一种低功耗便携式的RFID读写器的设计

方案。详细阐述了RFID读写器的设计原理、硬件结构和软件的设计方法。RFID读写器基于MSP430系列超低功耗单片机进行控制，并结合nRF2401射频芯片以及实时时钟芯片PCF8563，实现读写标签的实时时间记录。该读写器具有较高的实用性和可靠性、成本低、功耗低、具有良好的应用前景。

关键词：无线射频识别；读写器；低功耗；MSP430F149；nRF2401

中图分类号：TN925 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2017）08-0148-02

Abstract：The design scheme of a low-power portable RFID reader is proposed. The design idea， hardware structure and software design method of RFID reader are given in details. The RFID reader based on MSP430 series of ultra-low power microcontroller to control， it combined with nRF2401 RF chip and real-time clock chip PCF8563， read and write tags to achieve real-time recording. The reader has a high practicality and reliability， low cost， low power consumption， and has a good application prospect.

Key Words：radio frequency identification； reader； low-power； MSP430F149； nRF2401

RFID（Radio Frequency Identification）系统是一种非接触的自动识别系统，近年来备受关注。它由小型低成本的RFID标签、RFID阅读器和后端服务器组成。RFID标签包含唯一的标识信息，并可以附加到一个有生命或无生命的物体。 RFID读写器通过短距离射频通信RFID标签可以获取识别信息。RFID阅读器将识别信息传输到后端服务器，就可以识别一个物体的后端服务器管理下的RFID标签中的标识信息，并把它传递到RFID读写器。由于RFID不断降低的价格、更小的构造以及更加明确国际标准，这项技术发展得很快并在多个领域都有着广泛的应用，如智能卡、自动收费系统、情报部门、汽车制造、药业、农业、图书管理、机场行李操作系统等。随着电子标签应用的越来越广泛，RFID读写器的使用也将变得更加频繁，RFID读写器的研究将变得更加重要，本文就旨在设计出一种低功耗便携式的RFID读写器。

1 系统结构

系统结构图如图1所示，系统采用MSP430系列低功耗单片机MSP430F149作为微控制器，主要包括nRF2401模块、实时时钟模块、键盘显示模块等。MSP430F149单片机作为系统的控制核心，主要负责通过射频模块与电子标签进行通信，包含数据存储与处理，同时可以通过键盘模块来设置系统参数并通过液晶显示器来显示相关信息。为了保证RFID读写器的便携性，系统将采用电池供电。

基于便携式RFID读写器的低功耗需求，系统硬件设计中应该选择具有低功耗特性的单片机和低功耗型的射频收发芯片。MSP430F149单片机是由TI公司生产的一种超低功耗的微控制器，它有着超低的供电电压，范围是1.8～3.6V，有主动、待机和关闭3种工作模式，其工作电流分别为280μA、1.6μA和0.1μA，同时它具有5种省电模式，可以通过禁用内部不同的资源来实现省电目标，应用灵活；另外一方面，其从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6μs，相应迅速，完全满足实时系统的高效要求。它有着非常丰富的内部资源：60KB+256B闪速存储器、2KB的RAM、两个16位定时器、一个8通道快速12位A/D转换器、两个通用USART接口。作为16位的单片机，其处理数据的速度、能力更是远超传统8位的51系列单片机，加上其工作时对环境和人体的辐射小，可靠性能好，加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境，非常适合于设计便携式低功耗的设备[1-2]。

nRF2401 是单片射频收发芯片，工作于2.4-2.5GHz ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm 的功率发射时工作电流只有10.5mA，接收时工作电流也只有18mA，它还具备多种低功率工作模式，使得系统的节能设计更方便。其DuoCeiverTM 技术使nRF2401 可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。特有的Shock Burst TM Mode（突发模式）使得系统整体的性能和效率有很大提高[3-4]。

