基于nRF2401的牲畜信息讀寫器的研究
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2 讀寫器的基本組成
RFID讀寫器一般由控制單元、射頻單元、通信接口、人機界面、存儲器及電源電路等部分組成。其中控制單元、射頻單元和通信接口是讀寫器的基本組成部分，下面分別介紹它們。
2．1 單片機ATmega128
控制單元是讀寫器的重要組成部分，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)該系統(tǒng)各個單元模塊的工作以及提供一些通信接口。這里選用Atmel公司的ATmega128作為讀寫器的控制單元，ATmega128是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS的8位單片機。它具有豐富的外圍接口，128 KB的FLASH程序儲存器，4 KB的E2PROM，4 KB的SRAM，53個可編程的I／O口線，內(nèi)外中斷源，可編程的USART，可編程的看門狗定時器，SPI口等。它具備的USART，SPI，IIC口以及較高的工作頻率很好地滿足了本設(shè)計的需求，另外它豐富的引腳為系統(tǒng)的擴展提供了條件。
2．2 射頻模塊
2．2．1 射頻芯片接口
射頻模塊是讀寫器的核心組成部分，它的工作頻率以及編碼、通信協(xié)議等決定了它的性能。為了設(shè)計出一種讀寫距離遠并保證通信可靠的讀寫器，選用工作頻率較高的nRF2401芯片。它是挪威Nordic公司生產(chǎn)的單片射頻收發(fā)芯片，工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，并且它的輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。
該射頻芯片主要用來通過天線與電子標(biāo)簽進行信息交互，單片機主要通過控制它的CS，CE，DR1，PWR_UP，CLK1，DATA等幾個引腳來操作它。芯片的外圍元件及引腳連接方式電路原理如圖3所示。
2．2．2 射頻芯片編程
使用nRF2401收發(fā)數(shù)據(jù)要先配置它，本設(shè)計中將芯片配置成ShockBurstTM收發(fā)模式，在這種模式下系統(tǒng)的程序編寫會更加簡單，且系統(tǒng)穩(wěn)定性也會更高。配置過程如下：設(shè)置CS為高電平，CE為低電平使芯片進入配置模式，延時5μs以上，單片機將配置數(shù)據(jù)通過I／O引腳寫進nRF2401，再置CS引腳為低電平即可完成nRF2401的配置。配置芯片為TX模式時，將nRF2401的CE引腳置為高電平，延時5μs以上后，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入nRF2401的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存中，再將nRF2401的CE引腳置為低電平就可以將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)射出去。
接收數(shù)據(jù)的過程與發(fā)送數(shù)據(jù)的過程類似，配置nRF2401為RX模式。然后置CE引腳為高電平經(jīng)過200μs延時后芯片進入接收狀態(tài)，當(dāng)檢測到DR1引腳變?yōu)楦唠娖綍r，表明nRF2401的FIFO緩沖區(qū)已收到數(shù)據(jù)，單片機執(zhí)行讀數(shù)據(jù)子程序?qū)RF2401中的數(shù)據(jù)全部讀出，當(dāng)全部數(shù)據(jù)讀完后DR1引腳變?yōu)榈碗娖剑藭r可利用DR1引腳的狀態(tài)變換跳轉(zhuǎn)去執(zhí)行其他處理程序。
2．3 通信接口設(shè)計
2．3．1 串口電路設(shè)計
在本設(shè)計中，讀寫器與PC機的通信通過RS 232串行接口，但單片機I／O管腳的電平是TTL電平與PC機不能直接進行通信，需要通過芯片進行電平轉(zhuǎn)換才能通信，本設(shè)計中選用MAX232E來完成電平轉(zhuǎn)換，T1IN和R1OUT與單片機串行發(fā)送口和串行接收口相連，T1OUT和R1IN通過DB9連接器連到PC機COM口的RXD和TXD端口，電路連接方式如電路原理圖3所示。
2．3．2 串口編程
單片機與PC機通過握手信號連通后，在PC機發(fā)送的控制狀態(tài)信號的作用下，單片機通過USART發(fā)送、接收數(shù)據(jù)與PC機的串口通信。本設(shè)計中USART工作在異步收發(fā)模式下，操作過程如下，首先初始化USART，然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)寄存器中，配置控制寄存器相關(guān)位使數(shù)據(jù)通過引腳能夠發(fā)送出去；接收數(shù)據(jù)的情況類似，初始化控制寄存器后，使能接收控制寄存器的相應(yīng)控制位，然后去數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù)。
2．4 系統(tǒng)基本組成原理圖
系統(tǒng)基本組成原理圖如圖3所示。本文引用地址：http://www.104case.com/article/155863.htm
3 讀寫器系統(tǒng)的擴展
以上介紹的是讀寫器的基本組成，為了設(shè)計一個方便完整的讀寫器還要加上人機界面，存儲器，電源電路等。人機界面提供讀／寫過程中需要人干預(yù)的接口，可選用獨立式鍵盤和LCD12864來實現(xiàn)；存儲電路用于暫存讀寫器讀到的數(shù)據(jù)或者將要寫到電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)暫存到讀寫器中，再由讀寫器發(fā)給電子標(biāo)簽，可選用AT24C08芯片來實現(xiàn)，它是一種I2C接口的器件。電源電路為整個讀寫器的各個芯片提供電源，可以選用各種穩(wěn)壓模塊通過變換來獲得所需電源。
4 結(jié)語
實現(xiàn)設(shè)計的過程中，電磁干擾問題很突出。將讀寫器的PCB設(shè)計成雙層板，底層作為地層不放置元件，頂層的空地方敷上銅，并將敷銅通過過孔與底層的地相連，可大大降低電磁干擾。整個系統(tǒng)做了抗電磁干擾處理后，工作在微波頻段的本讀寫器能夠在遠距離、動物快速移動的狀態(tài)下具備非常高的可靠性。
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