引言

　　射頻識別技術（Radio Frequeney Identification，RFID）是從20世紀80年代發展起來的一項自動識別技術。通過射頻信號對某個目標的ID進行自動識別得到對象信息，并獲取相關數據。其突出優點是環境適應性強，能夠穿透非金屬材質，數據存儲量大，抗干擾能力強。根據供電方式的不同，可以將RFID分為兩類：一類是無源RFID，另一類是有源RFID.無源RFID工作時標簽通過讀寫器的電磁場獲得能量，標簽本身不需要電池；有源RFID則恰恰相反，電子標簽需要自備電池，提供全部器件工作所需的電源。與無源RFID系統相比，有源RFID系統對閱讀器的發射功率要求更低，有效閱讀距離也更遠，因此在很多領域都有著廣泛的應用。

　　1 有源RFID系統組成及工作原理

　　有源RFID系統由有源標簽、閱讀器和應用系統3個部分組成，如圖1所示。有源標簽具有唯一的身份識別碼（即ID），一些有源標簽內部還集成了傳感器，用于對特定物理量的測量。在閱讀器的有效工作范圍內，電子標簽主動地將自己的ID和所測得的物理量以電磁波的形式發送給閱讀器，閱讀器將相關信息存儲在自己的存儲設備中。存儲在閱讀器中的數據可以通過以太網口、RS232、USB等通信接口傳送給應用系統，以便對數據進行進一步處理。

　　2 有源RFID手持機的結構

　　本文設計的有源手持機的結構框圖如圖2所示。其核心是微處理器（Microprocessor Unit，MPU）；復位電路、時鐘電路、電源、鍵盤、LCD顯示是最小系統不可缺少的組成部分，用來維持系統正常工作以及進行人機交互；聲音提示電路用來進行操作有誤或者電池電量不足時的報警提示；背光電路可以為鍵盤和LCD提供背光；電量檢測電路通過檢測電池的電壓，依照電池電量和電壓的對照關系，間接地檢測出電池的剩余電量；RF電路通過天線可以進行射頻信號的收／發；外擴Flash可以存儲讀取到標簽的身份識別碼、漢字點陣字庫以及相關屬性等信息；USB接口可使手持機與PC機進行數據通信；JTAG接口用來下載和調試程序。

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　　2.1 主控模塊與外圍模塊

　　主控模塊采用NXP公司基于ARM7內核的LPC2142微處理器。LPC2142具有USB2.O接口、2個I2C接口、2個串口、1個SPI接口、1個SSP接口、6個A／D通道，以及16 KB的RAM和64 KB的Flash；還具有實時時鐘（RTC），可以避免外接實時時鐘帶來的麻煩。通過分析得知，該微處理器完全可以滿足系統的需求。主控模塊的電路圖如圖3所示。

　　2.2 復位電路

　　為保證系統能夠可靠復位，采用專用的復位芯片CAT809進行系統的復位。復位電路如圖4所示。

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　　2.3 電量檢測電路

　　電量檢測電路采用LPC2142內部的A／D轉換器。A／D的參考電壓Vref由電源電壓+3.3 V通過電阻分壓得到，如圖5所示。參考電壓的理論值是2.533 V，由于鋰電池的電壓最高可達4.2 V（滿充時），此時超出了A／D轉換器的量程，所以需要對該量程進行擴充。解決辦法是，將鋰電池的輸出電壓（圖中為3.7 V）通過兩個一樣的電阻進行分壓，將分壓后的電壓進行檢測，轉換得到的電壓值應該乘以2.

　　2.4 充電與靜電防護電路

　　如圖6所示，系統采用鋰電池和USB的VBUS兩路電源供電。兩路電源匯合后接入鋰電池充電芯片MAX1551的輸入腳，對電池進行充電。／CHG腳為充電狀態指示引腳，未充滿時呈高阻態，充滿時輸出低電平。充電期間，微處理器通過檢測這一引腳的狀態來判斷充電是否完成，并將充電狀態顯示在LCD上。為避免靜電對微處理器造成損壞，需要對USB接口電路進行靜電防護，這里采用的芯片是SN65220.

