rfid电子标签自动识别检测系统的电路设计(编辑修改稿)

rfid电子标签自动识别检测系统的电路设计(编辑修改稿)内容摘要：

的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签。 主要应用：供应链上的管理和应用，生产线自动化的 管理和应用和航空包裹的管理和应用等方面。 8 有源 RFID 技术（ 、 ） 有源 RFID 具备低发射功率、通信距离长、传输数据量大 ,可靠性高和兼容性好等特点，与无源 RFID 相比，在技术上的优势非常明显。 被广泛地应用到公路收费、港口货运管理等应用中。 单片机 MSP430 MSP430 系列单片机是美国德州仪器 1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗的混合信号处理器。 主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供 “ 单片 ” 解决方案。 MSP430 系列是 一个 16 位的、具有超低功耗的、精简指令集的混合型单片机，在 1996 年问世，由于它具有丰富的片内外设、极低的功耗和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。 MSP430 的特点 MSP430 系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点。 强大的处理能力 MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了 精简指令集（ RISC）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址） 、 简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令 ， 大量的寄存器以及片内数据存储 器都可参加多种运算 ， 还有高效的查表处理指令 ， 有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125ns。 这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 在运算速度方面， MSP430 系列单片机能在 8MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。 16 位的数据宽度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加 ）相配合 ， 能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。 MSP430 系列单片机的 中断 源较多 ， 并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。 当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用 6us。 超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先， MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 至 电压。 [3] 因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流会在 200uA 至 400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有。 其次，独特的时钟系统设计。 在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系 统分别为，基本时钟系统和锁频环（ FLL 和 FLL+） 时钟系统或 DCO 数字振荡器时钟系统。 有的使用一个晶体振荡器（ 32768Hz） ,有的使用两 个晶体振荡器。 由时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。 并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体 9 功耗的控制。 由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。 在系统中共有一种活动模式（ AM）和五种低功耗模式（ LPM0至 LPM4）。 在等待方式下，耗电为 ，在节电方式下，最低可达。 系统工作稳定。 上电复位后，首先由 DCOCLK 启动 CPU， ，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。 然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确 定最后的系统时钟频率。 如果晶体振荡器在用做 CPU 时钟 MCLK 时发生故障， DCO会自动启动，以保证系统正常工作 ， 如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 丰富的片上外围模块 MSP430 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。 它们分别是看门狗（ WDT）、模拟比较器 A、 定时器 A（ Timer_A） 、 定时器 B（ Timer_B） 、串口 0 、 1（ USART0、 1）、硬件乘法器、液晶驱动器、 10 位 /12 位 ADC、 16 位SigmaDeltaAD、 直接寻址模块（ DMA）、端口 O（ P0） 、 端口 1~6（ P1~P6）、基本 定 时器 （ Basic Timer）等的一些外围模块的不同组合。 其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器； 16位定时器（ Timer_A 和 Timer_B）具有捕获 /比较功能，大量的捕获 /比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、 PW 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，最多达 6*8 条 I/O口线； P0、 P P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入； 12/14 位硬件 A/D转换器有较高的转 换速率，最高可达 200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 D/A 转换；硬件 IIC 串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（ DMA）模块。 MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。 标签 相 比 较于接触式的条型码技术， RFID 是一种非接触式自动识别技术，其 性能好，低功耗 ，信息容量大，可读写等性能使其在商品流通中更具优势。 条型码系统是一种二进制代码，这种代码以平行的线条和分隔的 间隙组成数据，由宽的和窄的线条或间隙组成的序列，可以用数字 /字母来解释。 通过激光扫描器 (光笔 )读出， 也就是 通过在黑色线条和白色间隙上激光的不同反射来读出。 