RFID運(yùn)用于身份碼發(fā)射器硬件設(shè)計(jì)

RFID作為一種新型自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種人員定位系統(tǒng)，如礦山礦井的井下人員定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)的成功研制與廣泛應(yīng)用，有利于減少各種礦難中井下人員的傷亡，便于了解井下人員的即時(shí)動(dòng)態(tài)情況。

身份碼發(fā)射器作為井下人員定位系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分，其工作原理及硬件設(shè)計(jì)方案的選擇直接影響到整個(gè)人員定位系統(tǒng)的功能及成本。下面就此系統(tǒng)部分提出一種硬件設(shè)計(jì)的可能性。

1 RFID技術(shù)在身份碼發(fā)射器中的應(yīng)用

RFID技術(shù)(中文又稱射頻識(shí)別技術(shù))是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)無接觸的信息傳遞和信息識(shí)別從而達(dá)到雙向通信數(shù)據(jù)交換的識(shí)別技術(shù)。典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)主要包括身份碼發(fā)射器(內(nèi)有射頻識(shí)別卡)和身份碼接收器(內(nèi)有閱讀器)兩個(gè)部分。

身份碼發(fā)射器將幾個(gè)主要模塊集成到一塊芯片中，芯片上有EEPROM 用來儲(chǔ)存識(shí)別碼或其它數(shù)據(jù)。EEPROM容量從幾比特到幾萬比特。芯片外圍僅需連接天線(無源電子標(biāo)簽還需要電池)，完成與身份碼接收器的通信u]。與條碼、磁卡等傳統(tǒng)的接觸式識(shí)別技術(shù)不同的是，RFID技術(shù)支持的射頻識(shí)別卡具有非接觸式的特點(diǎn)，能用于較惡劣的環(huán)境，并且由于是無線傳輸，能辨識(shí)靜止和運(yùn)動(dòng)的物體，可以作為井下人員的身份標(biāo)識(shí)卡。

2 身份碼發(fā)射器所屬系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)

身份碼發(fā)射器所屬的整個(gè)系統(tǒng)見圖1，工作原理如下：身份碼接收器上安裝的發(fā)射天線發(fā)出無線電加密信號(hào)，激活身份碼發(fā)射器，以便向外發(fā)送高頻載波信號(hào)，而后，身份碼接收器上的接收天線負(fù)責(zé)接收發(fā)送過來的信號(hào)，經(jīng)過調(diào)制解調(diào)后，通過RS485接口向上傳給傳輸適配器，由其確認(rèn)有效的信息后經(jīng)RS232接口傳遞給上位機(jī)。而身份碼發(fā)射器在系統(tǒng)中所屬的地位，正好是第一步。

發(fā)射器一般安裝在井下工作人員的礦工帽或腰帶上，形成移動(dòng)的被監(jiān)測(cè)體。而身份碼定位監(jiān)測(cè)站則根據(jù)具體的監(jiān)控區(qū)域放置不同的數(shù)量。傳輸適配器和上位機(jī)都安裝在井上，方便工作人員及時(shí)統(tǒng)計(jì)了解井下情況。

圖1 井下人員定位系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3 身份碼發(fā)送數(shù)據(jù)的方式

針對(duì)以上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，發(fā)射器設(shè)計(jì)的核心就是將內(nèi)部識(shí)別卡的信息完整地傳送給接收器，和其他的數(shù)據(jù)傳輸方式相比，身份碼發(fā)射器每次需要傳送的數(shù)據(jù)量并不是很大，設(shè)計(jì)時(shí)第一步要考慮的是選擇與之相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送調(diào)制方式。針對(duì)本系統(tǒng)的特性，決定選用二進(jìn)制頻移鍵控(FSK)電路，綜合考慮誤碼率、頻帶利用率、信噪比，都完全適用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬件實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。圖2 是頻移鍵控相干解調(diào)的工作流程圖。

圖2 頻移鍵控相干解調(diào)系統(tǒng)流程圖

4 發(fā)射器的內(nèi)部芯片設(shè)計(jì)

4.1 通信芯片CC1000

CC1000 是一種理想的超高頻單片收發(fā)芯片，其主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變。通常典型的系統(tǒng)是由CC1000與一個(gè)微控器以及一些外圍無源元件一起構(gòu)成，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路見圖3。在CC1000設(shè)計(jì)中，對(duì)CC1000的相關(guān)寄存器進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化配置至關(guān)重要，錯(cuò)誤的配置可能導(dǎo)致CC1000不能正常工作。圖4是利用TI公司給出的SmartRF Studio程序在本系統(tǒng)中對(duì)發(fā)射器設(shè)計(jì)時(shí)芯片的晶振、發(fā)射和接收的頻率配置。CC1000的控制是通過對(duì)其控制寄存器的配置完成的，要求MCU 能夠通過三串行控制口(PCLK/PDATA/PALE)控制CC1000改變不同的工作模式，且要求MCU能夠與雙向同步數(shù)字信號(hào)接口。

圖3 CC1000的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路

4.2 主控制器ATmega88V

由于身份碼發(fā)射器采用電池供電，考慮到井下發(fā)射器工作狀態(tài)的持續(xù)性，在保證其基本性能的前提下，選擇主控制器時(shí)，盡量要求低功耗。所以選擇了簡(jiǎn)單實(shí)用的ATmega88V，它具有8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)EEPROM，1K SRAM，23個(gè)通用I/O 口線，32個(gè)通用工作寄存器，3個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，一個(gè) SPI串行端口，一個(gè)6路10位ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，以及五種可以

通過軟件選擇的省電模式 (圖4)。

圖4 晶振、發(fā)射、接收頻率配置

4.3 發(fā)射器的工作原理

CC1000初始狀態(tài)為待機(jī)模式，傳感器采集到身份碼接收器發(fā)送的加密數(shù)據(jù)后，先發(fā)送給AT—mega88，由ATmega88進(jìn)行控制并檢測(cè)，將數(shù)據(jù)通過I/O 口發(fā)送給CC1000，此時(shí)CC1000被信號(hào)激活并進(jìn)入發(fā)射模式，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)幀發(fā)送給身份碼接收器中的接收模塊。需要注意的是，在發(fā)送之前，主控制器ATmega88需要對(duì)CC1000進(jìn)行初始化并配置相應(yīng)的寄存器。表1為CC1000初始化后其主要寄存器的配置值和配置順序。而數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送成功后，CC1000和ATmega88重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，達(dá)到減少功耗和節(jié)約電池電量的效果。

5 結(jié)束語

考慮到井下人員定位系統(tǒng)中降低功耗的需要，選擇了低功耗的射頻芯片 ccl000及控制器AT—mega88V作為硬件設(shè)計(jì)的核心，提出了基于RFID技術(shù)下的身份碼發(fā)射器的硬件選擇中需要注意的問題。整個(gè)身份碼發(fā)射器的硬件設(shè)計(jì)方案可以作為獨(dú)立的模塊應(yīng)用到各種井下人員系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)中。