1　引　言

射頻識別（RFID）是利用射頻頻段實現非接觸雙向通信進行識別和交換數據的一種自動識別技術。根據射頻卡的數據調制方式可分為主動式和被動式2種。主動式RFID系統由于其信息實時性強、數據容量大、讀寫速度快、可遠程讀取等優點適用于供應鏈管理、軍事物流、實時定位系統等領域。過去由于主動式射頻卡體積和功耗較大、電池壽命有限等因素，嚴重限制了主動式RFID系統的應用和普及;近年來，得益于微型集成電路技術和微機械加工制造技術的進步，微型智能射頻卡得到了發展，在低功耗IC技術方面的突破，為發展小型、低功耗主動射頻卡創造了條件。

本文以新型射頻芯片nRF905為例，設計了一個工作在微波頻段的主動式射頻識別系統，給出了系統中關鍵的通信模塊設計方案。

2　RFID系統概述

基本的RFID系統包括閱讀器和射頻卡（應答器）2部分。閱讀器可以是只讀或讀寫裝置，通常包含射頻模塊（發射和接收）、控制單元及與射頻卡耦合的元件（電感線圈或天線等），此外還應有連接上位機的通信接口以便將所獲得的數據傳給上位機。射頻卡放置在待識別的物體上，他是RFID系統真正的數據載體。射頻卡通常由耦合元件和微電子芯片組成。其結構框圖如圖1所示。

圖1　主動式可讀寫RFID系統示意圖

RFID系統根據工作頻率的不同分為低頻、中頻和微波系統，微波系統工作頻率主要有433MHz，869MHz，915MHz，2145GHz 和518GHz等。微波RFID系統為電磁耦合系統，適用于識別距離遠，讀寫速率高的場合。此外，根據射頻卡的數據調制方式還可分為主動式和被動式 RFID系統。一般無源系統為被動式，有源系統采用主動式，即射頻卡用自身的射頻能量主動發送數據給閱讀器，調制方式可為調幅、調頻或調相。被動式系統中射頻卡采用調制反向散射方式發射數據，讀寫器的能量必須來回穿過障礙物2次，因此要求閱讀器有較大的發射功率。主動式RFID系統，射頻卡采用電池供電，工作可靠性高，作用距離更遠。

3　主動式RFID系統設計

射頻芯片應用于RFID系統設計可以實現RFID產品的小型化、模塊化和智能化;使得RFID系統成本更低，作用距離更遠，可擴展性更好，極大地促進了RFID系統（特別是主動式RFID系統）的發展和應用。下面是以無線射頻芯片nRF905為例的主動式RFID系統設計。

3.1　無線收發芯片nRF905簡介

nRF905是NordicVLSI公司推出的高性能單片無線收發芯片，工作在ISM（工業、科學、醫療）頻段433MHz/868MHz /915MHz三個頻道，119～316V低工作電壓，集成了頻率合成、射頻發射接收、調制解調、多頻道切換等功能，采用抗干擾能力強的GFSK調制解調技術，傳輸速率達100kb/s，天線接口為差分形式易于連接低成本的PCB環形天線或單端天線。

nRF905采用32腳QFN封裝（5×5mm）體積小巧，外圍元件少，工作頻率穩定可靠，功耗極低，曼徹斯特編解碼由片內硬件完成，內建待機和掉電模式，通過SPI（串行外設接口）與微控制器通信，特別適合低成本、低功耗但同時性能和集成度要求高的應用場合。

如表1所示，nRF905有2種工作模式和2種節能模式，由PWRUP，TRXCE，TXEN三個引腳控制。由于采用先進的 ShockBurst技術，使得數據能夠在微控制器中低速處理，在nRF905中高速發送，中間有很長的空閑時間，因此能夠節約存儲器和微控制器資源，減少編程時間。

nRF905通過SPI接口進行配置，共有5個內部配置寄存器。其中，狀態寄存器包含數據就緒（DR引腳）和地址匹配（AM引腳）信息，射頻配置寄存器包含工作頻率和輸出功率等信息，發送地址寄存器包含發送目標地址和數據字節長度信息，有效發送數據寄存器包含待發送的有效ShockBurst數據包信息，有效接收數據寄存器包含接收到的有效ShockBurst數據包信息。掉電模式下nRF905的工作電流僅為215μA且寄存器內容不變。值得注意的是，只有在待機或掉電模式才能激活nRF905的SPI接口與MCU通信，這點在設計通信協議時應充分考慮到。

3.2　主動式RFID系統硬件設計

以往的射頻識別系統硬件設計通常基于分立元件，設計工作量大、硬件集成度低、成本高、開發周期長。而現有的基于復雜可編程邏輯器件（CPLD） 或數字信號處理（DSP）芯片的設計通常需要完成復雜的通信模塊軟件設計，成本也相對較高［5］。而本文應用nRF905設計的主動式RFID系統，充分發揮了射頻芯片高集成度、低功耗、工作頻率穩定、無需曼徹斯特編解碼及通信協議設計簡潔等優點;大大降低了設計成本，縮短了開發周期，并且硬件更加易于調試可擴展性好。RFID系統的硬件設計框圖如圖2所示。

圖2　采用nRF905的主動式RFID系統硬件設計框圖