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

文章出處:http://www.sgrivertours.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

[文章內(nèi)容簡介]:本文介紹了AT89C51單片機(jī)的基本特點(diǎn)、功能,以及在RFID (射頻識(shí)別)系統(tǒng)中的應(yīng)用。著重介紹了在無線呼叫系統(tǒng)中的電路設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn),而呼叫系統(tǒng)所用的無線收發(fā)芯片為nRF401。該芯片具有抗干擾強(qiáng),收發(fā)速率快,外圍設(shè)備簡單等特點(diǎn)。

1 RFID系統(tǒng)簡述

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)交換不是通過電流的觸點(diǎn)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(shí)別是無線電頻率識(shí)別的簡稱,即通過無線電波進(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(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(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。所以說這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低,開發(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(gè)為433MHz ISM頻段設(shè)計(jì)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(jì)。在以下設(shè)計(jì)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(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(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(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(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)值得注意的問題是在無線呼叫系統(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(shí)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(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(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)中采用最為簡單的檢錯(cuò)碼——奇偶校驗(yàn)碼。奇偶校驗(yàn)是一種簡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

本系統(tǒng)的無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):

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