1.1单片机电路

单片机基本电路包括晶振时钟电路、上电自动/手动复位电路和JTAG接口调试电路。这里使用MSP430F149的P1口以及P2.0引脚与nRF2401射频模块相连。工作时有单片机的P2.0引脚激活nRF2401，再通过P1口模拟出信号的发射和接收时序，实现信号的收发操作。

1.2 nRF2401接口电路

图2为nRF2401接口电路。nRF2401需要很少的外围电路便可以完成信号的收发。电路中nRF2401芯片使用16MHz的工作時钟，电路中需要与单片机相连的引脚有PWR_UP、DATA、CLKl、CLK2、DRl、DR2、CS、CE、DOUT2。其中PWR_UP引脚为芯片激活，有单片机的P2.0提供激活信号，CE配置接收或发送方式，CS为配置模式片选，CLK为接收时钟信号，DR为接收数据准备好，DATA为数据端。

1.3实时时钟电路

为了系统能更好地记录读写电子标签的时间，本系统采用时钟芯片PCF8563设计实时时钟电路。实时时钟电路如图3所示，采用COMS时钟芯片PCF8563，功耗低，工作时电流低至0.25μA，工作电压范围为1.0-5.5V，其数据通过I2C总线进行串行通信，需要指出的是总线引脚SCL和SDA都需要接上拉电阻才能和单片机相连。为了保障时钟的连续性和掉电继续走的特性，电路采用双电源供电。

2 系统软件设计

本系统采用菜单式设计，系统功能的切换通过按键来设置。其系统的主要功能包括4个方面：（1）时钟设定；（2）标签号读写模式；（3）标签号扫描模式；（4）扫描历史查询。在时钟设定模式下，RFID读写器可以通过按键对PCF8563时钟芯片里的数据进行读写，从而设置时钟芯片里的时间和闹钟定时。在标签号读写模式下，RFID读写器可以读出某一标签的标签号，也可以对此标签号进行更改。通过按键就可以把要写入的新的标签号输入给单片机从而发给标签。在标签号扫描模式，RFID读写器可以对单片机中已经存储的标签号进行扫描，查看这些标签是否在扫描范围内。在历史查询状态下，RFID读写器可以读出最近一段时间的扫描结果，看看有哪些标签不在扫描范围内。

系统通过按键实现对功能的快速设置，唤醒，闹钟，节能等设计。系统主要通过单片机发各种控制指令去控制其外部的LCD、PCF8563、nRF2401等外设协调工作。为了节能，不管RFID读写器处于什么状态若30秒不对系统操作，则自动关闭显示器。

为了防止标签碰撞，RFID读写器为每一个电子标签设定一个唯一的编码，通过对编码的查找，每次只能对一个电子标签操作。系统开始工作时，电子标签处于接收状态，读写器处于发送状态。读写器开始发送需要查询的电子标签的号码，然后进入接收状态。所有在工作范围的标签都可以收到这个号码，但是只有号码相同的标签才能做出响应。接着该标签进入发送状态，发送几组确认信号后转入接受状态。当读写器接到该确认信号后，便会确认该标签是否为合法标签，若合法则查询下一组标签。若标签无应答或标签不合法则会发出报警声。

3 结语

本文应用单片机MSP430F149和射频芯片nRF2401设计了一种低功耗便携式RFID读写器，电路设计结构简单、工作稳定可靠、体积小、功耗低。

參考文献

[1]郑淼淼，赵苍荣. 一种低功耗智能传感主动式标签的设计[J]. 电子设计工程，2012，（19）：100-105.

[2]郑淼淼. 基于无线射频技术的温湿度测量系统[J]. 机电工程技术，2012，（10）：64-66.

[3]王永超，郭瑞，包贵浩，刘久文. 低功耗有源RFID标签设计与实现[J]. 电子测量技术，2010，33（7）：30-33.

[4]邱炜，孙志锋，孙晓东等.基于nRF2401的RFID读写器设计[J]. 机电工程技术，2008，37（9）：62-65.

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