51單片機(jī)與nRF401芯片在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 RFID系統(tǒng)簡述

RFID即為非接觸的識別系統(tǒng)，它是一種從20世紀(jì)90年代興起的一項自動識別技術(shù)，它利用無線射頻方式進(jìn)行 非接觸雙向通信，以達(dá)到識別目的并交換數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)存儲在電子數(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 過電流的觸點接通而是通過磁場或電磁場，這方面采用了無線電和雷達(dá)技術(shù)。射頻識別是無線電頻率識別的簡稱，即通過無線電波進(jìn)行識別。同其他識別系統(tǒng)相比， 射頻識別系統(tǒng)具有許多優(yōu)點。因此，射頻識別系統(tǒng)開始占據(jù)了巨大的銷售市場。這方面的例子有:用非接觸Ic卡作短距離公共交通車票、公路收費系統(tǒng)以及在安全 系統(tǒng)、銀行、醫(yī)院、商店、賓館及個人通信等場所廣泛應(yīng)用的無線呼叫系統(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。對于該系統(tǒng)在后而我們將較為 詳細(xì)地敘述。
2 基于AT89C51與nRF401的RFID系統(tǒng)設(shè)計
AT89C51單片機(jī)簡述

AT89C51是一種低功耗高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)帶有一個4k字節(jié)的Flash可編擦除只 讀存儲器(PEROM），它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器(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)的非易失性的存儲器編程器來編程。同時已具有三級程序存儲器保密的性能:

在 眾多的51系列單片機(jī)中，要算ATMEI公司的AT89C51更實用，因為它不僅和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 器是Flash工藝的，這種下藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。所以說這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機(jī)的程 序還可以加密，這又很好地保護(hù)了所有者的勞動成果。

無線收發(fā)芯片nRF401簡介

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無線數(shù)傳芯片，它是一個為433MHz ISM頻段設(shè)計的真正單片機(jī)UHF無線收發(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。在以下設(shè)計的電路中(如圖3所示)通過AT89C51的 P2.5口控制射頻芯片的PWR_UP，使其為“1”時表示進(jìn)人正常工作模式，為“0”時表示進(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。
系統(tǒng)設(shè)計

如前所述，AT89C51單片機(jī)片內(nèi)帶有一個4k字節(jié)的Flash可編程可擦除只讀存儲器，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)計的無線呼叫系統(tǒng)為例詳細(xì)說明。

在酒店等服務(wù)行業(yè)中，無線呼 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)按鍵時將數(shù)據(jù)代碼送入nRF401芯片，由它向外發(fā)射，同時接收部分由單片機(jī)控制nRF401芯片接收數(shù)據(jù)代碼并顯示報警，為了增強 系統(tǒng)靈活性，發(fā)射器中的數(shù)據(jù)代碼可以通過接口電路即時地輸入，并且接收器收到信號后反饋信息給發(fā)射器，即采用半雙工的工作方式。

圖2為復(fù)位電路，在此我們采取手動復(fù)位的方式。圖3為發(fā)射控制部分電路，其實際功能是當(dāng)按鍵按下時，與之相連的發(fā)光二極管閃耀，同時蜂鳴器發(fā)出報警 聲，從而在視覺和聽覺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，因為AT89C51內(nèi)部有程序存儲器，31腳接高電平（VCC），單片機(jī)啟動后直接在內(nèi)部讀取指令。圖4為無線發(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和語音報警提示電路等組成。 CH1000是一種專為蜂鳴器設(shè)計的雙極型集成電路，當(dāng)RF401接收到信號之后，其輸出驅(qū)動外接壓電片HD發(fā)出報警聲。單片機(jī)通過并行接口8155驅(qū)動 LED顯示。

系統(tǒng)軟件部分

軟件設(shè)計時，要注意RF401模塊工作模式切換時，編程中要做相應(yīng)的延時處理。 另外一個值得注意的問題是在無線呼叫系統(tǒng)進(jìn)行工作時，可能會出現(xiàn)同時有幾個發(fā)射器處于接收器的工作范圍內(nèi)，這樣當(dāng)有兩個或兩個以上的發(fā)射器同時發(fā)送數(shù)據(jù)時 就會出現(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欧绞健Ｒ话阍赗F1D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)流同時被所有的發(fā)射器接收，此方式稱為“無線廣播”(Radio)。

第二種通信方式:在接收器的應(yīng)答范圍內(nèi)有多個發(fā)射器的數(shù)據(jù)同時傳輸給閱讀器，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)是個小的無線局域網(wǎng)，所以應(yīng)選用比較簡單的多路存取方法?？梢允褂迷赗FID系統(tǒng)中的多路存取方法有ALOHA法，時隙ALOHA法，動態(tài)時隙 ALOHA法，“二進(jìn)制搜索”算法和“動態(tài)二進(jìn)制搜索”算法等，在我們的無線呼叫系統(tǒng)中使用的是“動態(tài)二進(jìn)制搜索”算法，這種算法有效地避免了通信碰撞問 題。

使用RF技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)時很容易受外界的千擾：使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)生改變導(dǎo)致錯誤。校驗是用以識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)計中經(jīng)常使用的校驗方法有循環(huán)冗余校驗法(CRC)、海明碼、奇偶校驗碼等，本設(shè)計中采用最為簡單的檢錯碼——奇偶校驗碼。奇偶校驗是一種簡單的廣泛 使用的校驗方法。這種方法是把個奇偶校驗位組合到每一字節(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)校驗還是用奇數(shù)校驗，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。本設(shè)計采用偶數(shù)校驗。

3 結(jié)束語

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