　　2.5 電壓轉換模塊

　　手持系統對電源的轉換效率以及電源芯片的靜態電流要求比較高。轉換效率越高，芯片的靜態電流越小，則同等條件下手持系統的電池使用時間就越長。電壓轉換電路如圖7所示。采用凌力爾特公司的DC-DC轉換芯片LTC3530和LTC3525-5V，在電池的可供電電壓范圍內，其效率在80％以上，最高可達90％以上；并且具有使能引腳，方便進行電源管理，可得到系統所需的+3.3 V和+5 V電源電壓。為保證系統在關機時仍然可以通過開機鍵進行開機，需要對微處理器單獨供電，這里采用轉換芯片LP2985.

　　2.6 鍵盤電路

　　鍵盤電路采用鍵盤管理芯片CH452A，如圖8所示。通過I2C接口與MPU進行通信，手持機的開關機鍵采用一個分立按鍵實現，與按鍵并聯的0.1μF電容可以消除抖動。

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　　2.7 RF電路

　　nRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發器芯片。它具有面積小、數據傳輸速率高、低功耗等優點；可工作于跳頻方式下，能有效地避開周圍環境的干擾；通過SPI接口與微處理器進行數據通信，天線采用占用PCB空間較小的倒F型PCB天線。RF電路圖如圖9所示。

　　2.8 LCD電路

　　采用深圳耀宇科技公司型號為YM280T的2.8寸TFTLCD，可以工作在8總線模式下。其他電路如圖10所示。

　　背光電路，將鍵盤的背光與LCD的背光并在一起，用一個三極管開關進行控制，以降低功耗；聲音提示電路，采用體積為5 mm×5 mm×2 mm的蜂鳴器，以適應手持機小巧的需求；外擴Flash，采用引腳少、封裝體積小的串行Flash存儲器AT45DB081，通過SSP進行數據通信（SSP接口與SPI接口兼容）。

　　3 軟件設計

　　3.1 數據包格式

　　增強型ShockBurst模式下的數據包格式如圖11所示。

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　　前導碼用來進行同步，僅在發送模式下使用；標志位用來進行包識別，僅僅用到其中的兩位，剩余的7位保留；數據是要傳送／接收的1～32字節寬度的物品識別信息；CRC校驗選擇生成多項式為X16+X12+X5+X1的16位CRC校驗。

　　3.2 手持機工作流程

　　手持機的工作流程如圖12所示。該流程針對可以讀寫的有源卡，需要把卡里邊的信息讀出來，然后扣除一定費用（或次數）后將修改后的信息寫入ID卡。為節省功耗，設定若一次按鍵（含開機）之后的5 s（要根據實際情況設定）內沒有按鍵按下，即讓微處理器進入空閑模式，當再

　　次有按鍵按下時，通過鍵盤產生的外部中斷將微處理器喚醒。

　　4 系統測試

　　本系統制作的PCB板的大小為5 cm×10 cm，完全滿足占用空間小的要求，元器件全部采用貼片的封裝。測試時先測試電源部分，若電源沒有問題再測試其他部分。每焊接一個模塊，都要隨時檢查電源、地以及其他引腳的焊接是否可靠。整機測試時，首要要檢測電源和地是否短路，檢查無誤之后才整體加電進行下一步的軟硬件聯調。

　　當軟件中設定發射功率為0 dBm時，在開闊試驗場地測試，通信距離為80m左右；在封閉樓道內測試，通信距離為30～40m.在空閑模式，從電池輸出端測得的電流為4.8 mA，系統采用1400 mAh的鋰電池，待機時間（處于空閑模式）可以達到10天以上。

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　　結語

　　有源RFID手持機的設計難點在于小體積和低功耗的要求，這兩個關鍵問題的解決關乎系統設計的成敗。小體積是非功能性需求，可以通過選取封裝尺寸小的元器件和去除實用性不強的接口（如RS232串口）實現。而低功耗的指標則需要采取軟硬件相結合的低功耗措施來實現，除了在硬件上選取工作電流小、電源轉換效率高、靜態電流小的芯片之外，程序中采取有效的電源管理措施更是至關重要。一方面，可以進行有效的電源管理，將分區供電部分未用到的部分電源關掉；另一方面是處理器的低功耗模式的使用，對于那些不經常處于工作狀態的應用場合，這將會極大地節省系統的功耗。本文所設計的有源RFID手持機已經應用于停車場管理系統中，具有待機時間長、體積小巧和可靠性高等優點，具有較好的推廣價值。