虽然它们的物理结构相同， 但是和现今使用的条形码还是有一定的区别的。 RFID 电子标签由标签天线 (或线圈 )及标签芯片组成，芯片是具有无线收发和存贮功能的单片系统，它存有一定格式的电子数据，可根据需要标识信息。 由条型码到 RFID 电子标签，也经历了条型码 — 条型码 +RFID 电子标签 — RFID 电子标签，不断发展、探索和完善的过程。 RFID 技术配合图书馆信息 系统，为创造数字化、自动化的图书馆提供了非常美好的机会，但 RFID 电子标签目前存在着一些问 10 题亟待解决： 隐私权问题：透明管理，有效降低成本，安全性非常令人关注。 RFID 电子标签在图书馆中的应用，虽然它还存在一定的问题，相信不久的将来，随着技术不断的完善，图书馆自动化、智能化、数字化程度会有很大的提升，其发展前景是广阔的。 读写器 读写器通过天线发送出一定频率的射频信号，当 RFID 标签进入读写器工作场时，其天线产生感应电流，从而 RFID 标签获得能量被激活并向读写器发出自身编码等信息；读写器接 收到来自标签的载波信号，对接受的信号进行解调和解码后送至计算机主机进行处理；计算机系统根据逻辑运算来判断该标签是否符合匹配，根据不同的设定做出各自相应的处理和控制，发出指令信号； RFID 标签的数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑，控制逻辑接收到指令完成存储、发送数据以及其他后续操作。 读写器本身从电路视线角度来说，可以划分为两大部分，即：射频模块与基带模块。 射频模块实现的任务主要有两项，第一项是实现将读写器想要发往射频标签的命令调制到射频信号上，通过发射天线发送出去。 发送出去的射频信号经过空间传送到射频标签上，射频标签对照射在其上的射频信号做出响应，形成返回读写器的反射回波信号；射频模块的第二项任务即是实现射频标签反回到读写器的回波信号进行必要的加工处理，并从中解调提取出射频标签回送的数据。 基带模块实现的任务也包含两项，第一项是实现对经过射频模块解调标签回送数据信号进行必要的处理，并将处 理后的结果送入读写器智能单元。 第二项任务是将读写器智能单元发送出的命令加工实现为便于调制到射频信号上的编码调制信号。 实现对经过射频模块解调标签回送数据信号进行必要的处理，并将处理后的结果送入读写器智能单元。 PROTEL 99SE PROTEL 99SE 是一个比较常用的电路原理图编辑设计软件，在大学期间也是我们使用做多的一个软件了，它 是 ProklTechnology 公司开发的基于 Windows 环境下的电路板设计 软件。 该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，仍然是大中专院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。 Protel 99SE 由两大部分组成：电路原理图设计（ Advanced Schematic）和多层印刷电路板设计（ Advanced PCB）。 其中 Advanced Schematic 由两部分组成：电路图 编辑器 （ Schematic）和元件库编辑器（ Schematic Library）。 11 1 射频标签的工作原理和主要性能 射频标签的工作原理 当标签进入磁场中，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。 RFID(射频识别 )系统由两部分组成：读 /写单元和电子收发器。 阅读器通过天线发出电磁脉冲，收发器接收这些脉冲并发送已存储的信息到阅读器作为响应。 实际上，这就是对存储器的数据进行非接触读、写或删除处理。 RFID 系统基本上都由电子标签、读写器和数据交换与管理系统三大部分组成。 （ 1）电子标签由片上天线及集成芯片组成 ,通过电磁波与读写器进行数据交换，具有智能读写和加密通信功能。 （ 2）读写器主要由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。 （ 3）数据交换与管理系统主要完成数据信息的存储及管理、对电子标签进行读写控制等 . RFID 系统的工作原理其实也很简单：读写器将要发送的信息，通过编码后加载到高频载波信号上再经天线向外发送。 进入读写器工作区域的电子标签接收此信号，卡内芯片的有关电路对此信号进行倍压整流 、调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。 若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过片上天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至信息系统进行处理；若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起电子标签内部电荷泵提升工作电压，提供电压擦写 E2PROM。 如果经判断其对应密码和权限不符，那么则返回出错信息。 射频标签的主要特点 射频标签的主要特点可以概括为四个方面： 无需像条码标签那样瞄准读取，只要被置于读取设备形成的电磁场内就可以准确 读到，更加适合与自动化设备配合使用。 并且减少人工采集的而带来的人力资源。 每秒钟可进行上千次的读取，能同时处理许多标签，高效且高度准。 标签上的数据可反复修改，既可以用来传递一些关键数据，也使得 RFID标签能够进行循环重复使用，以此节约所需成本。 的识读不依赖目视可见为前提，因而可以在那些条码技术无法适应的恶劣环境下使用。 12 2 MSP430 结构 MSP430 系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于它的特点。 根据 RFID 性能要求和 MSP430系列各种型号单片机的特 点，我采用 MSP430F5529单片机作为本系统控制的核心单片机。 单片机 MSP430的选择： MSP430系列是一个 16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段。 ， MSP430系列单片机能在 8MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。 （运算速度快）。 MSP430 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。 它们分别是看门狗（ WDT）、模拟比较器 A、定时器 A（ Timer_A）、定时器 B（ Timer_B）、串口 0 、 1（ USART0、 1）、硬件乘法器、液晶驱动器、 10位 /12位 ADC、16位 SigmaDeltaAD、直接寻址模块（ DMA）、端口 O（ P0）、端口 1~6（ P1~P6）、基本定时器（ Basic Timer）等的一些外围模块的不同组合。 （拥有丰富的功能模块，大量的 I/O 口） ，可以使它进入超低功耗模式，所以低功耗成为了我们考虑的主要目标之一。 MSP430f5529是 MSP430家族中比较低端的一款芯片，价格不高，能够有效控制电子标签的造价成本。 MSP430F5529 有如下几个特点： （ 1） 128KB FLASH 存储器； （ 2） 8+2KB SRAM； （ 3）片内集成 14ext/2int 高精度 ADC； （ 4）大量的 I/O 端口； （ 5） Timer _A、 Timer _B 两个多功能定时器。