使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)生改變導(dǎo)致錯(cuò)誤。校驗(yàn)是用以識(shí)別并以一定的措施進(jìn)行數(shù)據(jù)校正的方法。在電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的校驗(yàn)方法有循環(huán)冗余校驗(yàn)法(CRC)、海明碼、奇偶校驗(yàn)碼等，本設(shè)計(jì)中采用最為簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)碼——奇偶校驗(yàn)碼。奇偶校驗(yàn)是一種簡(jiǎn)單的廣泛使用的校驗(yàn)方法。這種方法是把個(gè)奇偶校驗(yàn)位組合到每一字節(jié)中，并被傳輸，即每字節(jié)發(fā)送九位，在數(shù)據(jù)傳輸前必須確定是用偶數(shù)校驗(yàn)還是用奇數(shù)校驗(yàn)，以保證發(fā)射器和接收器二者都用同樣的方法進(jìn)行校驗(yàn)。本設(shè)計(jì)采用偶數(shù)校驗(yàn)。

3  結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)的無(wú)線通信采用半雙工方式，偶校驗(yàn)。為了防止干擾，在做PCB板時(shí)采用1.6mmFR4板材的雙面板。通信距離100mm，運(yùn)行可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]Http://www.Olmcu.net
[2]433 MI3z Single Chip RF Transceiver nRF401. Nordic, 2000
[3]劉琰，李輝，顧亮.射頻識(shí)別技術(shù)軟硬件系統(tǒng)研制.  電子技術(shù)，2002 ( 3)；29
[4]【德」Klaus Finkenzeller 射頻識(shí)別(RFID)技術(shù). 電子工業(yè)出版社，2001；129-130
[5]方振漢，嚴(yán)萍.基于RF401集成申路芯片住宅小區(qū)無(wú)線呼叫報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2000（1）；74
[6]徐惠民，安德寧.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理、接口及應(yīng)用，北京郵電大學(xué)出版社，2000